變循環發動機

徐臻豪

當下，討論航空動力的發展，依然離不開噴氣發動機，傳統渦扇發動機的潛力幾乎被挖掘殆盡。無非再用更加耐高溫的輕質材料而已，因此，變循環發動機被寄予厚望。美國已經開始測試屬于第六代航空發動機的自適應變循環風扇發動機驗證機。

根據研發這款航空發動機的美國通用電氣公司公布的資料，自適應變循環發動機在同等燃油量的情況下，作戰飛機滯空時間可以提高50%，最大航程也將增加33%，發動機的燃油消耗率減少25%，燃油熱吸收率達到60%。預計這款航空發動機將安裝在未來的第六代戰斗機上。屆時，僅憑機內燃油，其最大航程就可能達到8000千米。那么，作為第六代航空發動機的核心的自適應變循環技術有什么優勢呢？

渦噴發動機原理示意圖

渦噴還是渦扇是個問題

在20世紀50年代，美國通用電氣公司就研制出著名的J79渦輪噴氣發動機。J79作為戰后美國第一代高空高速戰斗機的標配，與蘇聯米格-21戰斗機所使用的R-11F-300是同時代的發動機。當飛機的速度超過音速后，渦噴發動機的推進效率會迅速提升，當超過2.5馬赫時，其推進效率高達90%，說白了就是，發動機噴口速度達到進氣口速度的90%。在這種高超音速飛行時，渦噴發動機比同等的渦扇發動機耗油率還低，非常適合追求高空高速的第二代噴氣戰斗機。而二代戰斗機分為前線戰斗機和截擊機，后者采用的就是高空高速性能好的渦噴發動機，主要負責攔截入侵的敵方高超音速作戰飛機。

J79渦噴發動機

當然，渦噴發動機的缺陷也很明顯，由于完全靠廢氣產生推力，需要極高的燃燒溫度，所以要大量噴油，導致燃油不能完全燃燒，這造成渦噴發動機的油耗非常高，大大限制了作戰飛機的航程。在渦噴發動機的基礎上通過前部增加風扇，形成內外兩個涵道發展而來的渦扇發動機很好的解決了這個問題。空氣經過風扇壓縮后，一部分通過核心機的內涵道，和燃料混合燃燒，形成高溫高壓燃氣并向后噴射形成推力;另一部分通過外涵道，直接和噴射出來的高溫高壓燃氣混合，在尾噴口形成合力。外涵道和內涵道的空氣流量之比稱為涵道比，一般來說涵道比越大，渦扇發動機在亞音速飛行時的油耗越低。

美國普惠公司20世紀60年代研制的JT3D渦扇發動機就是以成熟的J57渦噴發動機作為其核心發動機，性能相比J57有了很大提高。波音707原來采用的是JT3C渦噴發動機，即J57的民用版。與JT3C相比，JT3D最大推力增大了50%，巡航推力增大了27%，巡航耗油率降低13%。換裝JT3D后，波音707的各項飛行性能有了顯著的提升，最大航程增加了27.6%，爬升率提高了110%，最大巡航速度提高了8.2%，起飛滑跑距離則減小了29.4%。JT3D也是美國第一款得到廣泛運用的渦扇發動機，不僅被民用的波音707和DC-8客機采用，軍用的B-52H轟炸機、C-141A戰略運輸機和E-3A預警機也采用了JT3D的軍用版本TF-33。

在這個時期，美國的戰斗機還在使用渦噴發動機，F-104和F-4使用的是J79，F-105使用的是J75。對于整體技術水平不高的第二代超音速戰斗機來說，渦噴發動機結構相對簡單，迎風阻力比較小，尤其是在大馬赫數飛行的情況下，耗油率低，單位推力大，超音速性能好，有利于空中攔截作戰。當然，缺點也很明顯，在亞音速飛行時耗油量大、推力不足，不適應亞音速狀態下的空中格斗，這也是在越南戰場上先進的F-4和F-105常常不敵北越空軍的米格-17。針對現代空戰的絕大多數發生在亞音速和中低空的特點，美國決定為戰后第四代戰斗機研制亞音速飛行性能更好的渦扇發動機。

F-22戰斗機的F119發動機

渦扇發動機并不完美

與渦噴發動機相比，渦扇發動機不僅軍用推力更大，單位推力小時耗油率也更小，不過，大涵道比渦扇發動機的迎風阻力大，尾噴氣流速度低，不利于高速飛行。所以，戰斗機使用的渦扇發動機通常都采用低涵道比，以達到在低油耗、大推力、迎風阻力低之間的平衡，不僅可以使戰斗機亞音速和中低空的飛行性能大大提高，還可以有效提高戰斗機的作戰半徑。美國普惠公司在20世紀70年代研制的F100就是第一種投入使用的推重比達到8的低涵道比渦扇發動機，是第四代戰斗機F-15A和F-16A的標準發動機，一舉扭轉了蘇聯米格-23等新型戰斗機對歐美空軍造成的空中壓力。

不過，以F100為代表的第四代戰斗機渦扇發動機屬于涵道比為0.7左右的中等涵道比渦扇發動機（俄羅斯的AL-31發動機涵道比是0.6），因此第四代戰斗機并不適合進行長時間超音速飛行。其最大軍用推力不足以支持第四代戰斗機進行超音速飛行，甚至不能支持戰斗機緊急起飛，必須要打開加力才能獲得足夠的推力。這就帶來一個問題，即如果想要有足夠大作戰半徑，就必須以較低的推力進行亞音速巡航，這就限制了戰斗機的空中機動能力。實際上，第四代戰斗機渦扇發動機只是解決了第三代噴氣戰斗機在中低空和亞音速飛行狀態下，空戰機動性能不足的問題，高超音速飛行性能其實并不好。

F-35A采用的F-135發動機代表當今成熟的小涵道比軍用渦扇發動機的最高水平

小涵道比渦扇發動機原理示意圖

自適應變循環發動機模型

所以，如果第五代戰斗機要實現超音速巡航，第四代渦扇發動機肯定滿足不了，在渦扇發動機整體技術沒有質的提升前，只能通過降低發動機的迎風阻力和適當提高推力來解決。所以，F-22使用的F119渦扇發動機就把涵道比降到了0.29，不開加力時的最大推力達到105千牛，為的就是能夠實現以馬赫數1.58的速度巡航30分鐘。然而，F119盡管采用了大量最先進技術，它本質上還是屬于傳統的低涵道比渦扇發動機，已經失去了中等涵道比渦扇發動機在高亞音速巡航時的低油耗特點。

實際上，普惠F119的對手——通用電氣YF120才是更加先進的變循環渦扇發動機，工作狀態可以在渦噴和渦扇模式之間平滑過渡，兼顧亞音速飛行時渦扇的省油特性和超音速飛行時渦噴的高速特性，對于第五代戰斗機，YF120才是最理想的發動機。但是，一向追求先進技術的美國空軍在ATF競標中卻選擇了技術風險較低的YF-22和YF119，放棄了技術上更加優越的YF-23和YF120。之所以會這樣，很可能是因為處于冷戰后期的美蘇兩大超級大國軍備競賽非常激烈，美國空軍為了避免技術冒進帶來的風險，才做出了較為保守的選擇。

變循環的先驅者

顯而易見，任何武器如果在技術上過于超前，將來初始裝備時的故障率就會較大。為了控制ATF項目的技術風險，避免再次出現早期F-15A淪為“機庫女皇”的困境，事實證明美國空軍沒有選用YF-23和YF120的決策在戰略上是正確的。根據YF-23試飛員的報告，在空中加油試驗中，YF120的最低推力偏大，導致YF-23飛行速度過快，為了安全只能關掉一臺發動機，使用單臺發動機以較低的巡航速度飛行，這說明YF120在技術的成熟度和適用性方面還有不足。不過，變循環發動機技術對未來戰斗機發動機的價值也是不可估量的，即使沒有成為第五代戰斗機的發動機，也可以作為未來發動機的技術儲備，所以，通用電氣一直沒有公布YF120的具體技術指標。

根據公開資料可以肯定YF120在推力、油耗等關鍵性能方面完勝普惠的YF119，集渦噴發動機優良的超音速性能和渦扇發動機優良的亞音速性能于一體。其基本結構是一臺帶有對轉渦輪的雙轉子渦扇發動機，低壓渦輪負責驅動兩級風扇，高壓渦輪負責驅動5級壓氣機和核心驅動風扇級，2個渦輪采用單級設計。另外，YF120有兩組活門，一組把風扇排氣分流一部分到外涵道，另一組把高壓壓氣機的排氣分流一部分到外涵道。通過改變可調導葉關閉角度和開啟角度的方法改變涵道比，實現發動機不同工作模式的轉換。

變循環發動機原理示意圖

常規渦扇發動機的涵道比是固定的，想要改變涵道比，只能在已有核心發動機的基礎上，發展出適應于不同用途的改進型號。如果要改善亞音速性能，就要采用較大的外涵道，也就是增加涵道比，以增大外涵道推力，這樣不僅會增大迎風面積，影響超音速飛行性能，驅動風扇的低壓渦輪也會承受更大的載荷。如果要適應超音速飛行，就要采用較小的外涵道，也就是降低涵道比，以減小迎風阻力，增加尾噴口的推力，這樣就會增加發動機的耗油量。

變循環發動機則可以在渦扇狀態下，把噴流的動能大量轉換成驅動風扇的能量，在渦噴狀態下可以減少噴流動能損耗，盡可能多的轉換成驅動轉子風扇的能量。即在亞音速巡航狀態，低壓渦輪獲得更多的功率，帶動低壓轉子風扇以較高功率輸出，使得風扇產生較大比例的推力;在超音速巡航狀態，絕大部分通過低壓轉子風扇的氣流將通過高壓轉子風扇進入高壓壓氣機，只有極少部分氣流進入外涵道用來冷卻發動機，此時，發動機的工作狀態近似渦噴發動機。值得一提的是，常規渦噴發動機是沒有用來冷卻發動機的外涵道氣流的，這種冷卻保證發動機的渦輪可以在相比常規渦噴發動機更高的溫度下工作，從而提高發動機的整體效率。

不同凡響的自適應變循環技術

總體上看，變循環發動機適應性已經相當不錯，但美國空軍并不滿足，2012年11月，通用電氣和普惠公司就獲得了價值超過6億美元的驗證自適應變循環發動機合同。作為新一代發動機，其性能超過了變循環發動機，已經擁有了自適應能力，也就是說，除了有渦噴、渦扇工作模式外，還能自動適應不同的工作環境。美國空軍通過推動自適應循環發動機、自適應靈活發動機、自適應發動機等相關技術的研究，逐步完善了自適應變循環發動機的設計，從而為正式制造和驗證自適應變循環發動機鋪平了道路。

可以說自適應變循環發動機與生俱來就非常適合超音速巡航，而且是真正的超音速巡航，就是在不開加力的情況下，以軍用推力就能夠實現馬赫數1.5以上的長時間超音速飛行，要知道現在F-35戰斗機的最大速度才1.6倍音速。所以，它對未來飛行器的意義重大，尤其是對超音速客機，可以說是其東山再起的關鍵，類似“協和”號這樣的超音速客機之所以早早退役，經濟性差是一個重要原因，它們要想實現超音速巡航就必須保持打開加力狀態。據悉，NASA已經在研究200座以下、飛行速度1.4～1.8馬赫之間、采用自適應變循環發動機的超音速民航機的可行性。

美國通用電氣公司的自適應變循環發動機

2014年7月，試車成功的美國通用電氣ADVENT自適應變循環發動機可以控制氣流分配在三個涵道，這三個涵道還可以根據工作狀態變換口徑，通過不同組合達到最佳的工作模式。在需要經濟巡航時，2塊調節板向下調節，擋住通過燃燒室的氣流，使發動機處在渦扇模式;當需要跨音速飛行時，1號調節板向下，而2號調節板向上，使發動機工作處在渦噴模式;當需要超音速巡航時，兩塊調節板均向上偏，使發動機變成一臺沖壓發動機，在計算機控制下，發動機的運作可以達到最佳狀態。

如果美軍在不久的未來可以成功裝備自適應變循環發動機，除了可以用于六代機與新一代轟炸機的研制，很有可能會大規模用于改裝現役的F-35戰斗機。隨著推力的提升、油耗的減少，F-35將獲得更快的速度，更遠的航程和更大的載彈量，甚至有希望摘掉" 肥電" 的帽子，成為一款具備高機動能力和高速性能的優秀戰斗機，這將使美國空軍的整體作戰能力獲得大幅度提升。

結語

從目前情況來看，自適應變循環發動機對各方面的技術要求還是相當高的，想要在短時間內實現投產，基本不具備可能性。美國的軍用航發技術獨步全球，研制出這樣的發動機不是一件太困難的事情。不過，自適應變循環發動機畢竟是一款跨時代的航空發動機，需要使用遠比F135更加先進的高壓渦輪葉片和熱障涂層，加上全新的自適應渦輪和自適應風扇技術，對于主要部件的可靠性和耐熱性能要求更高。鑒于此，現在判斷尚處于工程驗證階段的自適應變循環發動機何時投入使用還為時過早，當然，自適應變循環這種可以全面提升飛行器性能的航空發動機的光明未來，是毋庸置疑的。