六代机先进动力技术进展研究

飞天猪主 2022年9月22日浏览：1658

来源：国际航空

作者：毛吉烜汤丽

六代机作为目前全球各航空强国争相竞逐的焦点，是最前沿、最先进的航空武器装备系统的代表。自适应循环发动机是六代机的关键，是当前公认的与之相配套的未来动力系统，具有三涵道、自适应风扇、先进的CMC材料等技术特征。

当前，以美国为代表的航空强国正在极力地发展第六代喷气式战斗机及其配套的动力技术，持续推动下一代航空武器装备发展。按照战斗机的划代标准，发动机技术是六代机最核心的典型特征。

战斗机划代概念最早见于美国《空军》杂志2008年版的划代方法（见表1）。美国、俄罗斯、英国、德国、法国和日本等国家都已启动六代机的研发工作。

英国“暴风”战斗机全尺寸模型。

法德西的FCAS全尺寸模型。

日本“次世代战斗机”F-X概念图。

六代机发动机先进技术浅析

六代机先进动力技术进展研究的图5

动力是航空武器装备发展的关键。可以预见的是六代机将拥有比五代机更加强劲的动力，发动机技术或将有革命性突破，其中最有潜力的是采用自适应循环发动机（ACE）技术，实现性能与油耗的完美结合。

因自适应循环发动机潜在的巨大技术优势，美国空军、海军联合GE、罗罗和普惠等公司，在通用经济可承受性先进涡轮发动机（VAATE）研究计划实施的初期就发起了与自适应循环发动机研制有关的连续性研究计划——“4个A计划”，分别是目前已经完成的自适应通用发动机技术（ADVENT）子计划（2007—2013年）和自适应发动机技术发展（AETD）子计划（2012—2016年），以及当前正在进行中的自适应发动机过渡项目（AETP）研究计划（预计2016—2026年）及空中优势自适应推进技术（ADAPT）研究计划（具体日期不详），逐步推动自适应循环发动机的技术发展，使之逐渐成熟。

在综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）研究计划取得的成功经验和部分重要成果的基础上，美国国防部（DOD）、国家航空航天局（NASA）、能源部（DOE）和工业界又联合制定了后继的VAATE计划。

通用经济可承受性先进涡轮发动机（VAATE）研究计划。

VAATE计划于2003年开始部分实施，2005年开始全面实施，共分三个阶段，到2017年结束。目标是通过发展、验证和转移先进的多用途涡轮发动机技术，以使各种现役的、在研的与未来的军用推进和动力系统在经济可承受性方面取得革命性改进，即到2017年计划结束时，将涡轮发动机推进系统的经济可承受性较2000年的最优系统基准提高10倍。为此，VAATE研究计划聚焦于三个更加广泛的领域，分别是通用核心机，智能发动机和可靠性。

其经济可承受性指数（CCI）被定义为：推重比除以单位燃油消耗率再除以总成本，其中总成本包含开发、采办及全生命周期内的维护成本，但不包含燃油费用。

自适应通用发动机技术子计划

六代机先进动力技术进展研究的图7

2007年，在VAATE研究计划第一阶段中，美国空军实施了与六代机发动机研发最为密切的自适应通用发动机技术（ADVENT）子计划，目的是为下一代军用飞机开发出一款高效的90kN推力级别的自适应循环发动机，并将ADVENT第一阶段的技术合同授予了GE和罗罗进行早期开发，主要工作包括概念探索、开发和测试关键部件，并开始初始设计。

2009年10月，罗罗获得了ADVENT第二阶段的技术合同，持续开展部件测试并将新开发的技术集成到一台技术验证发动机中。GE也获得了美国空军研究实验室（AFRL）的资助继续开发其技术验证核心机，并在这个阶段验证了许多关键技术，包括CMC（陶瓷基复合材料）热端部件、高压缩比核心机、先进的可变压缩比风扇以及GE下一代冷却涡轮机。

2012年，ADVENT项目顺利过渡到AETD子计划，并在2013年以发动机验证机地面台架验证而宣告结束。

ADVENT在2013年以发动机验证机地面台架验证宣告结束。

自适应发动机技术发展子计划

六代机先进动力技术进展研究的图9

自适应发动机技术发展（AETD）子计划是VAATE研究计划的第二阶段，即ADVENT的后续计划，目的是促进自适应发动机部件和通用核心机技术完全成熟，为美国空军的下一代战斗机或轰炸机等多种作战平台提供动力。与ADVENT研究计划所采用的小尺寸核心机相比，AETD研究计划中的发动机采用了尺寸更大的核心机，此外还增加了ADVENT研究计划中没有的加力燃烧室和排气系统。

2012年9月，美国空军选中GE和普惠进行自适应发动机技术的进一步开发与验证，AETD子计划由此开启。AETD项目的一项重要任务是评估在ADVENT计划中产生的一些创新技术，如自适应三涵道风扇、第三涵道的冷却气流和CMC材料。该研究计划分两个阶段进行，第一阶段到2015年中期结束，完成初始发动机设计以及全环形燃烧室、高压压气机和CMC部件的台架试验；第二阶段到2016年结束，完成风扇台架试验和核心机整机试验。

自适应发动机过渡项目研究计划

六代机先进动力技术进展研究的图10

自适应发动机过渡项目（AETP）研究计划是AETD子计划的后续，目的是使六代机发动机技术成熟化。该计划始于2016年6月，预计为期10年；由美国空军组织管理，投入经费约为20亿美元，由GE和普惠承担技术开发与验证。AETP的目标是为六代机开发和试验出一款200kN推力级别的自适应循环发动机原型机，相比目前的技术水平，其燃油效率要提高25%，发动机推力增大10%，并能显著提高热管理能力。

AETP研究计划继承了AETD的研究成果，有助于实现自适应循环发动机从试验室到LCMC（全生命周期管理中心）的顺利过渡，消除能够预见到的所有技术验证和产品研制风险，这不仅能为六代机发动机的采办计划铺平道路，还能为F-35更换新发动机做好准备。

空中优势自适应推进技术研究计划

六代机先进动力技术进展研究的图11

为了给AETP项目注入更多的先进技术，AFRL还开展了空中优势自适应推进技术（ADAPT）研究计划。

ADAPT研究计划是以美国空军已经开展十多年的变循环发动机技术研究为基础，是一次螺旋式回退，基本回到当初ADVENT研究计划的状态，只是增加了额外的技术，特别是增加了对自适应核心机的开发与验证。因为不论是VAATE研究计划下的ADVENT和AETD子计划，还是正在进行的AETP研究计划等，都关注通过自适应风扇调节发动机低压转子实现多用途能力，而没有或很少关注通过自适应核心机实现多用途能力。为此，美国政府规划了ADAPT研究计划，GE和普惠参与了ADAPT计划初级阶段的研究。

总之，“4个A计划”充分继承并发扬了VAATE研究计划的研发成果和成功经验，在创造、验证、发展到再创造的过程中不断地进行技术积累；在总结实践的基础上，继往开来，开拓创新，为六代机发动机的成功研发扫除风险、铺平道路。

“4个A计划”充分继承并发扬了VAATE计划的研发成果与成功经验。

自适应循环发动机

六代机先进动力技术进展研究的图13

航空动力系统已经历了两次历史性的变革：从螺旋桨到喷气式发动机，从涡喷发动机到涡扇发动机。目前正在经历着第三次变革，向着自适应循环发动机方向发展。

自适应循环发动机这一概念最早由GE和艾利逊公司于2004年首次提出，它是变循环发动机（VCE）家族中的最新一代，能够实现更大范围热力循环调整和优化，具有更高的任务适应能力，是变循环发动机技术发展最重要的前沿方向，目前已被美国空军和海军锁定为六代机的未来动力系统

三涵道结构

六代机先进动力技术进展研究的图14

三涵道结构是自适应循环发动机的关键，为发动机实现可变循环提供途经。

现役五代机F-22或F-35用的都是固定循环的小涵道比涡扇发动机，其热力循环特性是固定不变的，通常只有内、外两个涵道，内涵道气流流经发动机核心机，外涵道气流从核心机外的旁路流通。

而三涵道的开发是在外涵道之外提供了第三股气流，不仅可以用来增大推力，提高推进效率，还能提供冷却气流以增强发动机热管理能力和为先进的定向能武器提取功率。通过对第三涵道在整个飞行包线内的自适应调节可使六代机自动实现在高功率大推力模式与高效省油模式之间迅速而平滑的过渡。此外，第三涵道还可以在六代机巡航时接收进气道周围溢出的过量空气，改善气流利用率，减小溢流阻力。

三涵道结构。

FLADE自适应风扇

六代机先进动力技术进展研究的图16

此类发动机采用一套可调几何装置，能动态地改变风扇增压比和总压比，这两者是影响耗油率和推力的关键因素，其中最有特点的是被称为FLADE（fan-on-blade）的部件，意为叶尖风扇叶片，是在常规风扇叶片尖端再增加一截风扇叶片，这是发动机自适应调节的手段之一。

FLADE结构。

自适应循环发动机的关键技术在于可调流量，而可调流量的工程实现又引申出两个次级问题，即流量调节与空气压缩。通过可调导流叶片，流量调节不是太难做到，但空气压缩就不那么简单了。在不改变涡轮发动机基本结构的情况下，FLADE一般安装在风扇环形叶冠上，叶冠也起到了隔离FLADE涵道与风扇外涵道的作用。

自适应风扇共两级，FLADE在第二级，从正面看，第一级风扇盘面是一个完整的圆盘，覆盖外涵道和内涵道，FLADE级盘面则被叶冠分割成与第一级风扇相同的圆盘和在第三外涵道里的外圈环面；从侧面看，第一级风扇在发动机最前端入口处，FLADE在其后，但“刺穿”第三涵道的内壁，探入第外三涵道之中，如图9所示。

GE专利中描述的第三外涵道与FLADE风扇。

值得一提的是，在FLADE叶片的前后，各有一圈可调导流叶片，用于调节第三外涵道旁通空气流量，这是由于FLADE叶片的转速不是独立可调的，其叶片弦长和弯度也是固定的，只有在前后协调调节，才能保证FLADE叶片正常运转。

先进的CMC材料

六代机先进动力技术进展研究的图19

航空发动机热端部件的工作条件极其严苛，工作温度越来越高，早已超过现有高温合金的熔点，靠冷却技术也难以进一步提高发动机的工作温度。陶瓷的耐高温能力超过高温合金，但陶瓷的脆性和容易在温度剧烈变化时碎裂的问题长期以来困扰着陶瓷材料工程师。先进的陶瓷基复合材料（CMC材料）是把陶瓷纤维（也可以用碳纤维）和陶瓷基体整合成一体，不仅保留了陶瓷耐高温的特性，同时还具有很高的机械强度和抗热裂性，且重量只有镍基合金的三分之一，在尖端应用中崭露头角，成为自适应循环发动机的亮点之一。

在ADVENT子计划中，曾采用了CMC低压涡轮和高压涡轮前缘，而AETD子计划又进一步扩大了CMC材料的应用，为大幅度提高发动机热工性能提供了空间，使得2015年GE在AETD发动机地面验证测试中打破了喷气推进史上压气机和涡轮最高温度之和的纪录。

此外，利用增材制造技术以及先进的自适应控制系统，完善的集成电力和热力管理能力还将赋予六代机具备更多的传感器/数据融合、电子对抗和使用定向能武器的能力，最终实现自适应循环发动机研究计划的目标，即与五代机发动机相比，六代机发动机的推力增大10%，耗油率降低25%，这将使六代机亚声速巡航航程延长30%，续航时间延长70%；超声速巡航航程延长40%，续航时间延长80%。