变循环发动机

2020-09-21 08:35:27 兵器知识 2020年9期

徐臻豪

当下,讨论航空动力的发展,依然离不开喷气发动机,传统涡扇发动机的潜力几乎被挖掘殆尽。无非再用更加耐高温的轻质材料而已,因此,变循环发动机被寄予厚望。美国已经开始测试属于第六代航空发动机的自适应变循环风扇发动机验证机。

根据研发这款航空发动机的美国通用电气公司公布的资料,自适应变循环发动机在同等燃油量的情况下,作战飞机滞空时间可以提高50%,最大航程也将增加33%,发动机的燃油消耗率减少25%,燃油热吸收率达到60%。预计这款航空发动机将安装在未来的第六代战斗机上。届时,仅凭机内燃油,其最大航程就可能达到8000千米。那么,作为第六代航空发动机的核心的自适应变循环技术有什么优势呢?

渦喷发动机原理示意图

涡喷还是涡扇是个问题

在20世纪50年代,美国通用电气公司就研制出著名的J79涡轮喷气发动机。J79作为战后美国第一代高空高速战斗机的标配,与苏联米格-21战斗机所使用的R-11F-300是同时代的发动机。当飞机的速度超过音速后,涡喷发动机的推进效率会迅速提升,当超过2.5马赫时,其推进效率高达90%,说白了就是,发动机喷口速度达到进气口速度的90%。在这种高超音速飞行时,涡喷发动机比同等的涡扇发动机耗油率还低,非常适合追求高空高速的第二代喷气战斗机。而二代战斗机分为前线战斗机和截击机,后者采用的就是高空高速性能好的涡喷发动机,主要负责拦截入侵的敌方高超音速作战飞机。

J79涡喷发动机

当然,涡喷发动机的缺陷也很明显,由于完全靠废气产生推力,需要极高的燃烧温度,所以要大量喷油,导致燃油不能完全燃烧,这造成涡喷发动机的油耗非常高,大大限制了作战飞机的航程。在涡喷发动机的基础上通过前部增加风扇,形成内外两个涵道发展而来的涡扇发动机很好的解决了这个问题。空气经过风扇压缩后,一部分通过核心机的内涵道,和燃料混合燃烧,形成高温高压燃气并向后喷射形成推力;另一部分通过外涵道,直接和喷射出来的高温高压燃气混合,在尾喷口形成合力。外涵道和内涵道的空气流量之比称为涵道比,一般来说涵道比越大,涡扇发动机在亚音速飞行时的油耗越低。

美国普惠公司20世纪60年代研制的JT3D涡扇发动机就是以成熟的J57涡喷发动机作为其核心发动机,性能相比J57有了很大提高。波音707原来采用的是JT3C涡喷发动机,即J57的民用版。与JT3C相比,JT3D最大推力增大了50%,巡航推力增大了27%,巡航耗油率降低13%。换装JT3D后,波音707的各项飞行性能有了显著的提升,最大航程增加了27.6%,爬升率提高了110%,最大巡航速度提高了8.2%,起飞滑跑距离则减小了29.4%。JT3D也是美国第一款得到广泛运用的涡扇发动机,不仅被民用的波音707和DC-8客机采用,军用的B-52H轰炸机、C-141A战略运输机和E-3A预警机也采用了JT3D的军用版本TF-33。

在这个时期,美国的战斗机还在使用涡喷发动机,F-104和F-4使用的是J79,F-105使用的是J75。对于整体技术水平不高的第二代超音速战斗机来说,涡喷发动机结构相对简单,迎风阻力比较小,尤其是在大马赫数飞行的情况下,耗油率低,单位推力大,超音速性能好,有利于空中拦截作战。当然,缺点也很明显,在亚音速飞行时耗油量大、推力不足,不适应亚音速状态下的空中格斗,这也是在越南战场上先进的F-4和F-105常常不敌北越空军的米格-17。针对现代空战的绝大多数发生在亚音速和中低空的特点,美国决定为战后第四代战斗机研制亚音速飞行性能更好的涡扇发动机。

F-22战斗机的F119发动机

涡扇发动机并不完美

与涡喷发动机相比,涡扇发动机不仅军用推力更大,单位推力小时耗油率也更小,不过,大涵道比涡扇发动机的迎风阻力大,尾喷气流速度低,不利于高速飞行。所以,战斗机使用的涡扇发动机通常都采用低涵道比,以达到在低油耗、大推力、迎风阻力低之间的平衡,不仅可以使战斗机亚音速和中低空的飞行性能大大提高,还可以有效提高战斗机的作战半径。美国普惠公司在20世纪70年代研制的F100就是第一种投入使用的推重比达到8的低涵道比涡扇发动机,是第四代战斗机F-15A和F-16A的标准发动机,一举扭转了苏联米格-23等新型战斗机对欧美空军造成的空中压力。

不过,以F100为代表的第四代战斗机涡扇发动机属于涵道比为0.7左右的中等涵道比涡扇发动机(俄罗斯的AL-31发动机涵道比是0.6),因此第四代战斗机并不适合进行长时间超音速飞行。其最大军用推力不足以支持第四代战斗机进行超音速飞行,甚至不能支持战斗机紧急起飞,必须要打开加力才能获得足够的推力。这就带来一个问题,即如果想要有足够大作战半径,就必须以较低的推力进行亚音速巡航,这就限制了战斗机的空中机动能力。实际上,第四代战斗机涡扇发动机只是解决了第三代喷气战斗机在中低空和亚音速飞行状态下,空战机动性能不足的问题,高超音速飞行性能其实并不好。

F-35A采用的F-135发动机代表当今成熟的小涵道比军用涡扇发动机的最高水平

小涵道比涡扇发动机原理示意图

自适应变循环发动机模型

所以,如果第五代战斗机要实现超音速巡航,第四代涡扇发动机肯定满足不了,在涡扇发动机整体技术没有质的提升前,只能通过降低发动机的迎风阻力和适当提高推力来解决。所以,F-22使用的F119涡扇发动机就把涵道比降到了0.29,不开加力时的最大推力达到105千牛,为的就是能够实现以马赫数1.58的速度巡航30分钟。然而,F119尽管采用了大量最先进技术,它本质上还是属于传统的低涵道比涡扇发动机,已经失去了中等涵道比涡扇发动机在高亚音速巡航时的低油耗特点。

实际上,普惠F119的对手——通用电气YF120才是更加先进的变循环涡扇发动机,工作状态可以在涡喷和涡扇模式之间平滑过渡,兼顾亚音速飞行时涡扇的省油特性和超音速飞行时涡喷的高速特性,对于第五代战斗机,YF120才是最理想的发动机。但是,一向追求先进技术的美国空军在ATF竞标中却选择了技术风险较低的YF-22和YF119,放弃了技术上更加优越的YF-23和YF120。之所以会这样,很可能是因为处于冷战后期的美苏两大超级大国军备竞赛非常激烈,美国空军为了避免技术冒进带来的风险,才做出了较为保守的选择。

变循环的先驱者

显而易见,任何武器如果在技术上过于超前,将来初始装备时的故障率就会较大。为了控制ATF项目的技术风险,避免再次出现早期F-15A沦为“机库女皇”的困境,事实证明美国空军没有选用YF-23和YF120的决策在战略上是正确的。根据YF-23试飞员的报告,在空中加油试验中,YF120的最低推力偏大,导致YF-23飞行速度过快,为了安全只能关掉一台发动机,使用单台发动机以较低的巡航速度飞行,这说明YF120在技术的成熟度和适用性方面还有不足。不过,变循环发动机技术对未来战斗机发动机的价值也是不可估量的,即使没有成为第五代战斗机的发动机,也可以作为未来发动机的技术储备,所以,通用电气一直没有公布YF120的具体技术指标。

根据公开资料可以肯定YF120在推力、油耗等关键性能方面完胜普惠的YF119,集涡喷发动机优良的超音速性能和涡扇发动机优良的亚音速性能于一体。其基本结构是一台带有对转涡轮的双转子涡扇发动机,低压涡轮负责驱动两级风扇,高压涡轮负责驱动5级压气机和核心驱动风扇级,2个涡轮采用单级设计。另外,YF120有两组活门,一组把风扇排气分流一部分到外涵道,另一组把高压压气机的排气分流一部分到外涵道。通过改变可调导叶关闭角度和开启角度的方法改变涵道比,实现发动机不同工作模式的转换。

变循环发动机原理示意图

常规涡扇发动机的涵道比是固定的,想要改变涵道比,只能在已有核心发动机的基础上,发展出适应于不同用途的改进型号。如果要改善亚音速性能,就要采用较大的外涵道,也就是增加涵道比,以增大外涵道推力,这样不仅会增大迎风面积,影响超音速飞行性能,驱动风扇的低压涡轮也会承受更大的载荷。如果要适应超音速飞行,就要采用較小的外涵道,也就是降低涵道比,以减小迎风阻力,增加尾喷口的推力,这样就会增加发动机的耗油量。

变循环发动机则可以在涡扇状态下,把喷流的动能大量转换成驱动风扇的能量,在涡喷状态下可以减少喷流动能损耗,尽可能多的转换成驱动转子风扇的能量。即在亚音速巡航状态,低压涡轮获得更多的功率,带动低压转子风扇以较高功率输出,使得风扇产生较大比例的推力;在超音速巡航状态,绝大部分通过低压转子风扇的气流将通过高压转子风扇进入高压压气机,只有极少部分气流进入外涵道用来冷却发动机,此时,发动机的工作状态近似涡喷发动机。值得一提的是,常规涡喷发动机是没有用来冷却发动机的外涵道气流的,这种冷却保证发动机的涡轮可以在相比常规涡喷发动机更高的温度下工作,从而提高发动机的整体效率。

不同凡响的自适应变循环技术

总体上看,变循环发动机适应性已经相当不错,但美国空军并不满足,2012年11月,通用电气和普惠公司就获得了价值超过6亿美元的验证自适应变循环发动机合同。作为新一代发动机,其性能超过了变循环发动机,已经拥有了自适应能力,也就是说,除了有涡喷、涡扇工作模式外,还能自动适应不同的工作环境。美国空军通过推动自适应循环发动机、自适应灵活发动机、自适应发动机等相关技术的研究,逐步完善了自适应变循环发动机的设计,从而为正式制造和验证自适应变循环发动机铺平了道路。

可以说自适应变循环发动机与生俱来就非常适合超音速巡航,而且是真正的超音速巡航,就是在不开加力的情况下,以军用推力就能够实现马赫数1.5以上的长时间超音速飞行,要知道现在F-35战斗机的最大速度才1.6倍音速。所以,它对未来飞行器的意义重大,尤其是对超音速客机,可以说是其东山再起的关键,类似“协和”号这样的超音速客机之所以早早退役,经济性差是一个重要原因,它们要想实现超音速巡航就必须保持打开加力状态。据悉,NASA已经在研究200座以下、飞行速度1.4~1.8马赫之间、采用自适应变循环发动机的超音速民航机的可行性。

美国通用电气公司的自适应变循环发动机

2014年7月,试车成功的美国通用电气ADVENT自适应变循环发动机可以控制气流分配在三个涵道,这三个涵道还可以根据工作状态变换口径,通过不同组合达到最佳的工作模式。在需要经济巡航时,2块调节板向下调节,挡住通过燃烧室的气流,使发动机处在涡扇模式;当需要跨音速飞行时,1号调节板向下,而2号调节板向上,使发动机工作处在涡喷模式;当需要超音速巡航时,两块调节板均向上偏,使发动机变成一台冲压发动机,在计算机控制下,发动机的运作可以达到最佳状态。

如果美军在不久的未来可以成功装备自适应变循环发动机,除了可以用于六代机与新一代轰炸机的研制,很有可能会大规模用于改装现役的F-35战斗机。随着推力的提升、油耗的减少,F-35将获得更快的速度,更远的航程和更大的载弹量,甚至有希望摘掉" 肥电" 的帽子,成为一款具备高机动能力和高速性能的优秀战斗机,这将使美国空军的整体作战能力获得大幅度提升。

结语

从目前情况来看,自适应变循环发动机对各方面的技术要求还是相当高的,想要在短时间内实现投产,基本不具备可能性。美国的军用航发技术独步全球,研制出这样的发动机不是一件太困难的事情。不过,自适应变循环发动机毕竟是一款跨时代的航空发动机,需要使用远比F135更加先进的高压涡轮叶片和热障涂层,加上全新的自适应涡轮和自适应风扇技术,对于主要部件的可靠性和耐热性能要求更高。鉴于此,现在判断尚处于工程验证阶段的自适应变循环发动机何时投入使用还为时过早,当然,自适应变循环这种可以全面提升飞行器性能的航空发动机的光明未来,是毋庸置疑的。