扈鵬飛，林小梅，李 堃

(1.中國(guó)航空研究院，北京 100069； 2.沈陽(yáng)市高坎中學(xué)，沈陽(yáng) 110000)

世界強(qiáng)國(guó)正在從空中優(yōu)勢(shì)爭(zhēng)奪向太空優(yōu)勢(shì)爭(zhēng)奪轉(zhuǎn)變，臨近空間高速飛機(jī)成為新的軍事制高點(diǎn)。動(dòng)力是飛行器的心臟，由于技術(shù)難度大，研制周期長(zhǎng)，動(dòng)力技術(shù)已成為臨近空間高速飛機(jī)的瓶頸和關(guān)鍵。從目前技術(shù)水平看，要實(shí)現(xiàn)水平起降，包括亞音速、超音速和高超音速的工作范圍，組合動(dòng)力是必然選擇。渦輪基組合動(dòng)力(TBCC)組合發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍寬，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的水平起飛和著陸，具備比沖高，可重復(fù)使用，維護(hù)性好，成本低，使用壽命長(zhǎng)，可以使用一般的軍民用機(jī)場(chǎng)及可以使用常規(guī)燃滑油等眾多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)方案。波音和洛馬公司先后披露了其Ma6的高超飛機(jī)研制計(jì)劃，動(dòng)力都采用TBCC。

高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是TBCC推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分。對(duì)于TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪基需要在傳統(tǒng)馬赫數(shù)2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展飛行包線以適應(yīng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)范圍，并在工作模式的轉(zhuǎn)換過(guò)程中具有足夠的推力以維持整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的推力連續(xù)。此外，馬赫數(shù)3一級(jí)渦輪動(dòng)力也可以直接裝備飛機(jī)，較快地形成高速截?fù)粑淦髌脚_(tái)，以用于國(guó)土防御。

1 高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

1.1 國(guó)外高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展概況

國(guó)外高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研究大體可分為兩個(gè)階段：第一階段在20世紀(jì)50～70年代，美蘇為發(fā)展高空高速飛機(jī)，開(kāi)展速度競(jìng)賽，大力發(fā)展高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)；第二階段是20世紀(jì)90年代以后，針對(duì)臨近空間高超聲速飛基對(duì)動(dòng)力的需求，各發(fā)達(dá)國(guó)家重新重視高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，并制定了一系列計(jì)劃開(kāi)展了大量研究。

20世紀(jì)60年代開(kāi)始，以美、蘇為首的航空大國(guó)相繼邁進(jìn)高超聲速航空領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了Ma3飛行，如以J58(起飛推力15 660 kgf)發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的SR-71和RD-31發(fā)動(dòng)機(jī)(起飛推力12 250 kgf)推進(jìn)的米格-25。J58發(fā)動(dòng)機(jī)采用四級(jí)壓氣機(jī)后旁路放氣技術(shù)、RD-31發(fā)動(dòng)機(jī)采用射流預(yù)冷技術(shù)，均實(shí)現(xiàn)了增大推力、擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線的目的，配裝J58發(fā)動(dòng)機(jī)的SR-71飛機(jī)創(chuàng)下了從未被擊落的記錄。另外，美國(guó)XB70“女武神”轟炸機(jī)的最大飛行馬赫數(shù)達(dá)到3.0，其裝有6臺(tái)YJ93-GE-3加力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，具有變距渦輪葉片，最大加力推力為136.8 kN。

進(jìn)入21世紀(jì)后，基于臨近空間飛行器對(duì)動(dòng)力的需求，美國(guó)開(kāi)展了一系列涉及高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展計(jì)劃，欲實(shí)現(xiàn)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的Ma3～Ma4工作，如美國(guó)RTA革新渦輪加速器計(jì)劃和HiSTED高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃，擬基于YF120發(fā)動(dòng)機(jī)變循環(huán)技術(shù)發(fā)展Ma4級(jí)大推力高速渦輪。2009年1月，羅·羅公司宣布在“黑鳥(niǎo)”偵察機(jī)用J58發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，發(fā)展了Ma4一級(jí)XTE18(YJ102R)單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，于2009年完成了初步測(cè)試。

日本與美國(guó)合作且大量依托美國(guó)實(shí)驗(yàn)條件，于1989年開(kāi)始通過(guò)HYPR計(jì)劃發(fā)展Ma5的高超聲速民用運(yùn)輸機(jī)(HST)研究推進(jìn)系統(tǒng)，其研究的HYPR-90發(fā)動(dòng)機(jī)采用串聯(lián)式組合模式，其TBCC的渦輪基為可變涵道渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，可以工作到Ma3以上，由于技術(shù)難度大，HYPR計(jì)劃未能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)而中止；據(jù)近期報(bào)道，日本利用氫預(yù)冷技術(shù)，在小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上完成了Ma4條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)。

從國(guó)外高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程來(lái)看，早期已有工程應(yīng)用產(chǎn)品，近年來(lái)基于組合動(dòng)力需求，國(guó)外正在發(fā)展性能更優(yōu)的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，盡管由于技術(shù)難度高、所需投入大，發(fā)展歷程并非一帆風(fēng)順，但各航空強(qiáng)國(guó)對(duì)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的熱情始終不曾消退，已經(jīng)取得了大量成果。

1.2 高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)分析

綜合國(guó)外高速渦輪發(fā)展情況，針對(duì)高超音速飛機(jī)對(duì)組合動(dòng)力的需求，分析了高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，主要結(jié)論如下：

一是高速渦輪作為臨近空間組合動(dòng)力的核心和關(guān)鍵，受到重視并加速發(fā)展。

從國(guó)外的研究結(jié)果和裝備研發(fā)情況看，跨過(guò)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)“熱障”(Ma>2.5)的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是完全可以工程實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)，隨著臨近空間飛行器技術(shù)不斷發(fā)展，逐步走向工程化，高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為高超聲速TBCC動(dòng)力的渦輪基的主要選擇重新到各方重視，成為TBCC組合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的重要方向。

國(guó)外特別是美國(guó)通過(guò)系列研究計(jì)劃，高速渦輪技術(shù)有了較大發(fā)展，針對(duì)組合動(dòng)力需求，新研的高速渦輪動(dòng)力朝著指標(biāo)提升，壽命明顯增加，維護(hù)需求降低的方向發(fā)展；從近些年發(fā)展情況看，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)和結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，研制技術(shù)難度相對(duì)較小，研制周期短，仍然是高超聲速TBCC動(dòng)力的渦輪基的主要選擇之一；隨著后續(xù)動(dòng)力技術(shù)的進(jìn)步，通過(guò)各種研究計(jì)劃支持，高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展，新型高性能高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將逐步加速，走向成熟。

二是最大工作馬赫數(shù)至少達(dá)到Ma3一級(jí)。

TBCC動(dòng)力的關(guān)鍵技術(shù)之一在于渦輪與沖壓需要有效協(xié)接，平穩(wěn)完成模態(tài)轉(zhuǎn)換。由于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在低馬赫數(shù)推力不足，而目前現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作馬赫數(shù)一般在Ma2左右，從而導(dǎo)致在渦輪與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍存在“速度裂縫”，要跨過(guò)該區(qū)域，在降低沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)馬赫數(shù)、提高性能的同時(shí)，更重要是擴(kuò)展渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線，發(fā)展高馬速渦輪基。研究結(jié)果表明，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)展工作范圍是關(guān)鍵，當(dāng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作馬赫數(shù)擴(kuò)展至Ma3或以上時(shí)，可有效解決TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的“速度裂縫”問(wèn)題。

從目前技術(shù)水平看，除了發(fā)動(dòng)機(jī)主體相關(guān)技術(shù)，針對(duì)高速條件下熱環(huán)境適應(yīng)性，還存在較大的技術(shù)短板，必須采用耐高溫設(shè)計(jì)，發(fā)展耐高溫燃油和滑油應(yīng)用技術(shù)，同時(shí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)外部附件及傳感器、控制元件等系統(tǒng)需進(jìn)行熱防護(hù)，并解決高溫狀態(tài)下密封、潤(rùn)滑和燃油結(jié)焦等問(wèn)題。

三是具備大推力、大單位迎面推力和高空高速性能。

研究結(jié)果表明，臨近空間高速飛機(jī)的有效載荷要遠(yuǎn)小于常規(guī)作戰(zhàn)飛機(jī)，因此，要保證作戰(zhàn)效能，飛機(jī)必須具備較大的起飛噸位，同時(shí)為兼顧寬速域工作，高速飛機(jī)的氣動(dòng)布局也必須做出部分犧牲，相對(duì)常規(guī)飛機(jī)升阻比下降，基于以上原因，作為TBCC動(dòng)力的核心渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)也必須采用大推力設(shè)計(jì)以滿足飛機(jī)需求；同時(shí)高速飛行條件下迎風(fēng)面積和有效推力對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)影響巨大，同時(shí)組合動(dòng)力一般通過(guò)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)巡航，渦輪基德主要作用是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的爬升和加速到?jīng)_壓可以穩(wěn)定工作速域，因此，要求高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)具有大的單位迎面推力和高空高速性能，從而提高推進(jìn)系統(tǒng)有效推力，增加飛機(jī)加速能力，因此，未來(lái)高速渦輪預(yù)計(jì)將采用渦噴/小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)或采取增推措施。

四是需同時(shí)兼顧高低速性能。

現(xiàn)階段要實(shí)現(xiàn)水平起降且工作到高超聲速，一般來(lái)說(shuō)并聯(lián)TBCC組合發(fā)動(dòng)機(jī)是最優(yōu)選擇，由于在低速條件下沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，造成發(fā)動(dòng)機(jī)迎面阻力大，推重比低，而高速飛機(jī)由于其寬速域工作的特點(diǎn)，低速性能較差，因此，在低速特別是跨音速上，采用組合動(dòng)力的高速飛機(jī)玩玩存在過(guò)載小、耗油多甚至推阻不平衡的問(wèn)題，可見(jiàn)，作為渦輪基使用時(shí)，高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的低速性能也不能被忽略。另一方面，在既定的技術(shù)水平下，提升低速性能，必然涉及提高壓比、降低節(jié)流比等性能提升措施，反過(guò)來(lái)降低了高空高速性能，而高速飛機(jī)在Ma2-3+階段，高速阻力大，同時(shí)渦輪性能下降，沖壓還未達(dá)到其最優(yōu)工作點(diǎn)，對(duì)推力提升的需求也非常迫切。

從國(guó)外已有的工程實(shí)踐看，一般是犧牲部分低速性能換取工作范圍擴(kuò)展，在此過(guò)程中，高低速性能都難以達(dá)到優(yōu)異，未來(lái)組合動(dòng)力中，由于跨音速、高空加速的需求，必然需要發(fā)展同時(shí)具備優(yōu)異高低速性能的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施

2.1 主要技術(shù)難點(diǎn)

現(xiàn)役的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)并不能滿足TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)渦輪基的需求，實(shí)現(xiàn)高馬赫數(shù)高性能工作，高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)主要包括一下幾點(diǎn)：

一是發(fā)動(dòng)機(jī)入口高溫提高帶來(lái)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)“熱障”問(wèn)題。高馬赫數(shù)條件下渦輪基入口溫度提升是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)“熱障”的源頭，如在Ma3時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)入口溫度超過(guò)600 K，遠(yuǎn)高于現(xiàn)役渦輪所能正常工作的許用溫度(400 K左右)。隨著進(jìn)口溫度提高，受到壓氣機(jī)構(gòu)件耐溫能力，和轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的限制，現(xiàn)有的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入“限轉(zhuǎn)”狀態(tài)，進(jìn)口流量快速下降，推力急劇降低，難以滿足飛機(jī)推力需求，如果繼續(xù)提升，部分材料可能直接進(jìn)入超溫使用狀態(tài)，不能正常工作，因此，現(xiàn)階段軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的最高工作馬赫數(shù)大多在Ma2左右。

二是高低空性能兼顧問(wèn)題。由于Ma2-3+范圍內(nèi)高速飛機(jī)往往希望快速加速通過(guò)，而此時(shí)沖壓難以提供推力或者推力不足，因此需要渦輪具有優(yōu)異高空高速性能，如果針對(duì)高空高速性能設(shè)計(jì)，一般會(huì)犧牲低速性能并帶來(lái)一系列新的技術(shù)問(wèn)題，而低速條件下特別是跨音速時(shí)對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)要求也非常高，又要求犧牲高速性能提升低速性能，如何解決高低速性能不能兼顧問(wèn)題，是未來(lái)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的核心。

三是高速條件下附件和系統(tǒng)的耐高溫問(wèn)題。高馬赫數(shù)帶來(lái)的機(jī)械、控制和空氣系統(tǒng)的高溫工作環(huán)境，超出了現(xiàn)有附件和系統(tǒng)的許用工作范圍，需要基于高熱安定性燃/滑油開(kāi)展耐高溫設(shè)計(jì)。

2.2 技術(shù)措施

針對(duì)高速渦輪的技術(shù)難點(diǎn)，主要的技術(shù)應(yīng)對(duì)措施如下：

采用低壓比設(shè)計(jì)。相對(duì)傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，適度降低總壓比，從而避免限溫限轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)包線，該措施在國(guó)外高速渦輪上已經(jīng)有了成功工程應(yīng)用，主要問(wèn)題是降低了低速性能和推重比。

發(fā)展耐高溫輕質(zhì)材料。通過(guò)材料進(jìn)步，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍擴(kuò)展并提升性能，主要問(wèn)題是難度大，新型材料從提出到工程應(yīng)用周期長(zhǎng)。

高流通技術(shù)。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)流道部件特別是風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加低轉(zhuǎn)速條件下發(fā)動(dòng)機(jī)流通能力，該技術(shù)可明顯提高高空高速性能，但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)能力提出了新的挑戰(zhàn)。

變循環(huán)技術(shù)。通過(guò)循環(huán)調(diào)節(jié)，在低速時(shí)采用高壓比小涵道比模式，高速時(shí)使用低壓比模式并增大涵道比，可有效解決高低速性能難以兼顧的問(wèn)題，是未來(lái)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要發(fā)展方向。

3 結(jié)語(yǔ)

高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為TBCC組合動(dòng)力的關(guān)鍵一環(huán)，日益受到各航空強(qiáng)國(guó)的重視并得到持續(xù)發(fā)展，最大工作馬赫數(shù)達(dá)到Ma3以上。具備高單位迎面推力和優(yōu)異高空高速性能，同時(shí)兼顧低速性能的大推力高速渦輪基是未來(lái)的發(fā)展方向。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，需通過(guò)低壓比設(shè)計(jì)、輕質(zhì)耐高溫耐力和變循環(huán)、高流通技術(shù)等聯(lián)合，研發(fā)出滿足高超飛機(jī)TBCC組合動(dòng)力需求的渦輪基。