■ 韓玉琪 董芃呈 王翔宇 / 中國(guó)航發(fā)研究院

20世紀(jì)60年代以來，美國(guó)空軍通過核心機(jī)計(jì)劃開展技術(shù)驗(yàn)證和提高技術(shù)成熟度，建立了豐富的經(jīng)過驗(yàn)證的核心機(jī)關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備，此后投入使用的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)均為這一技術(shù)途徑的產(chǎn)物。

由高壓壓氣機(jī)、燃燒室和高壓渦輪組成的發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)（如圖1線框內(nèi)所示），包括了推進(jìn)系統(tǒng)中溫度最高、壓力最大、轉(zhuǎn)速最高的組件，其成本和周期在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中占比重大，是發(fā)動(dòng)機(jī)研制主要難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)最集中的部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中發(fā)生的80%以上的技術(shù)問題都與核心機(jī)密切相關(guān)。

圖1 美國(guó)F119發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)

核心機(jī)研究的起源

20世紀(jì)50年代后期，受“要導(dǎo)彈不要飛機(jī)”發(fā)展思路的影響，美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究和發(fā)展縮減到了最小規(guī)模，技術(shù)水平和發(fā)展速度也落后于蘇聯(lián)。同時(shí)，飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求也更具有針對(duì)性，特別是加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間的匹配問題變得更加突出。在研究經(jīng)費(fèi)大幅減少的情況下，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研制中的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功，美國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展中增加了一個(gè)預(yù)先發(fā)展階段，即在將技術(shù)研究成果用于型號(hào)研制以前，盡可能在接近發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工作狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證。

1959年，美國(guó)空軍航空推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（后并入美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室）正式向國(guó)防部提出了優(yōu)先發(fā)展包括高壓壓氣機(jī)、燃燒室和高壓渦輪3大關(guān)鍵部件的燃?xì)獍l(fā)生器（核心機(jī)）的想法，對(duì)應(yīng)用研究中發(fā)展的3大部件技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并開始實(shí)施輕型燃?xì)獍l(fā)生器（LWGG）計(jì)劃。1963年，LWGG計(jì)劃取得初步成功，美國(guó)國(guó)防部開始撥?？钣枰灾С郑⑵涓麨橄冗M(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器(ATEGG)計(jì)劃。該計(jì)劃利用應(yīng)用研究中獲得的先進(jìn)部件組成核心機(jī)，并在真實(shí)環(huán)境狀態(tài)下考核這些部件和核心機(jī)的性能。

為與ATEGG計(jì)劃相配合，美國(guó)空軍在1967年開始實(shí)施飛機(jī)推進(jìn)分系統(tǒng)綜合（APSI）計(jì)劃，目的是發(fā)展低壓系統(tǒng)部件技術(shù)，如進(jìn)氣道、風(fēng)扇、低壓渦輪、加力燃燒室、噴管和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。利用APSI計(jì)劃發(fā)展核心機(jī)以外的部件和系統(tǒng)技術(shù)，是美國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，這一途徑也一直沿用至今。20世紀(jì)70年代，為集成驗(yàn)證ATEGG計(jì)劃和APSI計(jì)劃的研究成果，美國(guó)開始實(shí)施聯(lián)合技術(shù)驗(yàn)證機(jī)（JTDE）計(jì)劃，將上述兩項(xiàng)計(jì)劃的研究成果綜合起來，組成一臺(tái)可工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，并驗(yàn)證所需的先進(jìn)技術(shù)。

驗(yàn)證核心機(jī)的發(fā)展歷程

ATEGG 計(jì)劃由空軍推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理，年度經(jīng)費(fèi)平均為3000萬～4000萬美元。ATEGG計(jì)劃是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的計(jì)劃，在1988年以后作為綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃的子計(jì)劃繼續(xù)實(shí)施。在隨后的VAATE計(jì)劃中，通用核心機(jī)（MACE）成為重點(diǎn)研究的3大技術(shù)領(lǐng)域之一，分別是通用核心機(jī)、智能發(fā)動(dòng)機(jī)、耐久性。截至目前，美國(guó)已形成了10代驗(yàn)證核心機(jī)（見表1），每一代技術(shù)驗(yàn)證核心機(jī)都在前代基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展，具有連續(xù)性和繼承性。

通過長(zhǎng)期的摸索，在核心機(jī)驗(yàn)證技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國(guó)得出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)“基礎(chǔ)研究—部件—核心機(jī)—技術(shù)驗(yàn)證機(jī)—工程驗(yàn)證機(jī)—原型機(jī)”的發(fā)展途徑和規(guī)律。通過核心機(jī)和技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)部件和系統(tǒng)技術(shù)在用于型號(hào)研制之前就在真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中得到驗(yàn)證，充分暴露問題。通過不斷改進(jìn)，核心機(jī)和驗(yàn)證機(jī)不僅是先進(jìn)技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)，也是型號(hào)發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)還發(fā)揮了篩選技術(shù)的重要作用。

從美國(guó)核心機(jī)發(fā)展的歷程可以看出，采用成熟核心機(jī)衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)包括：一是原核心機(jī)的可靠性、耐久性和維修性得到繼承和提高；二是大量成熟技術(shù)得到繼承，創(chuàng)新的相對(duì)較少，技術(shù)臺(tái)階低，研制難度小，可節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)、縮短研制周期、降低研制風(fēng)險(xiǎn)；三是創(chuàng)新的先進(jìn)技術(shù)提前在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中得到驗(yàn)證和成熟度提升，降低了下一代全新研制產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用；四是可以對(duì)軍民用戶的不同任務(wù)需求做出快速反應(yīng)，迅速形成產(chǎn)品，例如，GE航空集團(tuán)的民用發(fā)動(dòng)機(jī)CF34-10的研制周期僅為24個(gè)月。

表1 美國(guó)主要的驗(yàn)證核心機(jī)發(fā)展情況

核心機(jī)衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品

核心機(jī)衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的理論基礎(chǔ)

從理論上來說，沒有統(tǒng)一的發(fā)動(dòng)機(jī)類型或固定的工作過程參數(shù)組合能以最佳方式適用于不同用途的飛機(jī)。針對(duì)不同的用途設(shè)計(jì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)上可以獨(dú)立地選取發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程參數(shù)，來綜合平衡單位推力和耗油率的需求，具體的考慮主要有以下幾條：一是在渦輪葉片材料水平、冷卻技術(shù)和期望壽命的綜合考量下，選取盡可能高的渦輪前總溫，以提高單位推力和循環(huán)熱效率；二是總增壓比的選取主要考慮單位推力和耗油率的比例分配，在最佳增壓比附近對(duì)應(yīng)較大的單位推力,選取比最佳增壓比更大一些的增壓比則可降低耗油率；三是混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有內(nèi)、外涵道氣流總壓在混合室進(jìn)口近似相等的條件限制，要獲得大的單位推力，就必須要有較高的風(fēng)扇壓比，同時(shí)，在給定的壓氣機(jī)壓比和渦輪前總溫情況下,風(fēng)扇的高壓比則導(dǎo)致低涵道比；四是分別排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有內(nèi)、外涵噴管出口速度近似相等的條件限制，為了追求經(jīng)濟(jì)性，渦輪前總溫、高壓氣機(jī)增壓比使發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的循環(huán)熱效率，高涵道比使推進(jìn)效率較大，同時(shí)高涵道比使得風(fēng)扇壓比的最佳值減小。

全新研制渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在完成高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪部件預(yù)研后，集成為核心機(jī)開展迭代試驗(yàn)，一般需要2～3年，以評(píng)定性能穩(wěn)定性和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性，解決部件之間的匹配問題，驗(yàn)證內(nèi)容包括：高壓壓氣機(jī)喘振裕度、效率、出口流場(chǎng)及與燃燒室的相容性；燃燒室的溫度場(chǎng)、熱點(diǎn)溫度對(duì)高壓渦輪的影響；高壓渦輪效率、冷卻效果、渦輪前溫度等；3大部件的材料特性、新工藝、部件使用壽命也可以根據(jù)需要在核心機(jī)上考核。此外，考慮到后續(xù)衍生系列發(fā)展的需求，核心機(jī)應(yīng)有一定的高壓壓氣機(jī)性能儲(chǔ)備、燃?xì)鉁囟葍?chǔ)備、轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備，以及可供傳輸大功率和大扭矩的低壓軸穿過的幾何儲(chǔ)備。

基于成熟的核心機(jī)，可采用匹配不同低壓部件的方式來衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，具體包括：對(duì)于混合排氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用混合室的進(jìn)口內(nèi)、外涵道氣流總壓近似相等為風(fēng)扇壓比、涵道比是否合適的判定準(zhǔn)則，并同時(shí)確保推力滿足衍生需求；對(duì)于分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用內(nèi)、外涵噴管出口速度近似相等為風(fēng)扇壓比、涵道比是否合適的判定準(zhǔn)則，并同時(shí)確保推力滿足衍生需求。

核心機(jī)衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的主要方式

ATEGG計(jì)劃最初的目的是在研究經(jīng)費(fèi)不足的情況下，重點(diǎn)開發(fā)驗(yàn)證核心機(jī)。隨著該計(jì)劃的發(fā)展，美國(guó)20世紀(jì)70年代后投入使用的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都是這一技術(shù)途徑的產(chǎn)物，例如，F(xiàn)119基于XTC-65核心機(jī)，F(xiàn)100 基于JTF-22的核心機(jī)。在產(chǎn)品研發(fā)中，可采用在核心機(jī)平臺(tái)上驗(yàn)證過的新技術(shù)來改進(jìn)已有型號(hào)，滿足新的需求；也可選擇合適的驗(yàn)證核心機(jī)平臺(tái)研制型號(hào)核心機(jī)，進(jìn)而衍生發(fā)展系列發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足廣泛的動(dòng)力需求。核心機(jī)衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的主要方式有以下幾種。

圖2 F101核心機(jī)的衍生系列化發(fā)展

一是核心機(jī)不動(dòng)，改低壓部件。例如，F(xiàn)101發(fā)動(dòng)機(jī)與F110-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)。F110-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇是F404發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的比例放大；核心機(jī)與F101發(fā)動(dòng)機(jī)的基本相同，為了適應(yīng)直徑減小的風(fēng)扇流路，少量改動(dòng)了高壓壓氣機(jī)靜子的作動(dòng)系統(tǒng)、放氣系統(tǒng)、燃油管路和燃燒室機(jī)匣的后部構(gòu)件；低壓渦輪以F101發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪為基礎(chǔ)重新設(shè)計(jì)；加力燃燒室是F101發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的縮小型，噴管基于F101和F404發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管改型。

二是改變流道件或者改變高壓軸轉(zhuǎn)速。例如，F(xiàn)110-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī) 與F110-GE-129發(fā) 動(dòng) 機(jī)。F110-GE-129發(fā)動(dòng)機(jī)繼承了F110-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)81%的零部件；使用新材料，提高了渦輪進(jìn)口溫度和轉(zhuǎn)子速度，增大了渦輪壓力；采用改進(jìn)性能的全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，代替了模擬式電子控制器和機(jī)械-液壓式控制器。

三是核心機(jī)加減級(jí)。增加級(jí)數(shù)的如F100-PW-220發(fā)動(dòng)機(jī)與F100-PW-229發(fā)動(dòng)機(jī)，將9級(jí)高壓壓氣機(jī)的前4級(jí)改成5級(jí)，增大了流量。減少級(jí)數(shù)的如GE90-76B發(fā)動(dòng)機(jī)與GE90-90B發(fā)動(dòng)機(jī)，GE90-90B發(fā)動(dòng)機(jī)按照三維氣動(dòng)力技術(shù)設(shè)計(jì)高壓壓氣機(jī)葉片，并取消了第10級(jí)，總級(jí)數(shù)減少為9級(jí)。

四是核心機(jī)按比例縮放。例如，英國(guó)羅羅公司的遄達(dá) 800發(fā)動(dòng)機(jī)與遄達(dá)900發(fā)動(dòng)機(jī)。遄達(dá)900發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)是遄達(dá)800按90%比例的縮小型；遄達(dá)900高壓渦輪幾何尺寸基本與遄達(dá)800相同，高壓渦輪的轉(zhuǎn)速比遄達(dá)800高。

核心機(jī)衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的典型代表

GE航空集團(tuán)將經(jīng)過充分考驗(yàn)和鑒定的F101發(fā)動(dòng)機(jī)作為通用核心機(jī)，改型研制了多型發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖2所示），F(xiàn)110發(fā)動(dòng)機(jī)配裝F-15和F-16飛機(jī)使用，發(fā)展了F118發(fā)動(dòng)機(jī)配裝B-2遠(yuǎn)程轟炸機(jī)，改進(jìn)改型發(fā)展了CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)界的傳奇，迄今為止累計(jì)交付超過30000臺(tái)，累計(jì)飛行超過10億h，自1979年取得適航證以來，共衍生發(fā)展出CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7等4個(gè)系列、20多個(gè)改型，推力范圍為82.3 ～151.2kN。

結(jié)束語

美國(guó)軍工領(lǐng)域有句口頭禪：“今天的研究是明天的技術(shù)，明天的技術(shù)就是后天的產(chǎn)品?！边@句話在核心機(jī)的發(fā)展及作用上得到了充分的體現(xiàn)。核心機(jī)的最初目的是為了驗(yàn)證技術(shù)，提高技術(shù)成熟度，但隨著該計(jì)劃的發(fā)展，美國(guó)20世紀(jì)70年代后投入使用的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都是這一技術(shù)途徑的產(chǎn)物，可以說衍生發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品是其水到渠成的結(jié)果。