实施国家级研究计划、保持高强度经费投入，促进航空发动机发展创新
陈懋章，航空发动机专家，中国工程院院士，北京航空航天大学教授。曾任国务院学位委员会学科评议组成员、《航空发动机与燃气轮机》重大科技专项论证委员会委员、国家攀登计划“能源利用中热力气动学前沿问题”专家委员会委员等。研究方向为航空发动机、叶轮机械及高超声强预冷发动机。
航空发动机是以材料和机械制造等为基础的多学科交叉融合的结晶，它以先进性和复杂性成为一个国家科技水平、军事实力和综合国力的重要标志之一，被誉为“现代工业皇冠上的明珠”。
航空动力领域的持续创新
高超声速飞行器的重要战略地位
高超声速飞行器具有极重要的战略地位：
它响应快速；拦截困难，高超音速的突防能力优于现有任何一种隐身技术，机动灵活；高超声速飞行器将超越空间限制，具备“发现即摧毁”的能力，既具有威慑性又具有实用性，是一种“常规的战略武器”。
先进的动力可降低航天器发射成本。
各类发动机最适合的飞行范围
火箭发动机在很宽的速度范围内，比冲都低于其他类型（冲压Ma=0除外），表明从燃料有效利用的角度是非常不利的。虽然如此，火箭相对结构简单，相对易于实现巨大推力，迄今为止仍然是航天器发射的不二之选。
燃气涡轮发动机具有优异的低速性能，但不适于高速工作，目前主要有两条技术途径：涡轮基冲压组合发动机（TBCC）和强预冷涡轮发动机。
涡轮基冲压组合发动机（TBCC）
TBCC的优点为：在起飞、亚声速和返回任务段，涡轮基推进系统的单位比冲远高于火箭基组合发动机（RBCC），经济性好；涡轮基系统使用灵活；涡轮发动机具有军民两用特点，可作为高超声速远程飞行的低速段加速器；TBCC的性能增长潜力大，可根据任务要求变化进行适应性改进；TBCC推进系统可水平起降、重复使用。
TBCC的缺点和技术困难为：模态转换存在“推力陷阱”；模态转换困难；项目难度大。
TBCC有两种组合方式，串联式和并联式。
由于机构复杂，技术难度大，从20世纪50年代TBCC方案提出至今，尚无一型在工程上获得成功。
特殊的TBCC发动机——J58发动机
SR-71侦察机“黑鸟”采用的是涡轮-冲压组合发动机，它不但突破了“音障”，更突破了“热障”，至今保持有人驾驶、吸气式发动机最高飞行速度的世界纪录。J58随着飞行高度和速度的增加，其工作模式由纯涡喷向组合方式过渡，采用了变循环发动机设计技术，发动机进气道和尾喷口的设计都很特别。
由于SR-71的成功，美国RockheedMartin公司宣布研制其后继机SR-72，预计2030年前后投入使用。
在航空发动机不断向高速化发展的同时，小涵道比的军用加力涡扇发动机和大涵道比的民用涡扇发动机也呈现出不同的发展趋势。
高超声速强预冷涡轮发动机
强预冷概念
实现高超声速飞行的另一可能方案是强预冷，即将高速飞行时进入发动机的高温滞止空气在气流流过的瞬间（0.01~0.05 s）降温800~1000 K，使Ma=5的来流温度从1315 K瞬间下降到300~500 K，达到现在涡轮发动机完全可以正常工作的进气温度，且材料和冷却的问题也得到大大缓解。实际上，预冷的思想从20世纪60年代就已提出，此后，各航空强国先后开展了多方案的探索，除英国和日本方案外都因看不到工程前景而终止。
实现强预冷的技术措施
实现强预冷的技术措施是两条：超临界状态介质换热和微尺度换热单元。用超临界状态流体作为换热介质，可得到流动损失低、换热量大的换热效果。微小尺度换热单元，因为单位质量介质的换热面积与毛细管半径成反比，减小半径可加大换热面积。
所以以超临界状态介质进行换热，以微小尺度薄壁构件为基本换热单元，可实现强预冷。
强预冷技术面临的困难和优势
这条技术途径面临的主要挑战是新的、严峻的科学技术问题，它既涉及换热和循环理论方面的基础问题，也涉及加工制造方面的许多科学问题。这条技术途径的优点是，可以沿用涡轮发动机的技术而不需在这方面解决任何新的技术瓶颈，且可以避免TBCC的各种难题。
强预冷技术的应用
2012年底，英国REL公司宣布，在地面试验实现了强预冷，国外对于该新型发动机技术给予了极高评价。国内也对强预冷发动机的科学技术问题开展了大量研究，取得了一批极富创新性的重要成果。
自适应变循环发动机
变循环发动机思想的提出
美国空军强调生存性，有关“远程打击攻击机”（LRS）的研究表明，要求未来发动机要同时具有高速大推力状态和相对低速的低油耗经济工作状态的两个基本工作点。目前的发动机技术不能同时满足上述两点要求，由此提出了自适应-变循环问题。
变循环的实现
“自适应通用发动机技术”（adaptive versitile engine technology，ADVENT）项目的目标是发展在飞行包线内可以改变风扇、核心机流量和压比，从而优化发动机性能。这些自适应技术在发动机上的一种应用是变循环发动机（variable cycle engines，VCE），它既可以满足高速飞行的需要，也可以满足低速待机长续航时间或远程持久飞行和经济性要求，是应用于第四、五代多用途战斗机的理想动力装置。
自适应的含义
自适应发动机技术，是由于传感器技术和全权限数字电子控制技术的成熟，使对发动机的控制比过去更简单和方便，工作点的控制更连续，容易实现对飞行阶段全过程的适应性控制与调节。通过控制软件升级，硬件不改变也可以提升发动机的性能。
自适应通用发动机ADVENT
自适应通用发动机由三涵道组成：核心机主流、风扇旁路与第三旁路，分别通过活门连接。当起飞和高速飞行需要大推力时，活门关闭，更多空气流入核心主流，加大单位推力和总推力；当持续巡航时，活门打开，更多空气流入外涵，降低耗油率。
F-120变循环发动机
F-120发动机采取了以单涵道（涡喷模式）和双涵道（涡扇模式）相结合的变循环工作模式。在亚声速巡航的低功率状态，发动机以双涵（涡扇）模式工作；在超声速巡航的高功率状态，发动机以单涵（涡喷）模式工作。
F-120在兼顾低速和高速性能方面的优势，得到同行专家的广泛认可。
F-120发动机
变循环发动机的成功将使下一代飞机既具有低油耗、长距离飞行的能力，也具有大推力、不加力超声速巡航的能力。
民用大涵道比发动
从现在技术发展情况看，在21世纪的前50年，大涵道比涡扇发动机或在此基础上的各种改进类型发动机仍将占据民航动力的统治地位。
可能的改进类型发动机主要有齿轮驱动风扇发动机（GTF）、开式转子发动机（Open Rotor）和间冷回热发动机（IRA）。太阳能等新能源发动机也是重要的发展方向。
对民用客机发动机的要求
按相对重要性来看，安全性/可靠性非常高，可承受性/成本和价格也非常高。对于影响环境的诸因素进行比较，对其燃料燃烧污染物排放的控制逐步增加，对发动机工作噪声的控制也逐步增加。
民用发动机的发展趋势
取证时间越新的发动机，涵道比越高，涡轮前燃气温度越高，风扇压比越低，总增压比越高，巡航耗油率越低。民机的部件效率对整个民机的品质有极大的影响，只在总增压比能提高的条件下，提高涡轮前燃气温度才能降低耗油率。民机发动机性能的提高总是与先进技术的采用为标志的技术进步相联系的。
在以下几个方向，民用航空发动机将实现进一步发展：
1）齿轮驱动风扇式的涡扇发动机（GTF）
GTF是通过减速齿轮箱带动风扇，其优点是低压涡轮可采用更高转速，从而减少涡轮级数。
同时，风扇可采用更低的转速，以得到更大的涵道比和更低的叶尖切线速度，既可进一步降低耗油率，也可降低噪声。
2）开式转子发动机（open rotor）
开式转子就是桨扇发动机或无涵道风扇发动机，主要优点是涵道比可大幅度加大，从而有效降低耗油率。
开式转子的推进效率明显高于通常的涡扇发动机，但受浆扇尖部不产生过强激波的限制，其最高巡航速度略低。通常认为，除非油价大幅提高，可能不会采用此技术。
开式转子发动机
3）间冷回热发动机（IRA）
间冷回热是在普通的涡轮发动机高压压气机和低压压气机之间设置一台中间冷却器；在尾喷管排气中设置一台回热器。间冷回热循环核心机热效率比常规循环大约可高出14%~16%。
目前，由欧洲多国参与发展的IRA技术正在开发中。间冷回热技术已在地面和舰船燃气涡轮发动机上得到应用，而在航空上至今未获应用。
混合电推进技术
混合电推进可进一步提高燃油利用率
混合电推进技术是指通过传统燃气涡轮发动机发电，为分布在机翼或机身上的电动机提供电力，并由电动机驱动风扇提供绝大部分或全部推力的一种新型推进技术。该技术等效于大幅提高燃气涡轮发动机的涵道比，其最大的优势是能极大降低推进系统的燃油消耗量和各种污染排放。
混合电推进技术将不同形式能源系统搭配组合，利用电能传输便捷与控制灵活等特点，使得推进系统与飞行器能够按照需要进行融合设计。
混合电推进技术的出现为飞行器与推进系统设计提供了全新的思路，能够使飞行器的综合性能得到提升，实现更灵活的起降、更高效的巡航以及更低的噪声与污染物排放，将带动全球航空业向数字化和电气化方向发展。
典型的混合电推进系统
美国波音公司在Sugar项目下探索了分布式混合电推进系统动力解决方案，还与GE公司合作探索了一系列混合电力推进系统。分布式混合电推进系统的一个主要优点是能够集成到机体结构上，优化机体周围的流场。置于机翼尾部的分布式风扇可吸入机翼背面的边界层，使之加速，从而提高机翼的升阻比，减轻飞机重量，减少所需推力，有利于降低油耗与污染。
针对未来宽体客机市场，NASA还探索了全复合材料和翼身融合体（HWB）的N3-X飞机概念，其最突出的特点是采用了燃气涡轮电力分布式推进系统（TeDP），最终实现比波音777飞机耗油率降低70%以上的目标。
国外航空发动机发展的经验
1）航空发动机研发的基本特点是工作环境极端恶劣，而要求又极端苛刻。
2）从科学问题看，发动机内流问题的特点是，复杂边界条件下、强三维、固有非定常、包含转捩过程的复杂湍流流动，而湍流问题至今基本未得到解决，而且在近期看不见根本解决的前景。
3）从所涉及的学科看，航空发动机是多学科交叉——气、固、热、声、控、材料、工艺等多学科耦合。
4）由于所涉及的科学问题至今基本未得到解决，且多学科交叉的特点更增加了问题的复杂程度，所以美英等国在发展航空发动机长期过程中绕开了复杂未解的理论问题，直接依靠试验，总结经验关系，发现规律。发动机就其本质而言是一门实验科学。
发达国家发展航空发动机采取了以下的举措：
1、重视基础研究，实行政府主导、产学研用合理分工而又密切合作的举国体制。
航空发动机是多学科交叉的高端复杂系统，决定其品质的基本要素是核心技术。高端产品的特征是核心技术堆集。
核心技术以科学知识为基础，基础研究则是获取科学知识、掌握核心技术的基本途径。掌握核心技术是长期、复杂、艰巨的任务。
（1）政府的主导作用，首先体现在政府高度重视，作为国家重要战略产品，在政策制定、投资方向和强度、顶层规划和计划管理等方面予以体现和贯彻。政府下决心持续投入大量人力、物力、财力，建造大量实验设备，强化基础研究，打造了现代强大的发动机基础，这是政府主导的成功经验。
（2）产业界和学术界合理分工而又密切合作是举国体制的关键。在整个产业链中，产业界和学术界都有相对优势和相对劣势的环节，按各自优势的环节分工研究，最后综合集成，构建以科学知识为基础、以大量实验数据支撑的核心技术体系。
2）实施持续、高强度投入的一系列国家级研究计划。
（1）以未来战争、民机市场和使用故障对技术的需求为牵引，确定计划的方向、定位和技术指标，充分体现国家意志，贯彻国家战略意图。
（2）以获取知识、掌握技术、提升核心能力为基本诉求，但其成果却可用于各类型号，“沿途下蛋”，既支撑现役型号的升级换代，也支撑新型号研制，体现了重基础、以技术支撑和推动行业发展的基本理念。
（3）计划的高强度经费投入。高强度的经费投入，提供了掌握核心技术的经济保障。
（4）计划从制定到实施，实行政府主导、产学研用结合的举国体制，充分发挥了各方优势，保证了计划实施的有效性和高效率。
（5）计划持续且协调。美国从20世纪50年代开始，持续实施了一系列国家研究计划，从未间断。
这些计划前后搭接，有机协调，无缝无漏，相互补充支撑，以保证构建成完整而又不断提高的核心技术体系。这些计划的实施，不断显著提升了美国航空发动机的科学技术水平和能力，为美国占据国际领先的优势地位起到了决定性的作用。
3）建立专门机构，是掌握核心技术、造就基础研究人才、培养专业技术人才的重要组织措施。
重视基础研究，掌握核心技术，要有组织保证。建立专职科研机构是有力的组织措施，不仅有利于将力量集中于掌握核心技术，不分心于发动机型号研发，而且有利于培养造就一支专门从事基础研究的人才队伍，为型号研制提供源源不断的专业技术人才补充。
本文节选自《科技导报》2021年第3期，题目为《航空发动机科学技术的发展与创新》，作者为王强、郑日恒、陈懋章，欢迎订阅查看。
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