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国防大学专家:世界第六代战机发动机已经发动  

2012-11-16 16:53:34|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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据美国《航宇日报》11月2日报道,美国通用电气和普惠公司获得了价值超过6.8亿美元的演示验证变循环战斗机发动机合同。美国空军希望这两家公司继续完善“自适应发动机技术开发”项目,通过大幅度提高发动机的燃烧效率、大幅度增加发动机推力和飞机航程,生产出第六代作战飞机所需的发动机。

正当人们惊叹第四代、第五代飞机及其发动机的卓越性能时,美国第六代发动机即将面世。

 

第六代发动机对于全面提升飞机性能具有里程碑意义

 

长期以来,美国坚信先进武器装备是战争胜负的“决定性”因素,因而十分注重先进军事技术的研发。近年来, 由于俄罗斯等国大力开发第五代战机和先进防空系统,美军预测,到本世纪20年代中期,美国将会失去对俄罗斯的空战优势。

出于这种考虑,美国军方下定决心:停止第五代战机F-22的生产,把资金用于第六代战机的研制。目的是使自己始终处于航空技术的最前沿,保持对潜在敌人的飞机代差,确保美国的空中优势地位。

F-22战机初期概念性研究始于上世纪80年代初,美国将这些概念变成行动能力用了20多年。这一历史经验使其认识到:只有及早动手,才能拥有对潜在对手的绝对军事优势,让对手不敢对美国发动战争。为此,美国需要另外一个20年来研制第六代战机,并力争使其在2028~2032年服役。

航空发动机是飞机的心脏。发展第六代战斗机,迫切需要相应的发动机。为此,美军早在2006年就开始了第六代发动机的论证工作。根据美国空军研究实验室的研制计划,第六代发动机共分两个阶段进行技术研发。

第一阶段开发“自适应通用发动机技术”(ADVENT)项目。由罗尔斯·罗伊斯公司和通用电气公司承担,共耗资5.24亿美元,目的是演示第六代战斗机的动力装置技术,该技术的主要用途是为下一代亚声速轰炸机提供动力。

这个项目分两步进行:第一步,在2007~2008年,进行为期一年的概念探索研究,初步设计出发动机并进行关键部件试验;第二步,从2009年9月开始,进行为期3年的研制。要在风扇、压气机和涡轮等核心部件上取得重大突破。

目前,第一阶段的项目任务已基本完成,通用电气公司已经完成自适应风扇技术的演示实验工作,并进行了首台核心机的测试,发动机的核心机已实现变流量工作,并进行了技术验证,2013年还将进行整机试车。

       第二阶段是“自适应发动机技术开发”(AETD)项目。由通用电气公司和普惠公司承担,重点是为超声速战斗机提供动力。该项目从2013年开始,为期4年,计划2015年前进行环形燃烧室和高压压气机装置试验,2016年进行自适应风扇和核心机验证机试验,并完成地面演示验证,2017年进行整机地面试验。

       美军认为,这两个项目对于保持美国在发动机技术领域的优势地位十分重要,其意义如同由涡轮喷气发动机到涡轮风扇发动机的进步,对于全面提升飞机的性能具有里程碑意义。

 

       “三流道”技术实现原理突破

 

       从原理上讲,一台好的航空涡轮发动机,其性能主要取决于两大方面:大压比和高温度。增大压比可提高压缩机的压力,使压缩机进来的气体产生很高的压力。提高温度就是提高涡轮前温度,使燃烧室里温度增高。从当今航空发动机的情况看,如果没有发动机原理方面的重大突破,这两个指标再向上提的空间都不大。

       美国预研的第六代发动机有多种不同的类型,比较典型的有两种:一种是以通用电气公司为代表的新一代发动机。这类发动机运用了自适应通用发动机技术等新的技术方案和原理。

       另一种是以普惠公司为代表的改进型发动机,这类发动机是在已有发动机的基础上改进而成的。例如,普惠公司研制的PW9000第六代发动机,就是在F135和“静洁动力”PW1000齿轮传动发动机基础上发展而来的。

       但无论是哪种类型的发动机,都运用了变循环发动机的自适应风扇技术等关键技术,并且都研制了全新的高压核心机。

       第六代发动机在技术原理上最重大的突破就是“三流道”技术。该技术全称是:变前端可旁通“三流道”架构技术。传统涡扇发动机拥有核心机和涵道两种气流形式,第六代发动机则有了第三个外流道。

       该外流道的第三股气流由自适应风扇产生,关闭外流道,可提升起飞和超声速阶段的推力;打开外流道,则能降低巡航和留空时的燃油消耗率。

       此外,有了外流道,可极大改进发动机的热管理及进气道压力恢复能力,减小发动机内的气流阻力,提高气动效率,从而减小安装阻力,增大发动机的功率,这不仅能使飞机达到6马赫的高速度,还可为飞机提供额外的冷却空气。

 

       五大特点展现第六代发动机美好前景

 

       第六代发动机是比目前发动机更优越的新一代喷气式发动机,与前五代发动机相比,第六代发动机将呈现出以下五大突出特点:

       一是耗油少、效率高。第六代发动机具有更优的结构、更高的进气流量,能够实现更低的燃油消耗。其燃烧效率比目前最新的第五代发动机(F-35战斗机配装的F135发动机)提高25%,因此耗油率比第五代战机降低25%

       耗油率的降低,可大大增加飞机的续航时间、待机时间,它可使亚音速飞机航程增加30%,待机时间增加70%;使超音速飞机航程增加40%,待机时间增加80%。

       由于使用变循环发动机技术,当飞机亚音速巡航时采用高旁路涡扇模式,超音速巡航时则采用涡喷模式,从而拓宽了发动机的工作范围,提高了不同飞行状态下发动机的工作效率,使第六代飞机既能亚声速巡航飞行,又能进行3~6马赫的超声速巡航飞行

       二是推力大、重量轻。与第五代发动机相比,第六代发动机的功率得到大幅度提高,其中间推力(无加力推力)将增大5%,最大推力增大10%工作航程提高30%。它可进一步提高飞机的飞行速度和高速冲刺能力,使第六代飞机在不开加力的条件下保持超音速巡航飞行,并缩短了飞机起降距离。

       第六代发动机中,新材料的贡献率将达到50%以上。“材料先行”已成为航空发动机研制的客观规律,第六代发动机将采取新材料技术,综合运用单晶材料、热强钛合金、热强镍合金、耐火合金材料、特种合金材料、抗腐蚀保护层等大量新材料,使发动机的重量大大减轻,其推重比可达到15~20,而目前最先进飞机的推重比仅为10

三是兼容性强、成本低。第六代发动机采用自适应通用发动机技术和高效嵌入式涡轮发动机技术,利用一种核心发动机或基准发动机可衍生出系列发动机,以满足不同任务飞机的需求,因而扩大了发动机的适用范围,使之具有良好的兼容性。

按照美军设想,第六代发动机能够满足未来全谱系空中平台能力的需要,既可装配在空军第六代飞机上,也可装配在海军F/A-XX第六代超音速战斗机上,还可以供无人轰炸机使用。而且,第五代F-35、F-22等战机只需经过稍许改装就能换装第六代发动机。

由于通用性强,第六代发动机的经济可承受性将大大改善,其研发成本和装备价格将大大降低,性价比也随之提高。据美军预测,第六代发动机的性价比将是2000年基准发动机的10倍。

四是零件少、用途多。当今航空发动机的内部极其复杂。叶片、管路、各种零件几乎贴在一起,使发动机易出故障且维修困难。第六代发动机应用了变循环发动机、自适应发动机等新技术、新原理,能够充分利用冲压效果,使发动机零件减少70%,可大大降低发动机的安装阻力,提高发动机的可靠性和维修性。

第六代发动机除用于提供动力外,还可用于飞机的方向控制。以战斗机的垂尾为例,垂尾是保证飞行和起降时飞机方向安定与方向操纵的重要部件,但垂直竖立的巨型垂尾是隐身的噩梦。

第六代发动机利用发动机的推力矢量、气动控制面和压气机引气方式等实现飞机的方向控制,使第六代飞机成为没有垂尾的战斗机。加之发动机的排放温度低,不仅提高了飞机的可靠性,还提高了飞机的隐身性能,使第六代飞机具有低可探测性的特点。

五是寿命长、对飞行环境要求低。第六代自适应发动机具有内在可变特性,能够根据不同的飞行环境调节涵道比和压比,优化发动机工作,提高其性能,因此,能使飞机适应多种不同环境下飞行的需要。对环境适应能力的增强可相应增加发动机的使用寿命,为此,美军第六代发动机的设计寿命比第五代飞机增加1/2~2/3。

(作者单位:国防大学)

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