【长知识】国外典型的军用航空发动机技术发展计划

导读：航空发动机的发展技术难度大、周期长、费用高、风险大，市场竞争非常激烈，目前国外能独立研制先进军用航空发动机的国家只有美国、英国、法国和俄罗斯等少数几个国家。这些国家长期以来始终高度重视航空发动机技术的研究和发展，投入大量资金，通过连续不断地实施先进航空发动机技术的研究与验证计划，为其占据当今世界航空发动机领域的领先地位奠定了坚实的基础。美国综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划、欧洲先进核心军用发动机（ACME）计划和美国多用途、经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE）计划是国外军用航空发动机技术计划的典型代表。

1 综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划

IHPTET计划是美国从1987年开始实施的一项范围广泛的国家级航空发动机技术发展与验证计划，目标是到2005年使航空推进系统能力翻一番，即发动机的推重比（功重比）增加100%~120%，耗油率下降30%~40%，生产和维护成本降低35%~60%。参与该计划的包括美国国防预研局（DARPA）、陆军、海军、空军、NASA和七家航空发动机公司。

IHPTET计划发展的技术包括涡喷/涡扇发动机、涡桨/涡轴发动机和短寿命的发动机，该计划分个三阶段（进行，总经费投入为50亿美元，每年平均3亿多美元。

IHPTET计划第一阶段验证的技术包括小展弦比后掠风扇、阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷式密封、陶瓷复合材料的燃烧室火焰筒浮壁、"超冷"涡轮叶片和球形收敛调节片尾喷管（SCFN）。第二阶段验证的技术包括压气机整体叶环结构、"铸冷"涡轮叶片、涡轮整体叶盘、耐700℃~800℃的γ钛铝合金、周向分级燃烧室、陶瓷轴承。第三阶段验证的技术包括分隔式叶片风扇、高压比压气机（4级达到F100发动机10级的压比）、驻涡火焰稳定燃烧室、燃烧室主动温度控制、陶瓷基复合材料火焰筒、碳-碳复合材料涡轮、陶瓷材料涡轮、磁浮轴承、气膜轴承、骨架式结构、内装式整体起动发电机、模型基分布式控制系统、非稳态计算流体力学（CFD）仿真技术和射流控制矢量喷管等。

目前，该计划已经顺利结束并获得了很大成功，该计划所发展的技术很多已经用于现有军民用发动机的改进改型和新型号发展中，使现有航空推进系统的性能达到了更高水平。军用发动机F119、F135、F136、F404、F414、F100和F110应用了该计划验证的宽弦风扇整体叶盘、多斜孔冷却燃烧室、刷式密封、高功量"超冷"高温涡轮、整体旋流加力燃烧室、二元和轴对称推力矢量喷管以及带光纤部件的先进的全权限数字式发动机控制系统（FADEC）技术。民用发动机GE90、PW4084、CFM56-7、AE3007和FJ44采用了该计划验证的双头部燃烧室、浮壁燃烧室、气膜冷却火焰筒、"铸冷"单晶涡轮叶片、复合材料风扇叶片、隔热涂层、先进的FADEC、空心弯掠风扇叶片、可磨蚀涡轮叶尖和无螺栓固定等技术。

2 多用途、经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE）计划

为保持在21世纪的领先优势，美国从1999年开始实施IHPTET的后继计划--多用途、经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE）计划，目标是为未来轰炸机、无人作战飞机、先进隐身作战飞机、先进运输机、低成本空间飞行器和垂直/短距起降（V/STOL）飞机提供多种收益，包括增加航程，减小保障规模，提高战备完好率，降低噪声、排放和可探测性（隐身），以及提供高速续航力。技术目标是到2017年验证使发动机的能力/成本比是F119的十倍的技术。

VAATE计划的参研单位包括美国陆军、空军、海军、DARPA、NASA和六家飞机发动机公司（通用电气、霍尼韦尔、普惠、罗罗、威廉斯和特里达因大陆发动机公司），三家飞机机体制造商（波音公司、洛克希德·马丁公司和诺斯罗普·格鲁门公司）也参与了该计划，另外该计划还新增了国防部办公室（OSD）和能源部（DOE）。

与IHPTET计划一样，VAATE计划的目的是集中政府和工业部门在涡轮发动机技术领域的研究和发展资源来达到一个共同的目标。VAATE计划同样有相对稳定的投资，并规定了新技术发展和验证的时间进度。但是，IHPTET计划的重点在于发动机本身的能力，而VAATE计划的重点在于整个飞行器推进系统的性能，包括进气道、排气系统、第二动力系统和燃油系统，以及它们与飞机机体的一体化，并且将经济可承受性作为一个重要指标。与IHPTET计划一样，VAATE计划也是一项分三阶段实施的国家级涡轮发动机技术发展计划。

VAATE计划将发展从小型一次性使用的涡喷发动机、直升机用涡轴发动机到大型涡扇发动机等一系列的验证机。预计，VAATE计划所需经费与IHPTET计划相当，年均大约3亿美元。

VAATE计划发展的技术包括综合的热管理系统、流量可控的先进进气道、多用途大流量压气机、紧凑高效的低污染燃烧室、综合的健康管理系统、模型基非线性适应性控制系统、轻重量抗畸变风扇、长效全寿命涡轮、先进的燃油添加剂/热稳定高热沉燃料、一体化的涡轮后框架和加力燃烧室、耐久的推力矢量排气系统等。目前，VAATE计划正在下述六种"改变游戏规则"的发动机验证平台上验证这些技术：

1）高效小尺寸推进（ESSP）：可使未来长航时无人机和巡航导弹的燃油效率提高35%~40%，同时减少生产成本。

2）小型重油发动机（SHFE）：使未来无人飞机和有人飞机的航程、载荷和耐久性更好，该计划是由美国陆军领导的，在用于直升机和无人机的520kW涡轴发动机上验证燃油消耗和成本减少的技术。

3）高速涡轮发动机验证机（HiSTED）：将为多种武器发射平台提供范围宽广的、低成本的、速度M4以上的推进能力。使到达目标的时间减少80%，可灵活地执行超声速巡航/亚声速待机任务。

4）结构紧凑的高效直接升力发动机（CEEDLE）：可满足未来大型运输机对远程、高亚声速巡航和短距起飞（垂直）降落能力的要求。该发动机可省去目前升力风扇发动机的轴和离合器等部件，使任务半径增加2~4倍。

5）高效嵌入式涡轮发动机（HEETE）：将发展一种推力为8900~15575daN的在飞机上嵌入安装的发动机，可满足中高空情报、监视和侦察平台的需求，使燃油效率提高25%、发动机推重比提高60%、待机时间增加2倍，功率提取达到400kW。将研究空气密封技术、主动间隙控制技术、对冷却空气进行冷却的结构紧凑的轻重量热交换器等。

6）自适应循环发动机（ACE）：可根据多种飞行条件选择自己的特性，在高速和低速飞行都具有最佳的性能，将满足远程轰炸机的动力需求，这种飞机可不加力以M2.4的速度飞越很长距离，迅速到达目标，然后转变为节省燃油的待机模式工作，持续飞行数小时。

3 先进核心军用发动机（ACME）/军用发动机技术（AMET）计划

先进核心军用发动机（ACME）计划始于20世纪70年代，是英国一个长期的军用航空发动机技术综合验证计划，计划发起方为英国国防部、皇家飞机设计院和国家燃气涡轮研究院，主要资助方为英国国防部和罗罗公司，其次还有德国的MTU公司和意大利的FIAT公司。迄今为止，ACME计划是英国和欧洲投资最多、规模最大的一个军用发动机技术发展计划。

ACME计划的总目标是提供未来先进战斗机发动机所需技术，尽管该计划的目标并不是研制一种发动机，但有如下技术目标：推力达到8896~11120daN，推重比达到10和12，总压气机级数减少到6~7级，总增压比达到24左右。ACME计划主要发展推力矢量系统、双转子和三转子加力涡扇发动机技术。该计划发展的内容包括新的陶瓷材料、合金材料和冷却技术的研究，以及三维流分析和建模。

该计划共分两个阶段，1982年~1993年为第一阶段，在此期间，ACME计划的大部分工作已经完成，所发展的技术已实际应用于RB199、"鹞"Ⅱ及AV-8B垂直/短距起降飞机用"飞马"发动机和欧洲战斗机"台风"用EJ200发动机的发展。最近，罗罗公司又将ACME技术转移到其先进的民用核心机验证机计划中，并且这些技术也有可能用于罗·罗公司目前正在进行的RB411发动机的设计。今后，ACME技术还可能用于F110、RB419、罗罗公司的大涵道比风扇发动机、罗罗公司的前后串列风扇项目、远距加力升力系统、远距非加力升力系统以及先进军用发动机技术(AMET)计划。

ACME计划第二阶段正在进行中，目标是发动机的重量降低50%，推重比达到20，耗油率降低30%，制造成本降低30%，寿命期成本降低25%。这一阶段的验证机将于2011年前首次试车。

AMET计划是一项英法双边合作计划，该计划全面吸收了ACME计划所取得的成果。该计划从1995年开始实施，目标是研制一种推重比15的发动机，最后达到推重比18的目标。目前，两公司正在研究将金属基复合材料用于高推重比发动机的高压压气机上，另外，也在研究改进的镍基单晶材料、发展更先进的叶片涂层和改进冷却使高压涡轮进口温度可达到1827℃（2100K）。

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