通用的經濟可承受的先進渦輪發動機研究計劃的主要特點

梁春華

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 1 10015）

通用的經濟可承受的先進渦輪發動機研究計劃的主要特點

梁春華

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 1 10015）

通用的經濟可承受的先進渦輪發動機（VAATE）研究計劃是綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）研究計劃的后續國家級技術研究計劃，是為了滿足美國未來武器系統的更高要求而實施的。對這2個計劃的研究內容、應用范圍和管理方法進行了分析與歸納。結果表明：相對IHPTET研究計劃，VAATE研究計劃更追求經濟可承受性的提高、研究和應用的范圍的進一步擴展及自上而下（航空器→領域→部件）的方法的高效性。

VAATE研究計劃；IHPTET研究計劃；經濟可承受性；計劃管理；渦輪發動機

0 引言

21世紀美國武裝系統要求，未來的渦輪發動機必須既要提高性能（增大推力、降低耗油率、減輕質量、提高耐久性、降低噪聲與排放等），又要降低費用（降低研制、采辦、使用和保障費用等）。為此，在綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）研究計劃取得部分重要成果和成功經驗的基礎上，美國官產學機構于1999年開始籌劃、于2003年開始部分實施（2005年開始全面實施）其后續計劃——通用的經濟可承受的先進渦輪發動機（VAATE）研究計劃，開發、驗證和轉移革新的渦輪發動機技術，以使現役、在研和未來的各種軍、民2用發動機在經濟可承受性（采用推進能力與費用指數的比值表示）方面取得革命性的改進。

VAATE研究計劃是對IHPTET研究計劃的繼承和發展。繼承了IHPTET研究計劃的成功經驗，即：保持穩定且持續的投資；明確國防關鍵技術目標；制定附有里程碑的明確驗證目標；依靠政府、工業界和學術界的密切合作；采用漸進式分階段的方式不斷地進行技術開發、驗證和轉移；開發軍民2用技術等。對IHPTET研究計劃的研究目標進行了更全面和更長遠的拓展，研究與應用范圍進行了明顯的拓寬，組織結構進行了重組與優化，進而形成了一些鮮明特點，為VAATE研究計劃目標的實現提供了組織、資金和技術保證。

1 技術研究目標更宏大且更具挑戰性

VAATE研究計劃的目標是：2003～2017年，使現役、在研和未來的軍、民2用推進系統的經濟可承受性較基準推進系統（如F119發動機）的提高10倍；具體到大型渦扇/渦噴發動機的目標是：推重比增大200%，耗油率降低25%，費用降低60%（見表1）。而IHPTET研究計劃的目標是：1988～2005年，使航空發動機的能力提高1倍；以大推力級渦扇/渦噴發動機為例的具體目標（見表2）。也就是說，與后者相比，前者的目標已經不是只追求提高能力，而是調整為在追求提高能力的同時，同等地甚至更多地追求經濟可承受性和耐久性。因此，VAATE研究計劃的目標更加全面和宏大，也更加具有挑戰性。

表1 VAATE研究計劃的大推力級渦扇/渦噴發動機的具體目標

表2 IHPTET研究計劃的大推力級渦扇/渦噴發動機的具體目標和實現情況

2 應用范圍更寬廣，飛行器收益更明確

VAATE研究計劃在實施伊始即針對更加寬廣應用領域開發、驗證和轉移先進渦輪發動機技術。這些應用領域不僅包括軍用航空器，還包括民用航空器，甚至包括革新的飛行器、艦船和發電設備等。

2.1 軍用航空領域

VAATE研究計劃開發和驗證的先進渦輪發動機技術，不僅面向傳統航空武器系統，如全球攻擊機、先進隱身作戰飛機、先進運輸機、垂直/短距起降（V/STOL）飛機等，還面向長航程、高馬赫數和長耐久性的非傳統飛行器，如無人戰斗機、高馬赫數巡航飛機、低費用空間飛行器等；不僅面向未來的各類飛行器，還面向現役、在研的飛行器。這些技術給飛行器帶來的好處可能包括：航程延長、后勤保障規模減小、戰備完好率提高、噪聲與污染排放降低、隱身性提高、高速續航能力提高等。VAATE研究計劃對現役和未來軍用飛行器帶來的預期收益見表3。

表3 VAATE研究計劃給現役和未來飛行器帶來的預期收益

2.2 民用航空領域

VAATE研究計劃所有3個關鍵領域開發和驗證的發動機技術，也將直接且廣泛地應用在民用飛行器上。在多用途核心機領域開發的技術，將使軍、民用飛行器保持更大的通用性，進而通過數量效益來降低費用。在智能發動機領域開發的故障預診和健康維護技術和在耐久性領域開發的很多技術，將直接惠及所有的民用飛行器。在耐久性領域開發的使軍用發動機質量減輕、維修時間縮短和零件數量減少的技術，也可以直接用于民用航空產品上；開發的先進發動機熱管理技術，可以直接用于優化民用發動機熱力循環和改善其燃燒特性，以全面地降低其燃料費用和污染排放。

2.3 革命性的航空運輸領域和太空產品

VAATE研究計劃還將惠及新型和革命性的航空運輸領域和太空產品。VAATE研究計劃開發和驗證的技術，可以用于發展更高單位功率的渦輪發動機，以滿足超聲速民用飛行器和城市間垂直起落的固定翼飛機的要求；也可以為比NASA X-43計劃更先進的可重復使用高超聲速飛行器和經濟可承受的民用太空飛行器的研制提供必不可少的技術基礎。

2.4 非航空領域

VAATE研究計劃也將惠及火箭、艦船動力、地面運輸等其他非航空領域的產品。該計劃開發和驗證的渦輪和壓氣機技術，可以應用在以葉輪機為基礎的火箭燃料泵與噴氣發動機上，也可移植到傳統的和組合循環火箭發動機上。該計劃開發和驗證的燃燒室技術，可以引入艦船、發電、機械驅動等領域燃氣輪機低排放燃燒室設計中。其開發和驗證的各種制造工藝、分析性設計工具、智能發動機控制系統和耐久的高溫材料，可以引入各種用途的渦輪發動機產品中。

3 組織結構適應大的研究范圍和高的綜合目標

VAATE研究計劃的組織結構充分借鑒了使IHPTET研究計劃取得巨大成功的一些經驗和特性。其中包括：由政府、學術界和工業界進行大合作；由政府部門和工業界高層領導組成的指導委員會進行監督和指導；利用聯合技術驗證機研究計劃，對先進發動機方案、設計工具、性能、壽命和費用等方面的改進設計進行驗證。同時，為了適應研究與應用范圍的擴展和研究目標的提高，在IHPTET研究計劃組織結構的基礎上，對VAATE研究計劃的組織結構的參研單位和技術工作組織方面進行了調整和優化，分別如圖1、2所示。

與IHPTET研究計劃采用自下而上（部件→整機）的方法不同，VAATE研究計劃采用自上而下 （航空器→領域→部件）的方法組織技術開發和驗證工作，通過強調高性能和低費用來保證實現10倍經濟可承受性的目標。為此，VAATE研究計劃的參研單位，除保留IHPTET研究計劃中的5個軍政部門（陸軍、空軍、海軍、美國國防部預研局（DARPA）和美國航空航天管理局（NASA））和6家工業部門（GE公司、霍尼韋爾（Honeywell）公司、PW公司、AADC公司、威廉姆斯（Williams）公司和特里達因（Teledyne）大陸發動機公司）以外，新增加了2個政府部門（國防部辦公室（0SD）和能源部（DOE））和3家飛機及系統制造商（波音（Boeing）公司、洛克希德·馬丁（Lockheed Martin） 公司） 和諾斯羅普·格魯門（Northrop Grumman）公司）。這樣，VAATE研究計劃的參研單位不僅包括軍用部門和渦輪發動機公司，還包括政府部門和飛機機體制造商，構成了1個龐大的一體化團隊或“大集團”，可以在國家層面制定渦輪發動機研制戰略，也可以在參與研究的機構中融資，為推進系統和艦船/發電燃氣輪機的技術開發和驗證提供強有力的組織和經費保障。

與IHPTET研究計劃的相比，VAATE研究計劃的技術工作組織變化較大，將部件技術組（包括風扇/壓氣機、燃燒室、渦輪、排氣系統、控制系統、機械系統和驗證機）改為重點領域組，改組了共用技術組，增加了技術應用組。重點領域組設立通用核心機、智能發動機和耐久性3個小組。共用技術組去掉了計算流體力學、結構和降低費用3個小組，保留了IHPTET研究計劃的材料小組，新設立建模與模擬、污染與噪聲、制造技術和高效技術4個小組。其中，前4個小組為研究計劃的重點技術支持小組；高效技術小組的任務是把政府內部機構和工業部門的試驗設備組織起來，開展發動機主要零部件的研究和試驗，并將驗證的研究成果移植到新研制發動機上，起到架起研究與技術開發的橋梁、降低采購費用、提高經濟可承受性的作用。技術應用組下設無人機應用、現行宇航應用、非宇航應用和在役機種應用4個小組，目的是直接與用戶聯系，迅速而合理地將所取得的研究成果移植到現役、在研和未來的各種武器系統中。

4 制定更具體且實際的技術實施措施

VAATE研究計劃目標的實現途徑是：通過開發、驗證和轉移革新、低費用和通用的發動機技術，使發動機的綜合能力提高和總費用降低。

4.1 開發和驗證革新的發動機部件和技術

在VAATE研究計劃下，將為現役、在研和未來的發動機開發和驗證革新的發動機部件和技術（如圖1所示），以使發動機的推重比提高和耗油率降低，進而使其經濟可承受性提高。這些技術和（或）部件主要包括先進的流量可控進口、允許畸變的輕質風扇、多用途大流量的壓氣機、緊湊高效的低排放燃燒室、高效全壽命長時間熱態工作的渦輪、一體化的渦輪后框架與加力燃燒室、耐久的推力矢量噴管、模型基非線性自適應控制系統、一體化的健康管理系統、綜合的熱管理系統、耐久的損傷容限設計技術、內部起動機/發電機、先進的燃油添加劑/熱穩定高熱沉燃料技術等。

4.2 開發和驗證先進的低費用技術和措施

在VAATE研究計劃下，主要在研制、生產和維護3個方面開發、驗證和應用先進的低費用技術，以提高發動機的經濟可承受性。在研制方面，主要通過采用虛擬設計與試驗、使技術快速成熟、較早進行發動機/飛機一體化、讓分研制商分擔研制費用等技術和措施降低費用；在生產方面，主要通過采用多系統硬件、先進加工技術、低費用部件、革新的裝配技術和減少部件數等技術和措施降低費用；在維護方面，主要通過采用無維護設計與損傷容限設計、減少計劃外拆卸率、實施發動機健康管理、提高熱態工作能力、延長壽命、采用可修理的部件和改善檢查方法等技術和措施降低費用。

4.3 開發和驗證通用性技術

在VAATE研究計劃下，通用核心機、智能發動機和耐久性3個關鍵領域工作組共同為超聲速多用途戰斗機、未來的旋翼機、長航程攻擊機、超聲速導彈、無人機、全球到達運輸機和艦船燃氣輪機開發和驗證通用性技術，以提高發動機的經濟可承受性。

通用核心機工作組，通過采用先進材料、氣動設計技術和革新的結構，開發和驗證高壓比高壓壓氣機、均勻混合且燃燒的高性能燃燒室、高效渦輪、先進的機械系統和先進的燃油系統，進而研制通用核心機，再進一步發展更高性能、更高耐久性和更低費用的軍民2用發動機驗證機，直到研制出各種用途的渦輪發動機，以滿足從戰斗機、運輸機到導彈和無人機的多種飛行器的創新與發展要求，進而使發動機用戶采購費用降低和經濟承受性提高。

智能發動機工作組，開發、驗證和轉移先進空氣動力學、先進材料、革新結構、主動控制、發動機健康管理、飛機與發動機一體化、進口與噴口一體化等技術，以使現役、在研和未來的有人和無人飛行器發動機的性能/可靠性/生存能力提高、壽命延長，進而使其經濟可承受性提高。

耐久性工作組，提前開發結構分析、低費用壽命估算、熱端部件氣動熱力評估、材料、涂層、加工與修理、無損探傷、測試等先進技術，使發動機的零部件避免損傷，壽命延長，可靠性與維修性提高，費用降低，使其壽命延長和維護費用降低，進而使其經濟可承受性大大提高。

4.4 應用實例

通過這3個關鍵領域工作組的工作，實現VAATE研究計劃降低維護費用60%分目標的實例見表4。

表4 VAATE研究計劃降低維護費用60%分目標的實例

5 結束語

綜上所述，VAATE研究計劃相對IHPTET研究計劃具有以下特點：

（1）研究目標更宏偉。VAATE研究計劃不再是只追求提高能力，而是在追求提高能力的同時，同等地或更多地追求經濟可承受性和耐久性；不只是追求發動機本身能力的提高，而是追求整個飛行器推進系統性能的提高。

（2）研究和應用范圍更寬泛。其技術研究和應用的范圍不僅包括軍用航空領域，還包括民用航空領域，也包括新型/革命性的航空運輸和太空產品領域，甚至包括火箭、艦船動力、發電和地面運輸等其他非航空領域。將部件技術組改為重點領域組，改組了共用技術組，增加了技術應用組。

（3）組織機構更加全面且有效。不再采用IHPTET研究計劃的自下而上（部件→整機）的方法，而是采用自上而下（航空器→領域→部件）的方法組織技術開發和驗證工作；不但包括了IHPTET研究計劃中的所有機構，而且增加了政府的民用部門和飛機機體制造商。

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Key Features of Versatile Affordable Advanced Turbine Engine Program

LIANG Chun-hua
（AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China）

The Versatile Affordable Advanced Turbine Engine（VAATE）program was a succeeding national program of the Integrated High Performance Turbine Engine Technology （IHPTET）program,was created to meet the more stringent and strong needs of future weapon system.The study content,application and management method were analyzed and generalized.The results show that compare to IHPTET program,the VAATE program has the more challenge and great affordability goals,the more extensive research and application extent,the more efficient organization management of from top to down.

VAATE program;IHPTET program;affordability;program management;turbine engine

梁春華（1968），男，工程碩士，自然科學研究員，從事航空發動機情報研究工作。