【科技资讯】美国通用电气公司公布六代机自适应发动机发展计划
[据美国《航空周刊与空间技术》网站报道]美国军方计划部门目前已经基本接受了除非出现物理规律的重大革新，否则能够满足“第六代”战斗机先进性能要求的动力只能采用变循环，或者说自适应发动机技术。未来战斗机要求不仅仅要比当前的飞机飞得更远，还需要在接敌时具有更快的速度和更强的动力。但从推进的角度来看，目前这些目标却是互相排斥的。更大的航程和亚声速巡飞需要更低的油耗和良好的巡航效率，但超声速冲刺所需的大推力要求更大的核心机和足够高的工作温度，这两项对于降低油耗和隐身来说都有负面影响。
为了解决这个难题，并将这两种能力综合进同一套推进系统中，发动机研制商正在美国空军研究试验室（AFRL）的“自适应发动机技术发展”（AETD）项目下开展能在飞行中改变结构的新一代发动机技术测试。尽管AETD项目计划到2016年以完成飞行重量的核心机演示验证结束，但空军正在规划启动后续的“自适应发动机转移项目”（AETP），为2020年后研制用于第六代战斗机和可用于F-35换发的的200kN（45000 lbf）级自适应发动机铺平道路。目前AETP项目的进度、预算和内容还在不断变动，但项目仍可望在2016年启动，为期3年左右。该项目将使自适应发动机技术成熟并降低风险，为开展竞争性工程与制造研制（EMD）项目做好准备。
自适应发动机采用一套可调几何装置动态地改变风扇压比和总压比——两个影响耗油率和推力的关键因素。风扇压比的调节通过一个自适应的多级风扇，在起飞和加速时将风扇压比提高到战斗机发动机的性能水平，而在巡航时将其降低到与客机类似的程度以改善燃油效率。为了改变涵道比，变循环发动机在标准的核心机和外涵道的外圈又增加了第三个气流通道。第三涵道根据不同的任务阶段可以提供额外的气流来源，既可以适应提供额外流量来提高推进效率和降低油耗，也可以为核心机提供流量，从而提高推力并为热端部件提供冷却空气，此外第三涵道还可以作为飞机系统的热沉来冷却燃料。在巡航时第三涵道可以接收进气道周围溢出的过量空气，改善气流利用率并减小溢流阻力。
AETP项目是空军推动变循环方案使战斗机发动机性能跨代的一系列重大动作中最新的一步。2006年AFRL发起了为期5年的“自适应多用途发动机技术”（ADVENT）计划，GE和罗·罗北美各自发展了高压比核心机、自适应风扇、可调外涵及低压系统技术。该计划的目标是比2000年基准战斗机发动机降低耗油率25%，解决了包括在风扇压比变化时保持发动机流量不变、应对前所未有的热端温度等关键技术挑战。同时ADVENT还探索了低温冷却气调节、更新更简单的排气系统设计等的发展途径。GE公司计划在2015年2月前与AFRL一起完成ADVENT发动机的详细评估。
罗·罗公司从2012年开始ADVENT核心机试验，但并未披露进一步的里程碑。GE公司的核心机试验始于2013年，超过了AFRL设定的温度目标达72 K，达到了经过空军确认的“喷气发动机推进史上”最高的压气机和涡轮联合工作温度记录。GE公司军用系统运行部先进战斗发动机项目总经理Daniel McCormick表示：“我们找到了能够有效产生动力满足三涵道结构所需的核心机，并验证了其达到AFRL燃油效率改善25%的目标，转化到平台可使其航程增大30%。”GE的核心机已经完成了60小时试验，随后在2013年11月到2014年7月间开展了首台全尺寸三涵道验证发动机的试车。
McCormick表示，ADVENT发动机的试验“极其成功”，但也揭示了一些意料之外和高度相关的信息。“其中之一是我们发现用于了解自适应循环性能的建模技术虽然相当完善，但对三涵道自适应发动机的建模却存在一些差异。有些模拟的很到位，但有一些仍需要重复调试。这台发动机对我们来说是非常有价值的工具。”ADVENT计划也引出了随后的AETD项目，后者由GE和普·惠于2012年赢得竞标，罗·罗公司则被淘汰出局。AETD项目着眼于能够使战斗机发动机油耗降低25%、军用推力比F135增加5%、加力推力提高10%的发动机技术。因此AETD在效率和推力方面都超过ADVENT，而且与后者在初期采用瞄准B-2轰炸机类型的动力范围所采用较小的核心机不同，AETD将基于一个更大的核心机。
尽管GE最初将AETD发动机的目标定为可分别适合未来美国海军F/A-XX和空军F-X六代机，二者精确的推力需求仍然“变化范围很大”。由于主要的问题尚未确定——比如六代机是单发还是双发，因此GE将F-35设定为发动机发展计划的基准。McCormick表示：“（F-35）好歹是个实物，而且也是个富有挑战性的对象。从公司的角度讲，如果这项技术向前发展，至少这些机会中会有一个五代机的可能性，而且F-35将会生产相当长时间。因此尽管自适应发动机会比F-35现在的推进系统稍大一些，但仍然可以使用同样的进气道。我们必须解决如何在不对现有结构进行大变动的前提下，在整个包线内以更加省油的方式产生更大的推力。”
AETP发动机的设计“将比目前F-35标准的需求更为激进，但还达不到能驱动定向能武器的水平。”取而代之的是三涵道带来的好处是打开F-35飞行包线的低空高速部分，能使飞机在150米（500英尺）高度以马赫数0.8/0.9的速度飞行。McCormick补充说：“目前F-35在低空的飞行因为热管理需求而受到限制，你不能使飞机过热。我们正在开展的项目可以在2020年代中期以前用到F-35上，这取决于AETP项目的规模和投资强度，最早可以在2022-2024年实现。”
对于真正用于六代机的发动机，三涵道的好处将会在提高性能的同时能够支持先进武器和系统。McCormick说：“几乎可以肯定这些未来的平台将会使用定向能武器，预计所需的电力至少为1MW。我们正在试图确定这个设计范围。作为AETD的一部分，我们正在进行下一代权衡研究。利用AFRL提供的经费，我们正在资助三家飞机制造商（波音、洛克希德·马丁和诺斯罗普·格鲁曼）共同开展相关工作。AFRL的愿景是这些研究将有助于武器系统承包商告知飞机其能力水平，从而推动备选方案分析（AOA）的进展。技术的可能性到底有多大？答案是仍然随着时间在进化。AOA目前仍处在规划阶段，空海军还都没有正式启动该项工作。”当GE公司希望采用通用核心机策略时，通过与空军全寿命管理中心的讨论了解到这些发动机将会有所不同，需要进行缩放。可能会对低压涡轮结构进行适当修改，如果下一代战斗机采用双发的话，就不需要太大的进气流量。
McCormick表示，即使发动机的推力级从B-2（F118单台推力8460daN）上升到F-35（F135单台加力推力19135daN）级别，AETD核心机的大小也不会变化太多。基准核心机的尺寸是建立在满足超声速飞行和加速能力的基础上。“这些需求仍在不断增长，当我们以下一代战斗机为应用对象时，核心机的尺寸可能会因为变成双发设计而再次调整。”GE的AETD发动机构型从外形轮廓上看和F136很相似，但实际上几乎是全新的设计。首先3级风扇就有明显区别，包含了可调机构和自适应结构特征，外侧还加上了环形的第三涵道。高压压气机来源于Leap发动机压比22的10级压气机设计，涡轮和燃烧室也比F136有了显著的改进。
其中最具先进性的领域，也是GE认为其在六代机发动机竞争中的王牌，是对轻重量耐热陶瓷基复合材料（CMC）的大量应用。F136只在第3级涡轮导向器采用了CMC，而现在CMC被用在从燃烧室到低压涡轮的整个热端部件上，包括旋转件。CMC在旋转件上的领先应用2014年在F414发动机上成功的进行了验证。
第三涵道中还将安装2套热交换器。McCormick解释说：“我们发现高压比风扇和压气机存在一个问题，就是空气温度过高。因此我们在空气进入涡轮之前增加了低温冷却空气系统。”比例放大的AETD热交换器及其他结构的详细设计将尽快确定，以应对AFRL在3月份将要进行的发动机系统初步设计评审。核心机的详细设计评审已经在2014年晚些时候完成，并在NASA格林研究中心进行了三涵道冷气流和喷流影响台架试验。一些由树脂基复合材料（PMC）制造的轻重量静子件也完成了部件试验。在下一代军用发动机之后，GE也打算在商用发动机上应用CMC，从而发挥其广阔的材料和气动优势。
McCormick表示：“公司很乐意做这些事，已经在用于AETD及后续项目的技术方面投入了大约10亿美元。”其中6亿美元支持包括用于Leap、GE9X和Passport等商用发动机的CMC等先进技术，另外4亿美元则直接用于ADVENT和AETD等军用技术的研发。
在完成2014年11月开始的全环燃烧室台架试验后，GE公司2015年将完成全尺寸PMC部件评估和在怀特-帕特逊空军基地的高压压气机台架试验。加力燃烧室试验计划在12月份开始，同时为2016年上半年开始的风扇台架试验做好准备。尽管加力燃烧室和尾喷管技术研发并非这些自适应循环技术验证项目的内容，但GE仍在推进加力技术研究，探索如何使三股气流在发动机尾部顺利混合。GE的AETD项目将于2016年完成风扇试验和核心机试车之后结束。普·惠公司同样也要在今年年初完成其AETD发动机的初步设计评审。根据公司公布的少量下一代发动机计划细节，普·惠预计在2016年上半年开展先进高压核心机的演示试验，随后在年内完成带有三涵道自适应风扇及相匹配的加力和排气系统的整机试验。
（来源：国防科技信息网，作者：晏武英）
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