變循環(huán)航空發(fā)動機需求與背景

在未來陸、海、空、天、電多維力量和多維戰(zhàn)場的信息化戰(zhàn)爭中，配裝先進動力系統(tǒng)的航空武器裝備是一個重要環(huán)節(jié)，是奪取制空權和決定戰(zhàn)爭勝負的決定性因素之一。傳統(tǒng)航空渦輪發(fā)動機的熱力循環(huán)特性是固定不變的，一種發(fā)動機只能在一種模式下工作，并且僅在有限的飛行范圍內具有最好的性能。

航空發(fā)動機基本原理都是將燃油的能量轉化為發(fā)動機的推力，而后在推動飛機前進的過程中使飛機和空氣互相作用產生向上的升力將飛機拉起。從發(fā)動機出現(xiàn)至今，共有螺旋槳發(fā)動機、渦扇發(fā)動機、渦輪發(fā)動機、沖壓發(fā)動機四種形態(tài)，這四種發(fā)動機各有特點，其中渦槳發(fā)動機依靠螺旋槳風扇的推力做功推動飛機前進，其飛行效率高，最省油，航程大，但推力卻較小。渦噴發(fā)動機依靠向噴管外噴射氣流做功，可以達到很大的推力，但卻非常耗油。

渦扇發(fā)動機則是將二者結合起來，設置內外兩個涵道，使得一部分推力來自于渦扇，一部分推力來自于噴口，這樣就取得一個適中的性能，成就了其在音速邊界范圍內的機動性。但總的來說，為了應付空戰(zhàn)需求，發(fā)動機需要推力更大些以完成高機動動作，為了進行更遠程的打擊，就需要發(fā)動機更省油，這兩個矛盾的要求一直困擾著科學家。

從飛機的發(fā)展來看，因為現(xiàn)代戰(zhàn)機的機載設備量急劇攀升，因此重量較以前大大增加，但發(fā)動機卻只能在推力和航程中取折中，這就導致了現(xiàn)代飛機作戰(zhàn)航程甚至比不上二戰(zhàn)很多主戰(zhàn)飛機。為了彌補這個差距，就需要進行變循環(huán)設計，讓飛機在能夠不同時刻工作在不同的狀態(tài)。

變循環(huán)發(fā)動機是一種多設計點發(fā)動機，通過改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調節(jié)其熱力循環(huán)參數(shù)（如增壓比、渦輪進口溫度、空氣流量和涵道比），改變發(fā)動機循環(huán)工作模式（高推力或低油耗）使發(fā)動機在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態(tài)。與此同時，變循環(huán)發(fā)動機能以多種模式（包括渦輪模式、渦輪風扇模式和沖壓模式等）工作，因而在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速飛行狀態(tài)下都具有良好的性能，在渦噴/渦扇發(fā)動機領域，變循環(huán)發(fā)動機研究的重點是改變涵道比，如發(fā)動機在爬升、加速和超聲速飛行時涵道比減小，接近渦噴發(fā)動機的性能，以增大推力；在起飛和亞聲速飛行時，加大涵道比，以渦扇發(fā)動機狀態(tài)工作，降低耗油率和噪聲。

變循環(huán)發(fā)動機概念的提出可以追溯到20世紀60年代，隨著渦輪風扇發(fā)動機的問世，它優(yōu)越的亞音速性能，高的推進效率，使得發(fā)動機設計師不斷地追求更大涵道比的發(fā)動機。在超音速飛行狀態(tài)，由于大涵道比的渦扇發(fā)動機耗油率明顯高于等推力級的小涵道比渦扇發(fā)動機，因此限制了超音速飛機發(fā)動機涵道比的進一步增加，為了使航空發(fā)動機在亞音速和超音速狀態(tài)下都具有較好的性能，國外航空發(fā)動機科學家提出了變幾何和變循環(huán)發(fā)動機思想。

變循環(huán)發(fā)動機的優(yōu)點就是在寬廣的飛行包線內，都能保持很好的效率和較低的耗油率，可以看作將亞音速性能很好的大涵道比渦扇與超音速性能很好的小涵道比渦扇、渦噴取各自優(yōu)點，結合成一臺發(fā)動機。實踐證明，變循環(huán)發(fā)動機技術以其內在的性能優(yōu)勢，能夠滿足強大的軍事需求，并顯示出巨大的應用發(fā)展?jié)摿?，已經受到各航空強國的重視、是航空動力主流的研究方向?

特別是在先進戰(zhàn)斗機研究方面，自20世紀60年代以來，戰(zhàn)斗機一方面朝著多用途方向發(fā)展；另一方面，飛機的飛行包線不斷擴大，特別是在20世紀80年代后，人們更加重視飛機機體/推進系統(tǒng)一體化設計，由于變循環(huán)發(fā)動機在滿足上述指標方面的優(yōu)勢尤為明顯，于是，對軍用戰(zhàn)斗機的變循環(huán)發(fā)動機研究逐步開展起來。國外最早的變循環(huán)發(fā)動機是美國20世紀60年代初在SR-71“黑鳥”上使用的J58發(fā)動機，該發(fā)動機可在渦噴發(fā)動機模式和沖壓發(fā)動機模式之間轉換。

迄今，變循環(huán)發(fā)動機技術已有50年的探索研究與發(fā)展歷程。國外各大航空發(fā)動機公司，如英國的羅·羅公司，法國的SNECMA公司、日本的工業(yè)科學與技術研究所和美國的GE公司等，均在不斷地進行變循環(huán)發(fā)動機概念設計和方案設計研究，并進行試驗驗證。

飛機發(fā)動機技術提升的核心在于——如何提高燃油使用效率。噴氣式飛機原理是將空氣吸入發(fā)動機后和燃油混合加熱，而后高溫高壓氣體向后噴出，按照牛頓第三定律，飛機就可以獲得一個反推力。但這個高溫高壓氣體本身就擁有很大的能量，也就是說，這些能量被白白浪費掉了，但有時候為了機動性則不得不這樣做，以往的飛機，往往是渦噴就只能是渦噴模式工作，是渦扇就只能渦扇模式工作。而在飛機航行的整個過程中，往往有很多路程是不需要使用這種高油耗率的工作方式的。而在靠近戰(zhàn)場時，為了接敵，則需要高速機動，為了機動空戰(zhàn)則需要跨音速飛行模式。于是變循環(huán)發(fā)動機就是把這三種模式結合起來，合理規(guī)劃，達到了最佳的使用效果。

發(fā)動機一般從前往后結構以此為進氣道——壓氣機——燃燒室——渦輪——噴口。對應的過程是空氣吸入——空氣壓縮增壓——空氣混合燃燒——帶動渦輪旋轉——尾部噴出做功。變循環(huán)發(fā)動機則采用渦輪風扇體制，將氣流分在三個涵道，但這三個涵道可以變換大小口徑，通過組合搭配成就最佳的工作模式，在需要經濟巡航時，2個調節(jié)板向下調節(jié)，擋住通過燃燒室的氣流，使發(fā)動機工作在螺旋槳模式，當需要進行跨音速機動時，調節(jié)板1向下，而向上，組成一個渦扇發(fā)動機。當要進行超音速巡航時，調節(jié)板1、2均向上偏，使其成為一臺渦噴發(fā)動機。假如發(fā)動機使用了任務規(guī)劃體制，還可以根據(jù)不同的任務使用電腦規(guī)劃發(fā)動機的作用方式達到最佳作戰(zhàn)效能。

這個措施看起來簡單，但在工程上實現(xiàn)起來是十分難的，發(fā)動機工作在高溫高壓和極高轉速的情況下，最好不要有任何的結構變換，否則會帶來發(fā)動機部件的損傷導致發(fā)動機出現(xiàn)安全問題，擋板的偏移也會帶來氣流的瞬時畸變，導致發(fā)動機工作不穩(wěn)定甚至停車。根據(jù)研制該技術的GE公司官網宣傳資料，使用這一技術后，在同等燃油的情況下飛機的滯空時間可以提高50%，航程增加33%，減少25%的燃油消耗率，達到60%的燃油熱吸收率。

變循環(huán)發(fā)動機技術是一項綜合性較強的技術，與傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機相比技術跨度很大，主要表現(xiàn)為調節(jié)參數(shù)增加，控制規(guī)律更加復雜，對發(fā)動機可靠性、維修性也帶來了挑戰(zhàn)。由于增加了核心機驅動風扇，傳力路徑和整機布局也與傳統(tǒng)發(fā)動機有很大不同，同時，對變循環(huán)的熱力循環(huán)機理本身尚存在認識上的欠缺，因此，要使變循環(huán)發(fā)動機成為現(xiàn)實，需突破總體性能、總體結構、控制系統(tǒng)和機構等一系列關鍵技術，如變循環(huán)發(fā)動機性能仿真、核心機驅功的風扇級CDFS設計、高效可控渦輪導向器、面積可調涵道導向器、低污染燃燒室、離性能低污染外涵加力燃燒室、反速度場同心環(huán)噴管、自適應控制技術、單級高負荷跨音速高壓渦輪和雙級無導葉對轉低壓渦輪等。 2100433B

1. 隨時間作周期性變化，而變化幅度保持常數(shù)的變應力，如氣門彈簧上的應力，稱為穩(wěn)定性循環(huán)變應力(圖1a)。

2. 若變化幅度也是按一定規(guī)律周期性變化，則稱為不穩(wěn)定循環(huán)變應力(圖1b)。

3. 變應力不呈周期性變化，而帶有偶然性，如汽車的懸架彈簧上受的應力，稱為隨機變應力(圖1c)。瞬時過載或沖擊產生的應力，如緩沖器彈簧所受的應力稱為尖峰應力(圖1c)。