薛然然，李鳳超，任立磊

(中國航空發(fā)動機集團有限公司 中國航空發(fā)動機研究院，北京 101304)

0 引 言

導彈自第二次世界大戰(zhàn)后期投入實戰(zhàn)以來，已經(jīng)在多次戰(zhàn)爭中取得顯赫戰(zhàn)績。1967年第三次中東戰(zhàn)爭中，埃及導彈艇發(fā)射了多枚Termit P-15反艦導彈，擊沉一艘以色列驅(qū)逐艦，首創(chuàng)反艦導彈擊沉敵方艦艇的歷史，改寫了“大艦必勝小艦”的海戰(zhàn)規(guī)則。1982年馬島海戰(zhàn)中，阿根廷攻擊機發(fā)射的一枚Exocet AM39反艦導彈直接命中英國主力導彈驅(qū)逐艦，該超低空掠海突防模式沿用至今。1991年海灣戰(zhàn)爭中，從水面艦艇和水下潛艇上共計發(fā)射了近300枚Tomahawk BGM-109巡航導彈，摧毀了伊拉克軍隊的指揮控制中心、防空武器陣地等重要目標，這也是Tomahawk BGM-109巡航導彈首次被大規(guī)模使用。2015年敘利亞反恐戰(zhàn)爭中，俄羅斯海軍輕型護衛(wèi)艦從1 500 km外的里海海域發(fā)射了20余枚Kalibr 3M14對陸攻擊導彈，極大地打擊和震懾了伊斯蘭國(IS)極端組織。

發(fā)動機是導彈的核心部件，主要包括固體火箭、液體火箭、沖壓、渦輪噴氣和渦輪風扇等類型。早在20世紀40年代，渦輪噴氣發(fā)動機就被用作戰(zhàn)略導彈的巡航動力裝置，但其大多由飛機發(fā)動機改造而成，成本高、尺寸大、維護難，與火箭發(fā)動機競爭缺乏優(yōu)勢，因此并未得到廣泛使用。直到20世紀70年代初，以J402、F107和TRI 60等為代表的低成本、小尺寸、短壽命燃氣渦輪發(fā)動機的研制成功，才在很大程度上促進了先進巡航、反艦和空地導彈的快速發(fā)展[1-2]。

彈用渦輪發(fā)動機的推力范圍為10～700 daN，其中100 daN以下的屬于微型渦輪發(fā)動機[3]。本文重點關(guān)注100～700 daN的小型渦輪發(fā)動機，梳理了20世紀70年代以來彈用渦輪發(fā)動機的研發(fā)進展，匯總了國內(nèi)外典型型號及其主要技術(shù)參數(shù)，介紹了它們的性能與結(jié)構(gòu)特點，分析了螺槳風扇和混合式脈沖爆震等新型渦輪發(fā)動機的潛在優(yōu)勢，以期為今后研究小型彈用渦輪噴氣、渦輪風扇和新概念渦輪發(fā)動機提供參考。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

與固體火箭發(fā)動機和沖壓發(fā)動機相比，渦輪發(fā)動機的比沖相對較大，特別適用于各種高亞音速、中遠程導彈。采用不同類型動力的艦載巡航和反艦導彈的射程與質(zhì)量如圖1所示。

圖1 艦載巡航和反艦導彈的射程與質(zhì)量Fig.1 Range and mass of shipborne cruise and anti-ship missiles

從圖1可以看出：以渦輪噴氣和渦輪風扇作為主發(fā)動機的導彈具有明顯優(yōu)勢，例如，法國Exocet MM38反艦導彈采用固體火箭發(fā)動機，射程約42 km；改進型MM40 Block 2增加了固體火箭發(fā)動機的直徑和長度，射程提高到75 km；而MM40 Block 3將主發(fā)動機換成TRI 40渦輪噴氣發(fā)動機后，在同等尺寸下，射程躍升至180 km。

導彈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用，各軍事強國都積極研發(fā)先進導彈武器。美國、法國、俄羅斯、烏克蘭、以色列、土耳其、日本、韓國、印度和伊朗等國十分重視小型彈用渦輪發(fā)動機的研制，相繼推出了多種型號并投入使用，代表產(chǎn)品如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 小型彈用渦輪發(fā)動機代表產(chǎn)品Fig.2 Representative small turbine engines for missiles

1.1 美 國

20世紀60年代末，Williams 公司開始研制WR19系列雙轉(zhuǎn)子渦輪風扇發(fā)動機。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展出了用于ALCM AGM-86A戰(zhàn)略巡航導彈的F107-WR-100，該發(fā)動機的推力為267 daN，推重比為4.6，耗油率為0.61 kg/(daN·h)，增壓比為13.7，渦輪前溫度為1 281 K，涵道比為1.0，直徑為307 mm，長度為800 mm，采用二級軸流風扇、二級軸流低壓壓氣機、一級離心高壓壓氣機、折流環(huán)形燃燒室、一級軸流高壓渦輪、二級軸流低壓渦輪和混合排氣收斂尾噴管[4]。改進型F107-WR-101的質(zhì)量略有增加，推重比降至4.3，應(yīng)用于AGM-86B，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。F107-WR-103借助先進的葉片設(shè)計技術(shù)改善了壓氣機和渦輪的氣動性能，采用新型陶瓷材料提高了燃燒室出口溫度，推力增至444 daN，應(yīng)用于AGM-86C/D[6]。

表1 小型彈用渦輪發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of small turbine engines for missiles

圖3 F107-WR-101發(fā)動機結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural schematic diagram of F107-WR-101

20世紀70年代中期，Williams公司又推出了海軍型F107-WR-400發(fā)動機，應(yīng)用于Tomahawk BGM-109 Block 1和Block 2巡航導彈；Block 3導彈的發(fā)動機升級為F107-WR-402，其推力增大了近20%，耗油率降低了約3%。

20世紀80年代中期，Williams公司開始研制WJ38系列渦輪風扇發(fā)動機，采用一級風扇、五級軸流壓氣機、一級軸流高壓渦輪和一級軸流低壓渦輪[7]。最初型號WJ38-10，軍方編號F122-WR-100，推力為445 daN，計劃用于TSSAM AGM-137防區(qū)外攻擊導彈。隨后，該公司又分別發(fā)展了大推力型號WJ38-15和小推力型號WJ38-7。WJ38-15的推力可達667 daN，用于KEPD 350遠程空地導彈；WJ38-7軍方編號F415-WR-400，推力為311 daN，用于BGM-109 Block 4遠程巡航導彈。

20世紀70年代初，另一軍工企業(yè)Teledyne CAE公司為美國海軍研制了用于Harpoon RGM-84反艦導彈的低成本渦輪噴氣發(fā)動機J402-CA-400。該型發(fā)動機采用單軸結(jié)構(gòu)，包括一級軸流與一級離心組合壓氣機、折流環(huán)形燃燒室和一 級軸流渦輪等部件。推力為294 daN，推重比為6.5，耗油率為1.22 kg/(daN·h)，增壓比為5.6，渦輪前溫度為1 310 K，空氣流量為4.35 kg/s。改進型J402-CA-100曾參與競爭BGM-109 Block 4巡航導彈的發(fā)動機，但終因耗油率等指標不滿足要求而落選，后來它被用于JASSM AGM-158A空地導彈。

1.2 法 國

Arbizon 3系列是法國Turbomeca公司于20世紀70年代初研制的單轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機，應(yīng)用于Otomat系列反艦導彈。其中，Arbizon 3D于1990年開始試驗，1995年批量生產(chǎn)，其推力為416 daN，耗油率為1.10 kg/(daN·h)，增壓比為5.85，直徑為432 mm，長度為1 377 mm；采用一級軸流與一級離心組合壓氣機、甩油盤供油的折流環(huán)形燃燒室和一級軸流渦輪。Arbizon 4是縮小尺寸的型號，于1974年開始研制，推力為359 daN，增壓比為5.6，質(zhì)量為60 kg，設(shè)計壽命30 h，應(yīng)用于我國臺灣省雄風2系列反艦導彈，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[8]。

圖4 Arbizon 4發(fā)動機結(jié)構(gòu)Fig.4 Structural schematic diagram of Arbizon 4

TRI 60系列是Microturbo公司推出的小型渦輪噴氣發(fā)動機。首臺驗證機于1974年進行試驗，推力達到了300 daN。TRI 60-1是初期型號，推力為350 daN，采用三級軸流壓氣機、直流環(huán)形無煙燃燒室和一級軸流渦輪。TRI 60-2的推力提高至370 daN，耗油率為1.28 kg/(daN·h)，增壓比為3.8，空氣流量為6.18 kg/s。TRI 60-5改進了壓氣機的設(shè)計，增大了進氣量，推力達到420 daN。TRI 60-30通過增加零級壓氣機，使其推力由TRI 60-3的400 daN增至570 daN。

20世紀90年代，Microturbo公司又研制了350 daN推力級的TRI 40渦輪噴氣發(fā)動機，采用四級軸流壓氣機、直流環(huán)形燃燒室和一級軸流渦輪，通過先進的計算流體力學方法改進壓氣機設(shè)計，提高了增壓比和效率。與TRI 60-2 相比，耗油率降低了6%，單位迎風面積推力提高了35%[9]，應(yīng)用于NSM和Exocet MM40 Block 3等導彈。

1.3 俄羅斯/烏克蘭

蘇聯(lián)時期的Soyuz發(fā)動機設(shè)計局于20世紀70年代末研發(fā)了用于Kh-55戰(zhàn)略巡航導彈的“產(chǎn)品95”，即R95-300渦輪風扇發(fā)動機。該型發(fā)動機采用單軸結(jié)構(gòu)，主要包括二級風扇、六級軸流壓氣機、直流環(huán)形燃燒室和二級軸流渦輪，推力為294 daN。20世紀80年代中期，研制了R95TP-300，用于Kh-59M空地導彈。20世紀90年代初，改進型R95TM-300用于Kh-35反艦導彈，推力為343 daN，耗油率為0.82 kg/(daN·h)，涵道比為0.86，直徑為315 mm，長度為850 mm，其結(jié)構(gòu)如圖5所示[10]。

圖5 R95TM-300發(fā)動機結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal structure of R95TM-300

MS400是烏克蘭Motor Sich公司在“產(chǎn)品95”的基礎(chǔ)上改進并發(fā)展的推力增大型產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)基本保持不變，主要依靠增大供油量將渦輪前溫度提高至1 363 K，使推力提升到392 daN。其耗油率為0.87 kg/(daN·h)，質(zhì)量為85 kg，直徑為315 mm，長度為850 mm[11]。

20世紀70年代末，俄羅斯另一發(fā)動機設(shè)計局OMSK開始研制“產(chǎn)品36”，即TRDD-50雙轉(zhuǎn)子渦輪風扇發(fā)動機。采用一級風扇、軸流與斜流組合壓氣機、折流環(huán)形燃燒室、一級高壓軸流渦輪、一級低壓軸流渦輪和分別排氣收斂尾噴管，其結(jié)構(gòu)如圖6所示[12]。該型發(fā)動機曾用于Kh-55的飛行試驗，但最終敗給“產(chǎn)品95”而沒能成為其批產(chǎn)型的發(fā)動機。由于“產(chǎn)品95”一直由Motor Sich公司負責生產(chǎn)，為了打破小型彈用發(fā)動機需要從烏克蘭進口的尷尬局面，2000年左右，Saturn科研生產(chǎn)聯(lián)合體與OMSK合作，重新啟動“產(chǎn)品36”的生產(chǎn)。在TRDD-50的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了用于Kh-555和Kh-101的TRDD-50A，用于Kh-59MK和Kh-35Y的TRDD-50AT，以及用于3M14和3M54的TRDD-50B等多種改進型號。

圖6 TRDD-50AT發(fā)動機結(jié)構(gòu)Fig.6 Internal structure of TRDD-50AT

1.4 以色列

Sorek 4是以色列Bet Shemesh發(fā)動機公司(BSEL)研發(fā)的一種短壽命渦輪噴氣發(fā)動機，該型發(fā)動機于1983年首次在巴黎航展上展出，主要由軸流與離心組合壓氣機、折流環(huán)形燃燒室和一級軸流渦輪組成。其推力為360 daN，增壓比為5.8，空氣流量為5.5 kg/s，轉(zhuǎn)速為43 krpm，直徑為330 mm，長度為1 014 mm，工作壽命為13 h。曾計劃作為Gabriel 4反艦導彈的主發(fā)動機。

1.5 土耳其

Kale-3500是土耳其Kale公司于2012年開始研制的一次性單轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機。該型發(fā)動機的推力為350 daN，推重比為7.4，耗油率為1.20 kg/(daN·h)，直徑為300 mm，長度為900 mm，使用JP8或JP10燃料，由電動機起動。計劃取代TRI 40發(fā)動機，用于SOM空射巡航導彈。

1.6 日 本

TJM系列是20世紀70年代后期日本Mitsubishi公司為巡航導彈和無人駕駛飛行器研制的小型渦輪噴氣發(fā)動機。TJM2是基本型，其推力為149 daN，采用一級離心壓氣機、環(huán)形燃燒室和一級軸流渦輪，已用于SSM-1(88式)岸艦導彈、SSM-1B(90式)艦艦導彈和ASM-2(93式)空艦導彈等。TJM4是推力增大型，其推力為284 daN，增壓比為6.7，采用二級離心壓氣機和二級軸流渦輪，計劃用于一種先進的隱身巡航導彈[13]。

1.7 韓 國

SS-760K渦輪噴氣發(fā)動機是第一種在韓國成功生產(chǎn)的噴氣發(fā)動機，由Samsung Techwin公司與國防發(fā)展局聯(lián)合研制[14]。壓氣機為四級軸流，渦輪為一級軸流。推力為467 daN，耗油率為1.27 kg/(daN·h)，質(zhì)量為80 kg，直徑為328 mm，長度為1 386 mm，最大飛行高度為10.7 km，最大飛行馬赫數(shù)為0.9，應(yīng)用于SSM-700K反艦導彈。

1.8 印 度

PTAE-7是印度Hindustan航空有限公司(HAL)于1980年研制的渦輪噴氣發(fā)動機，于2001年開始小批量生產(chǎn)。采用四級軸流壓氣機、直流環(huán)形燃燒室和一級軸流渦輪。其推力為373 daN，耗油率為1.20 kg/(daN·h)，增壓比為4.65，空氣流量為6.65 kg/s，直徑為330 mm，長度為1 270 mm。目前應(yīng)用于靶機，潛在的用途包括反艦導彈和巡航導彈。

1.9 伊 朗

Toloue-4是伊朗航空工業(yè)聯(lián)合體(IAIO)于20世紀末研發(fā)的單轉(zhuǎn)子渦輪噴氣發(fā)動機，是TRI 60-2的仿制品，其結(jié)構(gòu)如圖7所示[15]。該型發(fā)動機的推力為363 daN，增壓比為3.75，轉(zhuǎn)速為29.5 krpm，直徑為330 mm，長度為1 330 mm，已應(yīng)用于Qadir反艦導彈。

圖7 Toloue-4發(fā)動機結(jié)構(gòu)Fig.7 Internal structure of Toloue-4

1.10 中 國

中國航空發(fā)動機集團有限公司四川燃氣渦輪研究院、中國航天科工集團第三研究院、中國科學院工程熱物理研究所和中國人民解放軍總參謀部第六十研究所等機構(gòu)均具備研發(fā)小型渦輪發(fā)動機的能力。2010年第八屆珠海航展上，中國航天科工集團第三研究院展示了CTJ-1和CTJ-2兩種國產(chǎn)反艦導彈用渦輪噴氣發(fā)動機的相關(guān)信息。宣傳資料顯示，CTJ-1發(fā)動機的推力級別為110 daN，主要由一級離心壓氣機、折流環(huán)形燃燒室和一級軸流渦輪組成，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點，已用于C705反艦導彈；CTJ-2發(fā)動機的推力級別為400 daN，采用三級軸流壓氣機、直流環(huán)形燃燒室和一級軸流渦輪，結(jié)構(gòu)簡單、推重比大、抗進氣畸變能力強，已在C802系列反艦導彈上成功應(yīng)用。

2 性能與結(jié)構(gòu)特點

小型彈用渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機在性能和結(jié)構(gòu)上具有以下七個顯著特點。

(1) 成本低。導彈是消耗性產(chǎn)品，使用量、儲存量大，成本通常是其研制過程中優(yōu)先考慮的因素，有時甚至需要犧牲一定的性能來滿足成本要求。渦輪發(fā)動機降低成本的途徑主要包括：基于成熟技術(shù)，采用改型設(shè)計，降低研制風險；采用整體式無余量精密鑄造，減少零件數(shù)目，縮短裝配工時；使用鈑金件，提高材料利用率，減少機械加工量；簡化附件系統(tǒng)，方便使用和維護，提高系統(tǒng)可靠性[16]。例如，J402-CA-400發(fā)動機是由早期型號J69-T-406縮小尺寸設(shè)計而來，采用整體精鑄工藝后，轉(zhuǎn)子的零件數(shù)目由149個降低至16個，減少了89%；大量使用鑄件和鈑金件，材料利用率高達60%；前支點滾珠軸承為盛油器滴定潤滑，后支點滾棒軸承為潤滑脂填充潤滑，取代了原復雜的循環(huán)潤滑系統(tǒng)[17]。上述有效措施將該發(fā)動機的成本降低至僅6萬美元左右(1993年的價格)。

(2) 壽命短。彈用渦輪發(fā)動機屬于一次性使用的產(chǎn)品，工作時間最長也僅有數(shù)小時，因此對使用壽命的要求較低。通常，射程在500 km以內(nèi)的導彈，其發(fā)動機的壽命為5～10 h；射程在1 000 km以上的導彈，其發(fā)動機的壽命為10～50 h[18]。在比選性能指標、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，要充分考慮這一特點。例如，MS400發(fā)動機通過進一步提高燃燒室出口溫度，將使用壽命由原來的20 h降低至10 h，在有限的工作時間內(nèi)實現(xiàn)了性能的提升；TRI 60-2發(fā)動機采用閉式循環(huán)潤滑系統(tǒng)，若導彈的飛行時間不超過15 min，則可不必額外配置滑油箱，僅使用進氣機匣下部的腔體儲油即可。

(3) 尺寸小。發(fā)動機的尺寸受到嚴格限制，以滿足不同發(fā)射平臺的安裝和使用要求。其長度通常為1 000 mm左右，直徑多在400 mm以內(nèi)。發(fā)動機的尺寸與壓氣機的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)。彈用渦輪發(fā)動機的壓氣機主要有離心、軸流與離心/斜流組合、多級軸流三種形式。離心壓氣機的直徑相對較大，多級軸流壓氣機的直徑較小，而組合壓氣機的直徑大致介于二者之間。BGM-109 Block 3和Block 4分別使用F107-WR-402和F415-WR-400作為巡航發(fā)動機，二者推力相當，但改用多級軸流壓氣機后，F(xiàn)415-WR-400的直徑縮小了21%，如圖8所示。

圖8 發(fā)動機直徑與推力的關(guān)系Fig.8 Relationship between diameter and thrust

(4) 轉(zhuǎn)速高。由于葉輪直徑較小，為了實現(xiàn)風扇、壓氣機和渦輪等轉(zhuǎn)動部件更優(yōu)的能量轉(zhuǎn)換和利用效果，發(fā)動機通常采用較高的工作轉(zhuǎn)速。單轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)動機轉(zhuǎn)速與推力的關(guān)系如圖9所示，可以看出：隨著推力的增大，轉(zhuǎn)速呈逐漸減小的趨勢變化，且均高于20 krpm。例如，單轉(zhuǎn)子發(fā)動機WJ24-8的轉(zhuǎn)速為60.9 krpm，J402-CA-400的轉(zhuǎn)速為41.2 krpm，MS400的轉(zhuǎn)速為39.2 krpm，TRI60-30的轉(zhuǎn)速為29.5 krpm；雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機F107-WR-100的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35.5 krpm，反向旋轉(zhuǎn)的高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為64.0 krpm[19]。

圖9 單轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)動機轉(zhuǎn)速與推力的關(guān)系Fig.9 Relationship between rotational speed and thrust of single-spool turbine engine

(5) 增壓比低。提高增壓比，可以改善發(fā)動機性能，但通常會以增加壓縮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜程度為代價，因此彈用渦輪發(fā)動機一般不追求過高的總增壓比。對于彈用渦輪噴氣發(fā)動機，其增壓比范圍通常為3～7；單級離心壓氣機的增壓比范圍通常為4～6；一級軸流和一級離心構(gòu)成的組合壓氣機的增壓比大多在6左右；軸流壓氣機單級平均增壓比可達1.6，總增壓比與壓氣機級數(shù)有關(guān)，如圖10所示。例如，采用三級軸流壓氣機的TRI 60-5的增壓比為4.2，采用四級軸流壓氣機的TRI 60-30的增壓比為6.3。而對于渦輪風扇發(fā)動機，由于風扇和壓氣機的級數(shù)相對較多，增壓比明顯高于渦輪噴氣發(fā)動機，例如F107-WR-100和MS400等發(fā)動機的增壓比都在10以上。

圖10 渦輪噴氣發(fā)動機的增壓比Fig.10 Total pressure ratio of turbojet engines

(6) 容積熱強度大。彈用渦輪發(fā)動機的燃燒室空間有限，單位容積內(nèi)放熱速度快，供燃油與空氣摻混、反應(yīng)的時間短，流動和燃燒組織難度大。發(fā)動機燃燒室從結(jié)構(gòu)上主要分為折流、回流和直流三類。折流環(huán)形燃燒室，采用甩油盤供油，充分利用空間，軸向尺寸較小，適用于采用離心或組合壓氣機的渦輪發(fā)動機，例如J402、F107和TRDD-50系列。回流環(huán)形燃燒室，油氣混合充分均勻，與單級離心壓氣機搭配使用可以顯著縮短軸系長度，例如Model 150、Model 120均使用這類燃燒室[20-21]。直流環(huán)形燃燒室，多采用離心噴嘴供油，迎風面積小，流動損失低，適合于采用多級軸流壓氣機的渦輪發(fā)動機，例如TRI 60和R95-300系列。

(7) 起動和點火方式多樣。為了在不同空域范圍內(nèi)實現(xiàn)可靠的點火起動，發(fā)動機通常具有不同的起動方式和點火方式。起動方式主要包括電動機起動、風車起動和火藥起動；點火方式主要包括電火花點火和煙火點火。F107系列發(fā)動機的火藥起動器即為點火器，固體火藥燃燒產(chǎn)生的燃氣沖擊高壓渦輪以帶動高壓轉(zhuǎn)子加速，產(chǎn)生的火焰進入燃燒室引燃油氣，從而同時完成起動和點火[22]。J402-CA-400依靠火藥燃氣發(fā)生器產(chǎn)生的燃氣沖擊離心壓氣機葉輪，將轉(zhuǎn)子加速到36%～40%最大轉(zhuǎn)速后，由煙火點火器點火。TRI 60-2采用風車方式起動，當馬赫數(shù)小于0.5時可以采用電火花點火，當馬赫數(shù)大于0.5時必須采用煙火點火。

3 新型渦輪發(fā)動機

未來彈用渦輪發(fā)動機仍要追求更低成本、更少油耗和更優(yōu)結(jié)構(gòu)。目前的渦輪噴氣和渦輪風扇推進技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已日趨完善，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和材料耐溫能力的制約下，欲大幅提升性能十分困難。以螺槳風扇發(fā)動機、脈沖爆震渦輪發(fā)動機為代表的新型動力裝置，憑借各自的優(yōu)勢和潛力，得到越來越多的關(guān)注。

3.1 螺槳風扇發(fā)動機

螺槳風扇發(fā)動機是渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪風扇發(fā)動機的高效結(jié)合，既改善了前者高速飛行時推進性能顯著惡化的問題，又進一步降低了后者的耗油率[23]，是高亞音、遠程巡航導彈的理想動力。

20世紀80年代末，美國國防部實施了海軍與空軍常規(guī)巡航導彈聯(lián)合計劃。選擇渦輪風扇和螺槳風扇等發(fā)動機進行推進系統(tǒng)方案論證，但只有螺槳風扇發(fā)動機能夠滿足射程在3 200 km以上的任務(wù)要求[24]。20世紀90年代初，安裝有螺槳風扇發(fā)動機的BGM-109縮比模型在NASA Ames研究中心的跨音速風洞中進行了試驗，結(jié)果顯示，發(fā)動機采用的兩組6葉片對轉(zhuǎn)槳葉能夠提供80%～90%的推力；發(fā)動機在攻角-4°～16°、馬赫數(shù)0.55～0.80的條件下均能保持良好的工作效率，并在攻角為0、馬赫數(shù)為0.70時性能最佳。

俄羅斯也開展了彈用螺槳風扇發(fā)動機的研制工作。Soyuz設(shè)計局曾為Kh-101遠程空射巡航導彈設(shè)計了R128-300螺槳風扇發(fā)動機，其兩組3葉片的槳葉十分醒目，如圖11所示[10]。該發(fā)動機安裝在彈體尾部，最大功率為970 kW，耗油率為0.284 kg/(kW·h)，質(zhì)量為200 kg[25]。試驗型Kh-101曾安裝了R128-300發(fā)動機進行試飛，但終因成本和技術(shù)等問題，生產(chǎn)型Kh-101改用TRDD-50A渦輪風扇發(fā)動機。

圖11 R128-300螺槳風扇發(fā)動機Fig.11 R128-300 propfan engine

目前，彈用螺槳風扇發(fā)動機還處于試驗階段，尚未正式投入使用，其原因主要包括：發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復雜，研制成本偏高；可折疊對轉(zhuǎn)槳葉、多級自由渦輪和雙輸出軸減速齒輪裝置的使用，導致發(fā)動機重量增加；噪聲大、雷達信號特征強等問題未得到很好地解決。

3.2 脈沖爆震渦輪發(fā)動機

燃燒有兩種方式——緩燃和爆震。緩燃是亞音速燃燒，近似為定壓過程，當前的渦輪發(fā)動機均采用這種燃燒方式；而爆震是超音速燃燒，接近于定容過程，脈沖爆震發(fā)動機就是利用周期性爆震燃燒形成的高溫高壓燃氣來產(chǎn)生推力的。脈沖爆震、渦輪噴氣、沖壓和火箭發(fā)動機的比沖與馬赫數(shù)的關(guān)系如圖12所示[26]，可以看出：脈沖爆震發(fā)動機的比沖最優(yōu)。

圖12 發(fā)動機比沖與馬赫數(shù)的關(guān)系Fig.12 Relationship between specific impulse and Mach number

若采用脈沖爆震燃燒室替代傳統(tǒng)定壓主燃燒室，就構(gòu)成了混合式脈沖爆震渦輪發(fā)動機，其示意圖如圖13所示?；旌鲜矫}沖爆震渦輪發(fā)動機既沿襲了脈沖爆震發(fā)動機循環(huán)效率高、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，又繼承了渦輪發(fā)動機能夠零速起動、功率提取便捷等特點，是未來高推重比渦輪發(fā)動機的一個重要發(fā)展方向。

圖13 脈沖爆震渦輪風扇發(fā)動機示意圖Fig.13 Schematic diagram of pulse detonation turbofan engine

基于考慮排氣和掃氣階段流動特征的精細循環(huán)分析模型，對某400 daN推力級雙轉(zhuǎn)子混合排氣脈沖爆震渦輪風扇發(fā)動機的性能進行預測(飛行高度為0，馬赫數(shù)為0)，結(jié)果如表2所示，可以看出：在循環(huán)總溫和總增壓比相同的條件下，與傳統(tǒng)渦輪風扇發(fā)動機相比，脈沖爆震渦輪風扇發(fā)動機的單位推力增大了13.1%，單位耗油率減小了18.7%；并且爆震燃燒具有自增壓特性，使壓氣機的增壓比由9.10降低至5.63，從而可適當減少壓氣機級數(shù)，減輕發(fā)動機重量，進一步提高推重比。

表2 傳統(tǒng)渦輪風扇發(fā)動機和脈沖爆震渦輪風扇發(fā)動機的性能對比Table 2 Comparison of performance between conventional turbofan engine and pulse detonation turbofan engine

自2000年以來，美國空軍研究實驗室、GE Global研究中心、NASA Glenn研究中心、Cincinnati大學、日本東京科學大學、西北工業(yè)大學等研究機構(gòu)均開展了脈沖爆震渦輪發(fā)動機的試驗和仿真工作[27-32]，初步驗證了該混合系統(tǒng)持續(xù)運行的可行性，如何進一步提高推進性能是今后研究的重點。脈沖爆震渦輪發(fā)動機亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高通流系統(tǒng)總體方案設(shè)計、高精度性能計算建模、高頻可靠點火與短距起爆、高效葉輪機與多管爆震室協(xié)調(diào)匹配等。

4 結(jié)束語

(1) 美國、法國和俄羅斯等軍事強國均積極研發(fā)小型彈用渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機，相繼推出J402、F107、TRI 60和R95-300等系列產(chǎn)品，極大地促進了巡航、反艦和空地導彈的快速發(fā)展。導彈武器在現(xiàn)代高科技局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可替代的作用，先進彈用渦輪發(fā)動機技術(shù)仍將是研究的熱點。

(2) 小型彈用渦輪發(fā)動機成本低、壽命短、尺寸小、轉(zhuǎn)速高、增壓比低、容積熱強度大、起動和點火方式多樣。如何在最低限度滿足性能要求的前提下，進一步降低成本、減少油耗、簡化結(jié)構(gòu)仍將是今后重要的發(fā)展方向。

(3) 傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機技術(shù)日臻完善，性能提升越來越困難。螺槳風扇、脈沖爆震等新型渦輪發(fā)動機在循環(huán)效率、燃油消耗或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面具有潛在優(yōu)勢，若能夠突破現(xiàn)存的技術(shù)瓶頸，則有望取代渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機，成為未來導彈的巡航動力。

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