孫明霞，梁春華

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

美國自適應(yīng)發(fā)動機(jī)研究的進(jìn)展與啟示

孫明霞，梁春華

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

為借鑒和參考美國自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)的研究與研制經(jīng)驗，綜述了美國變循環(huán)發(fā)動機(jī)演變至自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的3個發(fā)展階段，重點介紹了其在多用途經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)（V A A TE）研究計劃下的自適應(yīng)通用發(fā)動機(jī)技術(shù)(A D V EN T)分計劃、自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)驗證（A ETD）分計劃、自適應(yīng)發(fā)動機(jī)過渡（A ETP）分計劃和空中優(yōu)勢自適應(yīng)推進(jìn)技術(shù)（A D A PT）分計劃的開發(fā)與驗證情況。分析總結(jié)出美國自適應(yīng)發(fā)動機(jī)具有以下特點：技術(shù)先進(jìn)且應(yīng)用前景廣泛，代表未來發(fā)展方向；變循環(huán)與自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)均不成熟，還需深入驗證；技術(shù)研究采用競爭策略實施。

自適應(yīng)發(fā)動機(jī)；變循環(huán)發(fā)動機(jī)；預(yù)研計劃；戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)

0 引言

自適應(yīng) (循環(huán))發(fā)動機(jī)（Adaptive Cycle Engine，ACE）根據(jù)飛機(jī)不同任務(wù)需求，通過改變多個可調(diào)幾何機(jī)構(gòu)位置、并采用自適應(yīng)控制技術(shù)，自動改變風(fēng)扇、核心機(jī)流量和壓比，使發(fā)動機(jī)在包線內(nèi)不同速度和高度點獲得最優(yōu)的性能，并與飛機(jī)的組合性能達(dá)到最佳，是先進(jìn)的變循環(huán)發(fā)動機(jī)。由于其具有包線內(nèi)綜合性能好、耗油量低且飛機(jī)航程長、進(jìn)氣流量自動匹配、飛/發(fā)組合性能好、隱身性能好及有利于熱管理設(shè)計等優(yōu)勢，深得世界航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)國家，特別是美國的高度重視。但是由于其存在工作模式多而狀態(tài)轉(zhuǎn)換復(fù)雜、可調(diào)部件多而機(jī)構(gòu)復(fù)雜且調(diào)節(jié)范圍寬、可調(diào)變量多等技術(shù)難點，研究難度很大。2016年以來，美國《航空周刊》網(wǎng)站陸續(xù)報道了自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的一些最新進(jìn)展和未來計劃，更加激發(fā)了對自適應(yīng)發(fā)動機(jī)研制的關(guān)注[1-2]。

總結(jié)美國自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的研制特點十分必要，本文回顧和分析了美國自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)研制計劃的發(fā)展背景、進(jìn)展和取得的成果。

1 自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的由來與發(fā)展

自適應(yīng)發(fā)動機(jī)是變循環(huán)發(fā)動機(jī)的延伸和發(fā)展，如圖1所示。

1.1 變循環(huán)發(fā)動機(jī)的發(fā)展

對于變循環(huán)發(fā)動機(jī)的研究早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始，到80年代，對多種方案進(jìn)行了探索研究，包括可調(diào)增壓壓氣機(jī)（VAPCOM）發(fā)動機(jī)（1960～1965年）；渦噴和渦扇復(fù)合模式（1965～1970年）；改進(jìn)的渦噴和渦扇組合模式（1973～1974年）；串/并聯(lián)模式的變循環(huán)方案（1973～1975年）；3轉(zhuǎn)子可調(diào)涵道比變循環(huán)—MOBY方案（1973～1974年）；最初的雙循環(huán)單外涵變循環(huán)方案（1974～1976年）；3股排氣最初的雙外涵變循環(huán)結(jié)構(gòu)（1974～1976年）；單、雙外涵變循環(huán)方案簡化（1976～1978年）；進(jìn)一步簡化的核心驅(qū)動風(fēng)扇結(jié)構(gòu)（1975～1981年）等。雖然由于種種原因大多數(shù)方案無法實際應(yīng)用，但是為變循環(huán)發(fā)動機(jī)未來發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗和教訓(xùn)。

變循環(huán)發(fā)動機(jī)的實質(zhì)性研究始于20世紀(jì)80年代，并逐漸演變?yōu)橹挥蠫E公司獨家研制。80年代后期在DBE-GE21、DBE-GE23發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上形成世界上第1種經(jīng)飛行驗證的雙外涵道變循環(huán)發(fā)動機(jī)——F120發(fā)動機(jī)。90年代到21世紀(jì)初，在綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)（IHPTET）研究計劃下，GE和Allison公司以XTC16/XTC76/XTC77核心機(jī)驗證機(jī)和XTE76/XTE77發(fā)動機(jī)驗證機(jī)為平臺，開發(fā)和驗證了雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)——可控壓比發(fā)動機(jī)（COPE）技術(shù)。該階段研究為下一階段的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)研究積累了大量寶貴經(jīng)驗[3]。

1.2 自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的發(fā)展

1.2.1 ADVENT研究計劃

ADVENT研究計劃是在美國政府結(jié)束IHPTET研究計劃后，為了長期保持渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)與產(chǎn)品在世界的領(lǐng)先優(yōu)勢，在VAATE研究研究計劃下實施的技術(shù)開發(fā)與驗證計劃。VAATE研究計劃總目標(biāo)是在2017年達(dá)到的技術(shù)水平使經(jīng)濟(jì)可承受性提高到F119發(fā)動機(jī)的10倍。由于技術(shù)難度高，美國高層經(jīng)過充分論證后，將VAATE研究計劃的技術(shù)驗證分為2個階段進(jìn)行。第1階段是 ADVENT研究計劃，第2階段是AETD研究計劃[4]。

ADVENT研究計劃的目標(biāo)：開發(fā)能夠獨立改變風(fēng)扇/核心機(jī)的空氣流量和壓比的技術(shù)，制造1臺雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)驗證機(jī)，通過提高性能和增加自適應(yīng)功能實現(xiàn)在起飛和機(jī)動期間所需的大推力和在執(zhí)行遠(yuǎn)程、持久攻擊和偵察任務(wù)的亞聲速飛行期間所需的低燃油消耗，以滿足高速和長航時的未來戰(zhàn)斗機(jī)等不同平臺/不同任務(wù)要求。

ADVENT研究計劃共分為2個階段，第1階段（2007年8月～2009年）為方案探索研究階段，重點進(jìn)行發(fā)動機(jī)初步設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計以及風(fēng)險降低試驗，主要進(jìn)行全臺發(fā)動機(jī)初步設(shè)計和關(guān)鍵部件（自適應(yīng)風(fēng)扇）與技術(shù)的臺架試驗驗證；第2階段（2009～2012年）為詳細(xì)設(shè)計階段，重點開展核心機(jī)和風(fēng)扇設(shè)計、硬件加工和試驗，主要進(jìn)行發(fā)動機(jī)驗證機(jī)詳細(xì)設(shè)計和制造，以及關(guān)鍵部件的試驗，包括全環(huán)燃燒室試驗、陶瓷基復(fù)合材料部件的研究與試驗，并進(jìn)行核心機(jī)試驗。計劃在2009年進(jìn)行臺架試驗，在2012年進(jìn)行發(fā)動機(jī)驗證機(jī)地面驗證，最終使發(fā)動機(jī)新技術(shù)達(dá)到技術(shù)成熟度6級；在2013年之后，在ADVENT研究計劃下開發(fā)的雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)開始進(jìn)入工程研制階段，到2020～2022年投入使用[5]。

至此，該計劃從2007年開始到2012年結(jié)束，為期5年，由美國空軍組織管理，投入經(jīng)費約5.24億美元，由RR和GE公司承擔(dān)技術(shù)開發(fā)與驗證。

此外，該計劃于2007年1月由美國空軍向工業(yè)界發(fā)布有關(guān)革新發(fā)動機(jī)驗證計劃的招標(biāo)書；于2007年8月由美國空軍從GE、PW公司和RR北美技術(shù)分公司3家承包商中選擇了GE公司和RR北美技術(shù)分公司，并分別與二者簽訂研究合同，進(jìn)行自適應(yīng)發(fā)動機(jī)初始和詳細(xì)設(shè)計與分析以及風(fēng)險降低研究。

RR公司北美技術(shù)分公司于2008年6月初完成初步設(shè)計評審（PDR），并開始進(jìn)行自適應(yīng)風(fēng)扇系統(tǒng)的臺架試驗；于2009年10月接受美國空軍對ADVENT研究計劃第1階段所取得成果的評估，同年得到美國空軍授權(quán)繼續(xù)制造1臺全尺寸發(fā)動機(jī)驗證機(jī)；于2011～2012年進(jìn)行發(fā)動機(jī)核心機(jī)試驗。但并未公開披露核心機(jī)試驗結(jié)果和進(jìn)一步進(jìn)展。

GE公司的ADVENT研究計劃吸收了GE/Allison公司在IHPTET研究計劃下開發(fā)和驗證的可控壓比發(fā)動機(jī)的技術(shù)，并在發(fā)動機(jī)外圍增加1個從主風(fēng)扇出來的單獨外流道和1個“轉(zhuǎn)子葉片上的風(fēng)扇（FLADE）”，如圖2所示。其開發(fā)和驗證的技術(shù)包括:單獨可變流量和壓比的輔助風(fēng)扇，高溫多轉(zhuǎn)子機(jī)械系統(tǒng)，高剩余功率、流量和壓比可變的核心機(jī)，可在大流量范圍工作的高效渦輪，綜合的熱管理技術(shù)，進(jìn)/排氣綜合改進(jìn)技術(shù)。采用這些技術(shù)的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)將使超聲速作戰(zhàn)平臺具有長待機(jī)時間和高速沖刺的能力；使亞聲速作戰(zhàn)平臺的起飛性能提高,航程更長；使機(jī)動性飛機(jī)的起降距離縮短,航程更長；使無人作戰(zhàn)/情報、監(jiān)視和偵察系統(tǒng)的待機(jī)時間延長；改進(jìn)多種空中系統(tǒng)的作戰(zhàn)機(jī)動性，同時改進(jìn)熱管理和生存性。

GE公司于2009年10月接受美國空軍對ADVENT研究計劃第1階段所取得成果進(jìn)行評估；2010年10月獲得制造1臺全尺寸發(fā)動機(jī)驗證機(jī)的合同，2013年開始進(jìn)行發(fā)動機(jī)核心機(jī)試驗，比美國空軍設(shè)定的溫度目標(biāo)高54℃，達(dá)到了經(jīng)過美國空軍確認(rèn)的“噴氣發(fā)動機(jī)推進(jìn)史上最高的壓氣機(jī)和渦輪聯(lián)合工作溫度記錄”，并驗證了“預(yù)冷冷卻技術(shù)”；2013年11月至2014年7月，開展了首臺ADVENT研究計劃驗證機(jī)的試驗，試驗時數(shù)超過100 h；2015年2月，與美國空軍一起完成ADVENT研究計劃中發(fā)動機(jī)的詳細(xì)評審。ADVENT研究計劃發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和模型如圖3所示。此外，ADVENT研究計劃中的一些核心機(jī)技術(shù)還應(yīng)用到LEAP-X大涵道比民用發(fā)動機(jī)上。

一向在軍用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域呼風(fēng)喚雨的PW公司雖未能贏得ADVENT研究計劃合同，但并未就此放棄，仍自籌資金投資變循環(huán)發(fā)動機(jī)研制，以PW9000發(fā)動機(jī)為平臺，創(chuàng)新研究自適應(yīng)渦輪和自適應(yīng)風(fēng)扇技術(shù)。2012年7月PW公司高層透露，PW公司在2013年第1季度對改進(jìn)于F135發(fā)動機(jī)的自適應(yīng)風(fēng)扇和全新的核心機(jī)進(jìn)行了試驗。其采用的3流道結(jié)構(gòu)可以提供1股相對冷的第3股氣流用于信號管理，這就意味著多余的空氣能夠用于冷卻熱端部件以減少紅外信號，或者進(jìn)入核心機(jī)和加力燃燒室來增大推力。

1.2.2 AETD研究計劃

AETD研究計劃是VAATE研究計劃的第2階段，即ADVENT研究計劃的后續(xù)計劃。

AETD研究計劃的目的是促進(jìn)采用3流道結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)的成熟，為未來3 a內(nèi)可能開始工程研制的美國空軍下一代戰(zhàn)斗機(jī)或轟炸機(jī)等多種作戰(zhàn)平臺提供動力。與ADVENT研究計劃所采用的小尺寸核心機(jī)相比，AETD研究計劃中的發(fā)動機(jī)將采用尺寸更大的核心機(jī)，瞄準(zhǔn)美國海軍第6代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-XX、空軍第6代戰(zhàn)斗機(jī)F-X、未來轟炸機(jī)和其他戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的應(yīng)用，以滿足未來的軍用飛機(jī)超聲速或不開加力超聲速飛行的動力需求；將提高發(fā)動機(jī)燃油效率、耐久性和寬廣范圍內(nèi)的推力性能，進(jìn)而延長進(jìn)入反介入/區(qū)域拒止（A2/AD）環(huán)境的多種平臺的不加油航程。此外，AETD研究計劃將增加ADVENT研究計劃中沒有的加力燃燒室和排氣系統(tǒng)，包括開發(fā)和驗證能使壓力較低的第3涵道氣流與高速的核心機(jī)和外涵道氣流有效混合的排氣系統(tǒng)、高度綜合的控制隱身的蛇形排氣系統(tǒng)等，以進(jìn)一步提高燃油效率、提高功率提取能力、改善熱管理和進(jìn)氣道總壓恢復(fù)，同時減小安裝阻力。AETD研究計劃開發(fā)和驗證的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)與F135發(fā)動機(jī)相比，燃油效率降低20%，凈推力增大5%，加力推力增大10%，航程延長30%，并且只需少量修改，就可為F-35戰(zhàn)斗機(jī)提供動力。

AETD研究計劃分2個階段進(jìn)行，第1階段到2015年中期結(jié)束，計劃完成初始發(fā)動機(jī)設(shè)計，以及全環(huán)形燃燒室、高壓壓氣機(jī)和陶瓷基復(fù)合材料部件的試驗；第2階段到2016年結(jié)束，計劃完成風(fēng)扇和核心機(jī)試驗，使首臺發(fā)動機(jī)試驗最早于2017年進(jìn)行。AETD研究計劃安排在2013年2月進(jìn)行初始概念評審，2014年進(jìn)行壓氣機(jī)臺架試驗，2015年進(jìn)行風(fēng)扇和核心機(jī)試驗，2016年完成發(fā)動機(jī)地面試驗，技術(shù)成熟度達(dá)到6，具備工程研制的條件。2020年將開始飛行試驗，技術(shù)成熟度達(dá)到8[6]。

至此，該計劃從2012年開始到2016年結(jié)束為期4年，由美國空軍組織管理，投入經(jīng)費約為6.85億美元（GE獲得3.497億美元、PW獲得3.35億美元）；由GE和PW公司承擔(dān)技術(shù)開發(fā)與驗證。

此外，AETD研究計劃于2012年9月由美國空軍從GE、PW公司和RR北美技術(shù)分公司3家承包商中選擇GE和PW公司，并分別與二者簽訂研究合同，進(jìn)行自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)與驗證。

PW公司于2013年成功地進(jìn)行自適應(yīng)風(fēng)扇臺架試驗，其自適應(yīng)發(fā)動機(jī)概念基于深度改型的F135發(fā)動機(jī)。同時PW公司還啟動了1項自適應(yīng)風(fēng)扇的臺架評估試驗，這將使概念設(shè)計更加成熟。此外，PW公司重新設(shè)計了F135發(fā)動機(jī)的高壓渦輪葉片并涂覆熱障涂層，以便承受更高的溫度，該公司宣稱這款改進(jìn)的試驗發(fā)動機(jī)（型號XTE68/LF1）創(chuàng)造了渦扇發(fā)動機(jī)最高工作溫度記錄，但并未得到第三方確認(rèn)。于2015年初完成AETD研究計劃發(fā)動機(jī)的初步設(shè)計評審；根據(jù)PW公司發(fā)布的少量信息：2016年上半年，開展先進(jìn)核心機(jī)的演示試驗和帶有3流道自適應(yīng)風(fēng)扇及相匹配的加力和排氣系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)試驗；計劃到2017年，實現(xiàn)實際發(fā)動機(jī)環(huán)境中的3流道風(fēng)扇和超高效核心機(jī)的演示試驗；2020年將開始飛行試驗，技術(shù)成熟度達(dá)到TRL8[7-8]。

GE公司于2014年完成核心機(jī)的詳細(xì)設(shè)計評審、第3流道冷卻氣流和噴流影響臺架試驗、樹脂基復(fù)合材料靜子件部件試驗、全環(huán)形燃燒室臺架試驗；在F414發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了氧化物陶瓷基復(fù)合材料低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片500次耐久循環(huán)試驗；2015年完成全尺寸樹脂基復(fù)合材料部件評估和高壓壓氣機(jī)臺架試驗，12月開始加力燃燒室試驗。GE公司的AETD研究計劃自適應(yīng)風(fēng)扇發(fā)動機(jī)如圖4所示。此外，還對先進(jìn)加力燃燒室組件、軸承、機(jī)械系統(tǒng)和高壓壓氣機(jī)進(jìn)行了不同類型的試驗。盡管并非該計劃的內(nèi)容，但GE公司仍在推進(jìn)加力燃燒室技術(shù)研究，探索如何使3股氣流在發(fā)動機(jī)尾部順利混合。為后續(xù)開展全尺寸自適應(yīng)發(fā)動機(jī)研制奠定基礎(chǔ)。

1.2.3 AETP研究計劃

AETP計劃是AETD研究計劃的后續(xù)計劃，是自適應(yīng)發(fā)動機(jī)又1項技術(shù)成熟的計劃。

該計劃始于2016年6月30日，預(yù)計為期10 a；由美國空軍組織管理，投入經(jīng)費約為20億美元（GE公司獲得10億美元、PW公司獲得10億美元）；由GE和PW公司承擔(dān)技術(shù)開發(fā)與驗證[9-10]。

該計劃將成為美國空軍提出下一代戰(zhàn)斗機(jī)相關(guān)需求和性能要求的基礎(chǔ)，其成果也可能用于改進(jìn)PW公司F135發(fā)動機(jī)的設(shè)計。AETP研究計劃將沿著AETD研究計劃驗證的自適應(yīng)循環(huán)的基本可行性繼續(xù)開展研究，實現(xiàn)3流道自適應(yīng)發(fā)動機(jī)從技術(shù)原型機(jī)到工程驗證機(jī)的順利過渡，在21世紀(jì)中期進(jìn)行潛在產(chǎn)品采辦時，消除能夠預(yù)見到的所有技術(shù)驗證和產(chǎn)品研制風(fēng)險，為第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的采辦計劃鋪平道路和為F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)更換發(fā)動機(jī)做好準(zhǔn)備。AETP研究計劃的可能目標(biāo)是：相比目前技術(shù)水平，發(fā)動機(jī)燃油效率提高25%，發(fā)動機(jī)推力增大10%，戰(zhàn)斗機(jī)航程延長30%。

AETP研究計劃潛在應(yīng)用對象之一是F135改進(jìn)型發(fā)動機(jī)或替換發(fā)動機(jī)。針對目前F-35A/F135發(fā)動機(jī)的推力要求，繼續(xù)改進(jìn)自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)，設(shè)計推力級為200 kN的基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)，2019年開展發(fā)動機(jī)試驗和制造，未來還可能安裝到F-35戰(zhàn)斗機(jī)上開展地面試驗或飛行試驗，直到進(jìn)入工程研制。AETP研究計劃發(fā)動機(jī)的設(shè)計采用3流道結(jié)構(gòu)可以拓展F-35飛行包線的低空高速部分，能夠使飛機(jī)在高150 m以馬赫數(shù)0.8～0.9的速度飛行，將比目前F-35的需求更為激進(jìn)，但還達(dá)不到能驅(qū)動定向能武器的水平。目前，正在開發(fā)的技術(shù)可以在21世紀(jì)20年代中期以前應(yīng)用到F-35戰(zhàn)斗機(jī)上，當(dāng)然這還要取決于對AETP研究計劃的投資強(qiáng)度和驗證規(guī)模。

AETP研究計劃潛在應(yīng)用對象之二是美國海軍F/A-XX第6代戰(zhàn)斗機(jī)和美國空軍F-X第6代戰(zhàn)斗機(jī)。該計劃的3流道發(fā)動機(jī)方案能夠通過縮放擴(kuò)展到推力范圍，無論是對雙發(fā)設(shè)計還是單發(fā)設(shè)計，都是實現(xiàn)美國海軍F/A-XX和美國空軍的F-X第6代戰(zhàn)斗機(jī)的高速、高耐久性和高性能需求的關(guān)鍵[11]。

1.2.4 ADAPT研究計劃

自20世紀(jì)60年代以來，美國針對變循環(huán)發(fā)動機(jī)開展了大量研究，如IHPTET、VAATE研究計劃下的ADVENT和AETD研究計劃，以及剛剛開始的AETP研究計劃等，都關(guān)注通過自適應(yīng)風(fēng)扇調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子實現(xiàn)多用途能力，而沒有或很少關(guān)注通過自適應(yīng)核心機(jī)實現(xiàn)多用途能力。為此，美國政府規(guī)劃了ADAPT研究計劃。

ADAPT研究計劃是以美國空軍已經(jīng)開展近10年的變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究為基礎(chǔ)更加深入的計劃，是1次螺旋式回退到當(dāng)初ADVENT研究計劃的狀態(tài)，只是增加了額外的技術(shù)，特別是增加對自適應(yīng)核心機(jī)的開發(fā)與驗證。

ADAPT研究計劃的目的是：（1）從所有可用的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)途徑獲得支持，從而使其性能最高，特別是將開發(fā)和驗證自適應(yīng)核心機(jī)并將其集成到變循環(huán)發(fā)動機(jī)中，最終實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的自適應(yīng)；（2）將多年前不夠?qū)嵱玫男录夹g(shù)引入到具有潛力的生產(chǎn)型自適應(yīng)發(fā)動機(jī)上；（3）確保支持諸如定向能與其他武器系統(tǒng)等高功率系統(tǒng)的一些技術(shù)。通過采用第3流道使發(fā)動機(jī)平均油耗降低25%，使發(fā)動機(jī)能夠以巡航任務(wù)模式執(zhí)行遠(yuǎn)程飛行任務(wù)，在作戰(zhàn)模式下獲得更高的馬赫數(shù)。

盡管自適應(yīng)高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)可能使流動狀況更加惡劣，但是美國空軍實現(xiàn)核心機(jī)自適應(yīng)的方法仍然與ADVENT或AETD研究計劃采用第3流道控制發(fā)動機(jī)外涵道和低壓系統(tǒng)的方法相類似。該方案根據(jù)推力要求和工作模式，調(diào)節(jié)可調(diào)幾何噴管與可調(diào)風(fēng)扇的面積，分流氣流從而改變壓比。渦輪的核心作用同樣是調(diào)節(jié)面積，通過可調(diào)導(dǎo)向葉片改變核心機(jī)的流量和壓比。其他方法也是通過改變核心機(jī)流量和壓比來實現(xiàn)。美國空軍通過對技術(shù)概念的探索已經(jīng)確定采用哪些技術(shù)和不采用哪些技術(shù)，并且已經(jīng)對這些驗證機(jī)進(jìn)行概念設(shè)計，這將減少采用技術(shù)的種類。其中，可變渦輪是很重要的1項技術(shù)。

GE和PW公司參與ADAPT研究計劃初級階段研究。PW公司希望權(quán)衡與美國海軍在變循環(huán)先進(jìn)技術(shù)（VCAT）研究計劃中正在進(jìn)行的研究，VCAT研究計劃與美國空軍的變循環(huán)計劃均是由海軍研究辦公室與海軍能源任務(wù)小組合作開展的，主要專注于基于渦輪的自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)研究，以適應(yīng)未來艦載機(jī)的智能、監(jiān)控、偵察系統(tǒng)。由于VCAT研究計劃關(guān)注部件技術(shù)是自適應(yīng)發(fā)動機(jī)很重要的一部分，所以PW公司很希望參與到ADAPT研究計劃中，并且已經(jīng)與美國空軍簽訂了早期研究和設(shè)計工作的合同，雙方討論下一個階段的科學(xué)和技術(shù)方向。PW公司希望知道下一代技術(shù)驗證機(jī)即將開展的研究方向，以及自適應(yīng)技術(shù)在其中起到的作用。

2 自適應(yīng)發(fā)動機(jī)發(fā)展特點和趨勢

回顧和總結(jié)美國自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程和技術(shù)進(jìn)展，可以發(fā)現(xiàn)以下特點。

2.1 自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)是目前也是未來發(fā)展的重點

2.1.1 自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)不可替代且潛力較大

21世紀(jì)初，美國組織有關(guān)專家對2020年航空技術(shù)進(jìn)行預(yù)測得出：燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展有很大潛能，仍然是航空推進(jìn)系統(tǒng)的主要形式，在可預(yù)見的未來沒有哪種推進(jìn)系統(tǒng)可以取代。

2006年，美國空軍和國防部航空航天推進(jìn)需求委員會對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展的潛能描述為：大型渦扇發(fā)動機(jī)的燃油效率相對第1代渦噴發(fā)動機(jī)效率和理想布雷頓循環(huán)極限效率的差值提高了近38%；從現(xiàn)在到2020年底（遠(yuǎn)景規(guī)劃），其燃油效率有望再提高15%。與此類似，小型渦軸、渦噴和一次性使用發(fā)動機(jī)的單位功率也有所提高，但也僅達(dá)到極限理想布雷頓循環(huán)的33%；從現(xiàn)在到2020年遠(yuǎn)景規(guī)劃末期，其效率能進(jìn)一步提高30%。渦輪發(fā)動機(jī)燃油效率發(fā)展進(jìn)程如圖5所示[12]。

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)是世界航空發(fā)動機(jī)界多年來追求并大力研發(fā)的渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)，是目前最可能達(dá)到航空航天飛行器高推重比和低油耗要求的發(fā)動機(jī)技術(shù)。

2007年以來，為了繼續(xù)保持世界領(lǐng)先地位，美國國防部繼續(xù)加強(qiáng)對渦輪發(fā)動機(jī)研究和發(fā)展的投資，實施技術(shù)目標(biāo)更宏大、應(yīng)用范圍更廣泛、技術(shù)途徑更實際的VAATE研究計劃，開發(fā)和驗證先進(jìn)的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)，研制新型發(fā)動機(jī)產(chǎn)品。美國政府在VAATE研究計劃下，通過ADVENT、AETD研究計劃對自適應(yīng)發(fā)動機(jī)進(jìn)行了開發(fā)和驗證，已經(jīng)在低壓部件自適應(yīng)方面取得了較大進(jìn)展，并正在實施旨在使低壓部件自適應(yīng)的發(fā)動機(jī)進(jìn)入到工程研制階段的AETP研究計劃，同時預(yù)計于2017年啟動旨在將自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用到核心機(jī)上的ADAPT研究計劃。也就是說，在目前乃至未來的很長一段時間，需要開發(fā)和驗證核心機(jī)自適應(yīng)技術(shù)、潛在的新技術(shù)、支持諸如定向能與其他武器系統(tǒng)等高功率系統(tǒng)的顛覆性技術(shù)，以最終實現(xiàn)整個發(fā)動機(jī)自適應(yīng)。

航空推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)歷了2次變革：從螺旋槳到噴氣發(fā)動機(jī)，從渦輪發(fā)動機(jī)到渦扇發(fā)動機(jī)；目前正在經(jīng)歷第3次變革，向著自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)發(fā)展。據(jù)《航空周刊》雜志網(wǎng)站2016年7月29日報道，自適應(yīng)發(fā)動機(jī)被《航空周刊》雜志評選為未來20～40年內(nèi)比較有前景的18項航空航天技術(shù)之一。這18項技術(shù)分別為無人機(jī)、超高涵道比發(fā)動機(jī)、層流機(jī)翼、空間探索技術(shù)、編隊和蜂群協(xié)作、增材料制造、控制與顯示系統(tǒng)、商業(yè)航空、自主技術(shù)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造、自適應(yīng)發(fā)動機(jī)、新型飛機(jī)構(gòu)型、高超聲速推進(jìn)、深空推進(jìn)、駕駛艙視覺、超聲速飛行、航空電力推進(jìn)、高空“偽衛(wèi)星”。綜上所述，為確保渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)與產(chǎn)品在世界的長期領(lǐng)先優(yōu)勢，自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)是目前也是未來需要重點發(fā)展的。

2.1.2 自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)在未來飛行器上應(yīng)用潛力巨大

由于自身固有的技術(shù)優(yōu)勢，自適應(yīng)發(fā)動機(jī)不僅可以為戰(zhàn)斗機(jī)和超聲速巡航飛行器提供動力，還可能為未來超聲速商業(yè)運輸機(jī)和高超聲速空天飛機(jī)提供組合動力。

F-35戰(zhàn)斗機(jī)的改進(jìn)改型，可能需要引進(jìn)自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)或直接采用自適應(yīng)發(fā)動機(jī)。而AETP研究計劃的初期工作，是在AETD研究計劃發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計新一代200 kN級自適應(yīng)發(fā)動機(jī)，繼續(xù)完善自適應(yīng)發(fā)動機(jī)設(shè)計，并開展整機(jī)制造和試驗，未來還可能安裝到F-35戰(zhàn)斗機(jī)上開展地面試驗或飛行試驗。這可能正是為了適應(yīng)這一需求而規(guī)劃的。

自從“協(xié)和”式飛機(jī)退役后，超聲速商用飛機(jī)研究逐漸被淡化。除了油耗問題，音爆是阻礙超聲速商用飛機(jī)應(yīng)用的最大障礙，“協(xié)和”在使用期間，被禁止在陸地上空超聲速飛行。NASA研究發(fā)現(xiàn)，200座以下、Ma=1.4～1.8、并采用一定的延遲和削音爆技術(shù)，可以使音爆弱化到可以接受的程度，使得超聲速商用飛機(jī)在大陸上空飛行成為可能。據(jù)美國《航空周刊》網(wǎng)站2016年8月9日報道，針對洛克希德·馬丁公司研制的超聲速商用飛機(jī)，將選用自適應(yīng)發(fā)動機(jī)作為動力裝置，并計劃于2019年開始進(jìn)行地面試驗。

21世紀(jì)初，美國政府發(fā)布了《美國空軍2020年愿景》、《美國航空航天倡議》、《美國國防部空間科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略》等國家級政府文件，明確指出：未來武器裝備的宏觀需求是全球到達(dá)、快速打擊、持久攻擊、持久且快速反應(yīng)的情報/監(jiān)視/偵察（ISR）、多任務(wù)機(jī)動、靈活保障等；對下一代戰(zhàn)斗機(jī)的基本要求，可能為可選有人與無人駕駛和具備超聲速巡航與作戰(zhàn)、超常規(guī)機(jī)動、超級隱身、超遠(yuǎn)程打擊、超越物理域和信息域的實時控制等能力；對其發(fā)動機(jī)的基本要求，可能為超大推力與推重比、超低油耗、超級隱身、超機(jī)動、超長耐久（壽命）、超低費用。因而，美國的第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)可能的結(jié)果是：以高效高耐久核心機(jī)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)大推力與高推重比；采用低壓自適應(yīng)部件和智能控制，實現(xiàn)多任務(wù)適應(yīng)性與低油耗；采用高隱身結(jié)構(gòu)的進(jìn)口、噴管與超級隱身材料，實現(xiàn)超級隱身；采用矢量控制技術(shù)，實現(xiàn)更高機(jī)動性；借鑒預(yù)研與型號經(jīng)驗，實現(xiàn)長耐久和超低費用。AETP研究計劃的預(yù)期主要應(yīng)用對象是美國空軍、海軍第6代戰(zhàn)斗機(jī)。

未來第7代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)和未來高超聲速空天飛機(jī)渦輪基組合發(fā)動機(jī)中的渦輪發(fā)動機(jī)，也都需要AETD研究計劃開發(fā)和驗證的低壓自適應(yīng)發(fā)動機(jī)，ADAPT研究計劃開發(fā)和驗證的低壓的與核心機(jī)都是自適應(yīng)的發(fā)動機(jī)。

2.2 自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)還不夠成熟

自適應(yīng)發(fā)動機(jī)是變循環(huán)發(fā)動機(jī)的發(fā)展與延伸，由于變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)就沒有足夠成熟，則自適應(yīng)技術(shù)更需要開發(fā)與驗證。

雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)的發(fā)展源于20世紀(jì)50年代末60年代初美國轟炸機(jī)和運輸機(jī)對超聲速飛行和超聲速巡航的需求。60年代至80年代初期，美國主要進(jìn)行變循環(huán)發(fā)動機(jī)方案探索研究。80年代，采用變循環(huán)技術(shù)的YF120發(fā)動機(jī)在美國第4代戰(zhàn)斗機(jī)競爭中因研制風(fēng)險較大敗于F119發(fā)動機(jī)而沒有進(jìn)入工程研制階段。80年代末期到21世紀(jì)初，在IHPTET研究計劃下，GE公司和/或Allison公司以XTC16/XTC76/XTC77核心機(jī)和XTE76/XTE77發(fā)動機(jī)驗證機(jī)為平臺，對雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)開展了大量的開發(fā)與驗證，取得了明顯的進(jìn)展。但該計劃的目標(biāo)沒有實現(xiàn)，同時采用變循環(huán)技術(shù)的驗證發(fā)動機(jī)也沒能進(jìn)入工程研制階段。也就是說，變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)沒有達(dá)到足夠成熟的程度[13-15]。

21世紀(jì)初，美國政府在VAATE研究計劃中，在變循環(huán)發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，開展從自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)到自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的開發(fā)與驗證。在ADVENT研究計劃下，原計劃在2012年完成雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)技術(shù)驗證機(jī)，技術(shù)成熟度達(dá)到6，在2013年之后可能開始進(jìn)入工程研制階段，到2020～2022年可能投入使用。

2012年又啟動了AETD研究計劃。其目標(biāo)是：2016年完成發(fā)動機(jī)的整機(jī)地面試驗，技術(shù)成熟度達(dá)到6，具備發(fā)動機(jī)工程研制的條件；2020年將開始飛行試驗，技術(shù)成熟度達(dá)到8。

2016年啟動了AETP研究計劃。其目標(biāo)是：沿著AETD研究計劃驗證的自適應(yīng)循環(huán)的基本可行性繼續(xù)研究，實現(xiàn)3流道自適應(yīng)發(fā)動機(jī)從技術(shù)原型機(jī)到工程驗證機(jī)的順利過渡，在21世紀(jì)中期進(jìn)入潛在產(chǎn)品采辦時，消除能夠預(yù)見到的所有技術(shù)驗證和產(chǎn)品研制風(fēng)險，以為第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的采辦計劃鋪平道路和為F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)更換發(fā)動機(jī)做好準(zhǔn)備。

可見，在VAATE研究計劃中從ADVENT研究計劃到AETP研究計劃，自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)雖然取得了顯著的進(jìn)展，并且?guī)缀醢l(fā)展為第4代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)，但是像高性能核心機(jī)、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)控制、工作模態(tài)轉(zhuǎn)換等一些關(guān)鍵技術(shù)還沒有得到充分驗證，技術(shù)成熟度在6徘徊，出現(xiàn)了“預(yù)期目標(biāo)沒有達(dá)到，時間明顯在拖后、經(jīng)費還需增加”的現(xiàn)象，仍然還有很長一段路要走。也就是說，在不夠成熟的變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)，可能更加不成熟。

2.3 采用“競爭”策略開展技術(shù)研究與產(chǎn)品研制

20世紀(jì)80年代，“競爭”策略在美國政府在F100和F110發(fā)動機(jī)采辦中收到很好效果后，在IHPTET研究計劃中，于F-22戰(zhàn)斗機(jī)的YF119與YF120發(fā)動機(jī)采辦中繼續(xù)采用，并在90年代，繼續(xù)用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)的F135與F136發(fā)動機(jī)的產(chǎn)品研制中。該策略促使承包商在技術(shù)研究與產(chǎn)品研制中，危機(jī)意識明顯加強(qiáng)，技術(shù)開發(fā)更加積極主動，問題反饋更加及時，工作進(jìn)度顯著加快，研制周期有所縮短，研制風(fēng)險顯著降低，確保了美國在發(fā)動機(jī)技術(shù)與產(chǎn)品方面的明顯優(yōu)勢。進(jìn)入21世紀(jì)，美國政府仍繼續(xù)采用“競爭”策略，實現(xiàn)先進(jìn)發(fā)動機(jī)技術(shù)的研究與發(fā)展。

在技術(shù)研究方面，在VAATE研究計劃下的ADVENT、AETD、AETP、ADAPT 研究計劃下，GE、PW 和RR/ALLISON公司已經(jīng)展開了激烈的競爭，3家公司開始互有勝負(fù)，但最終合同還是落在了GE和PW 2家公司手中。

在產(chǎn)品研制方面，如正在規(guī)劃和未來謀劃的F135改型、第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)、第7代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)、空天飛機(jī)的渦輪基組合循環(huán)（TBCC）動力的高速渦輪發(fā)動機(jī)等，GE、PW和RR/ALLISON公司都在躍躍欲試，21世紀(jì)版的“發(fā)動機(jī)大戰(zhàn)”又將重演。PW公司雖然已經(jīng)掌握F-35戰(zhàn)斗機(jī)/F135發(fā)動機(jī)和B-21遠(yuǎn)程打擊轟炸機(jī)/PW9000發(fā)動機(jī)2項美國最重要的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)研制項目，但是還在積極開發(fā)和驗證自適應(yīng)發(fā)動機(jī)，為將來的F-35戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的改進(jìn)改型、美國空軍/海軍第6代戰(zhàn)斗機(jī)的研制等進(jìn)行充分的技術(shù)準(zhǔn)備。GE公司是推動美國戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)未來發(fā)展的領(lǐng)頭羊，雖然在第5代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)競爭中不敵PW公司，但是依靠YF120發(fā)動機(jī)的技術(shù)研制經(jīng)驗，GE公司不僅是迄今為止惟一1家研制并演示自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)的公司，還是首家把陶瓷基復(fù)合材料(CMC)葉片安裝在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行試驗的公司。美國在戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制方面已經(jīng)和可能展開的競爭見表1。

表1 美國發(fā)動機(jī)技術(shù)研究與產(chǎn)品研制的競爭

4 結(jié)束語

在技術(shù)基礎(chǔ)好、資金投入多、政策支持大的環(huán)境下，美國歷時超過40年發(fā)展變循環(huán)發(fā)動機(jī)，經(jīng)歷了YJ101、GE21、GE37、F120 可控壓比發(fā)動機(jī)等，仍未進(jìn)入產(chǎn)品研制階段；歷時9年、耗資12億美元發(fā)展自適應(yīng)發(fā)動機(jī)，經(jīng)歷了2項技術(shù)研制計劃，仍然徘徊在技術(shù)成熟度6的水平；未來還計劃用10年、耗資20億美元繼續(xù)發(fā)展自適應(yīng)發(fā)動機(jī)，沿著AETD研究計劃驗證的自適應(yīng)循環(huán)的基本可行性繼續(xù)開展研究，實現(xiàn)3流道自適應(yīng)發(fā)動機(jī)從技術(shù)原型機(jī)到工程驗證機(jī)的順利過渡。

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[15]梁春華，索德軍，劉紅霞，等.美國航空航天平臺與推進(jìn)系統(tǒng)的未來發(fā)展及啟示[J].航空發(fā)動機(jī)，2013，39（3）：6-11.LIANG Chunhua，SUO Dejun，LIU Hongxia，et al.Future development and enlightenments for US aerospace platform [J].Aeroengine，2013，39（3）：6-11.（in Chinese）

Progress and Revelation of US Adaptive Cycle Engine Development

SUN Ming-xia，LIANG Chun-hua
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang 110015 China）

In order to assimilate the experience of US adaptive cycle engine development,three phases from variable cycle engine to adaptive cycle engine were presented,the progresses and demonstration of development programs were summarized particularly from VAATE,ADVENT,AETD,AETP and ADAPT technology programs.Analying of US adaptive cycle engine shows that the advanced technologies and the wide application prospects must represent the development direction of future.The technologies of the variable cycle engine and the adaptive cycle engine are still on its infancy,need to be demonstrated.The technology investigations are conducted with competition strategy.

adaptive cycle engine;variable cycle engine;preparatory program;fighter aeroengine

V 235.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.01.017

2016-11-14 基金項目：國家重大基礎(chǔ)研究項目資助

孫明霞（1981），女，高級工程師，主要從事國外航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)技術(shù)情報研究工作；E-mail：butterflysmx@sina.com。

孫明霞，梁春華.美國自適應(yīng)發(fā)動機(jī)研究的進(jìn)展與啟示 [J].航空發(fā)動機(jī)，2017,43（1）：95-102.SUNMingxia，LIANGChunhua.Progress and revelationofUSadaptivecycleenginedevelopment[J].Aeroengine，2017,43（1）：95-102.

（編輯：栗樞）