■ 盧娟 張翠珍 袁善虎 牟園偉 陳健 劉鋒 王奉明/ 中國(guó)航發(fā)研究院

質(zhì)量是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展永恒的主題,貫穿于發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期，而在設(shè)計(jì)階段尤為重要。通過(guò)簡(jiǎn)化變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式，采用全新的高推力、低油耗、變循環(huán)、高質(zhì)量的多模態(tài)推進(jìn)系統(tǒng)方案，可提升未來(lái)先進(jìn)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量可靠性，支持未來(lái)飛機(jī)“短時(shí)加速?zèng)_刺、長(zhǎng)時(shí)閑庭信步”。

從提升裝備作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)質(zhì)量角度出發(fā)，未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)一方面需要具備遠(yuǎn)航久航的能力，才能飛得更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)將拒止區(qū)外延；另一方面需要具有超聲速巡航能力，才能飛得更快，在遇敵情時(shí)能快速抵達(dá)及敏捷機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)；與此同時(shí)還需要具備大功率提取能力，以支撐機(jī)載高能武器的能量需求。戰(zhàn)斗機(jī)上述能力的實(shí)現(xiàn)，需要推進(jìn)系統(tǒng)朝提高高速飛行推力、降低低速巡航耗油率、同時(shí)具備寬飛行包線穩(wěn)定工作能力的技術(shù)方向發(fā)展。而對(duì)于固定幾何形狀的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，高推力與低油耗通常是一對(duì)設(shè)計(jì)矛盾，無(wú)法同時(shí)兼顧，正是在這樣的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)推動(dòng)下，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展具有非常重要的意義，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)智能化發(fā)展起到了推進(jìn)作用。

項(xiàng)目研究

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上，通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，實(shí)現(xiàn)不同的熱力循環(huán)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)飛行過(guò)程中兼顧不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)最大潛能。目前變循環(huán)主流技術(shù)方案大多采用多涵道調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的改變，但與此同時(shí)，由于引入眾多調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)難度大且可靠性難以保證，并且附加的系統(tǒng)質(zhì)量使性能收益大打折扣，這也正是美國(guó)F-22 戰(zhàn)斗機(jī)在動(dòng)力選型中選擇了固定循環(huán)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)，而放棄變循環(huán)的F120 發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要考量因素。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)面向未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求，立足簡(jiǎn)化變循環(huán)結(jié)構(gòu)形式，開展了面向質(zhì)量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新研究，提出了一種兼顧高推力與低油耗的高質(zhì)量、變循環(huán)多模態(tài)推進(jìn)系統(tǒng)。

方案提出

針對(duì)傳統(tǒng)構(gòu)型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝推力部分區(qū)域損失較大(局部區(qū)域高達(dá)20%～30%)，而三涵道自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)又過(guò)于復(fù)雜且工程可實(shí)現(xiàn)性差的問(wèn)題，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出如下思路：一是將視角從單純發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)展到整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)，力求實(shí)現(xiàn)較低的全速域安裝損失；二是使發(fā)動(dòng)機(jī)工作模態(tài)更加豐富化，高速飛行時(shí)以大推力模態(tài)工作，低速飛行以低油耗模態(tài)工作，力求降低全域飛行耗油率；三是在滿足性能、功能的同時(shí)使結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)化，力求收益付出比最大。

由發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理可知，壓比變化是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)變循環(huán)功能的重要基礎(chǔ)。本方案打破傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)都是靜子可調(diào)的調(diào)節(jié)方式，提出采用轉(zhuǎn)子葉片可調(diào)的設(shè)計(jì)思路，如圖1所示意，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇壓比調(diào)節(jié)范圍可達(dá)（1.0～1.4）∶1。

圖1 轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意[1]

通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片角度的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓比改變。但與此同時(shí)，由于壓比變化改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的抽吸能力，導(dǎo)致流量最佳匹配關(guān)系被破壞，帶來(lái)溢流損失。為此，通過(guò)設(shè)置溢流減阻通道，采用進(jìn)氣錐、前后流量調(diào)節(jié)閥、可調(diào)幾何部件等聯(lián)合調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道與主機(jī)流量智能匹配控制，解決了溢流問(wèn)題，降低了全包線安裝推力損失，實(shí)現(xiàn)了寬速域高效推進(jìn)。根據(jù)飛行狀態(tài)不同，通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片角度調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)總壓比在（1.0～1.4）∶1、涵道比在地面（0.2～0.9）∶1、在空中（0.6～1.3）∶1范圍內(nèi)可調(diào)，兼顧了高速大推力與低速低油耗兩種工作模態(tài)。

創(chuàng)新效能

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以轉(zhuǎn)子葉片可調(diào)為核心創(chuàng)新點(diǎn)，通過(guò)智能感知作戰(zhàn)任務(wù)需求的控制算法與匹配規(guī)律，將發(fā)動(dòng)機(jī)巡航省油工作模態(tài)與機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)大推力工作模態(tài)耦合，同時(shí)采用進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)流量智能匹配與調(diào)節(jié)技術(shù)控制安裝推力損失，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高效提供匹配作戰(zhàn)任務(wù)的最佳推力和油耗，將高效工作區(qū)間進(jìn)行大幅度拓展，如圖2所示。

圖2 高效工作區(qū)間拓展示意

本項(xiàng)目提出的大推力與低油耗工作模態(tài)“合體”的新構(gòu)型，可支持未來(lái)飛機(jī)“短時(shí)加速?zèng)_刺、長(zhǎng)時(shí)閑庭信步”作戰(zhàn)效能的實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)主要有兩個(gè)：一是采用轉(zhuǎn)子葉片可調(diào)實(shí)現(xiàn)了壓比可變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多工作模態(tài)智能耦合，兼顧機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)大推力、待戰(zhàn)巡航低油耗；二是提出了最佳有效推力智能尋優(yōu)策略，采用進(jìn)氣道流量與主機(jī)流量聯(lián)合調(diào)節(jié)，避免溢流，實(shí)現(xiàn)了寬域飛行低安裝推力損失。

對(duì)比美國(guó)的三涵道自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，團(tuán)隊(duì)提出的新構(gòu)型多模態(tài)推進(jìn)系統(tǒng)在功能上與其相當(dāng)，涵道比實(shí)現(xiàn)了大范圍可變，全域耗油率降低了12%，有效地提升了發(fā)動(dòng)機(jī)工作品質(zhì)。此外，在構(gòu)型上也具有明顯優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，發(fā)動(dòng)機(jī)固有可靠性得到提高，本方案的具體構(gòu)型優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為：一是省去第三涵道，徑向尺寸更為緊湊；二是采用進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)化了控制邏輯與作動(dòng)機(jī)構(gòu)；三是幾何調(diào)節(jié)變量較美國(guó)三涵道方案由11個(gè)減少為7個(gè)，變量數(shù)降低36%；四是省去核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，核心機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；五是省去涵道風(fēng)扇，避免了封嚴(yán)等問(wèn)題。

目前，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)先后開展了概念探索、總體匹配及部分關(guān)鍵技術(shù)研究，積累了一定研究基礎(chǔ)，但總體而言技術(shù)成熟度偏低。為助推創(chuàng)新概念落地，進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)成熟度提升，后續(xù)擬選取成熟的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為驗(yàn)證平臺(tái)，開展原理技術(shù)驗(yàn)證方案研究及對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行功能演示驗(yàn)證，為后續(xù)開展驗(yàn)證機(jī)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

結(jié)束語(yǔ)

高推重比、多用途、經(jīng)濟(jì)適用性是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，大力發(fā)展變循環(huán)/自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是應(yīng)對(duì)未來(lái)航空動(dòng)力發(fā)展需求的必由之路。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提出的新型高效多模態(tài)推進(jìn)系統(tǒng)，在兼顧提升飛機(jī)遠(yuǎn)航久航、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力的同時(shí)，可降低全域安裝推力損失及耗油率，屬“原創(chuàng)類”概念，相關(guān)創(chuàng)新研究促進(jìn)了航空動(dòng)力自主創(chuàng)新發(fā)展，為未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展貢獻(xiàn)出中國(guó)智慧提供了一種中國(guó)方案。