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美国六代战机首选动力分析

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更多 发布于:2014-11-05 00:19
 纵观航空发动机百余年的发展历史,大致可分为两个时期:第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到二战结束为止,约40年时间,活塞式发动机独领风骚;第二个时期从二战结束至今,燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机而居航空动力主导地位,开创了喷气时代。在燃气涡轮发动机研发方面,美国一直处于世界领先地位,先后实施了IHPTET计划及其后续的VAATE计划。目前正在开展VAATE计划的第三阶段研究(即“AETD计划”),目标直指自适应变循环发动机(ACE)。
 除了自适应变循环发动机,美国也在积极研发超燃冲压发动机、组合循环发动机、新概念(如脉冲爆震)、新能源(如液氢、太阳能、核能)发动机等,然而美国的六代战机究竟会采用哪种动力装置?或者说美国六代机的首选动力是哪种?下面我们结合美国六代机的主要技术特点来加以分析。
 美国六代机的主要技术特点
 根据美军要求,其六代机主要用于对空作战,还可执行防空反导、对地/对海攻击、电子攻击、战区侦察等任务。该机也将满足反介入/区域拒止环境中的作战需求,可对抗装备有下一代先进电子攻击设备、先进综合防空系统、无源探测系统、综合自卫系统、定向能武器和网络电磁攻击装备的敌军,在航程、续航时间、生存力、网络化协同作战、态势感知、人机系统综合和武器效能等方面都将优于F-22和F-35等第五代战斗机。综合判断,美军六代机主要具有以下特点:
 ·全向多波段隐身能力 美军要求六代机具备压制五代机的空战能力,并能够突防先进的防空系统。已公布的六代机概念设计均重视全向隐身能力,重点降低前下方和侧向的雷达截面积,此外六代机还将具备多波段隐身能力,因此六代机的隐身能力将比F-22、F-35等战斗机有显著的提高。
 ·远航和久航能力 已公布的六代机方案概念,均注重提高飞机的超声速升阻比,这意味着美军六代机的超声速巡航和超声速作战能力将比五代机有进一步的提高,使其在同五代机的空战中更具优势,远航和久航能力明显优于五代机。为了满足在西太平洋的反介入/区域拒止环境中实施空海一体战的需要,美军期望六代机具备更强的远航和久航能力,其中海军六代机的作战半径可能达到1850~2300千米,比F-35C提高60%以上,同时该机还可利用久航性能巡逻,灵活打击敏感目标。
 ·更强的网络化协同作战能力 美军要求六代机机载系统应具有网络化协同作战能力,能将探测、跟踪、瞄准攻击等任务在机群内部以及其它武器平台之间进行优化和协调,在态势感知、人机系统综合以及武器效能等方面具有比五代机更强的能力,可在敌方实施各种频段的电磁干扰和电子攻击的情况下完成作战任务。
 自适应变循环发动机是首选
 从上述内容可以看出,远航和久航能力是六代机的一个非常重要的技术特点,而该特点又与采用的动力装置密切相关。
 六代机要具备跨代优势,不仅要具有更大的超声速巡航能力,以实现对四、五代机“以快打慢”的能力,同时还要具有更低的耗油和更大的续航能力,以覆盖更大的攻防区域。这两方面的作战使用特点对六代机发动机提出了不同的要求:
 一是在超声速条件下,发动机要具有涡喷发动机的高单位推力特征,以满足六代机在超声巡航、格斗机动、跨声加速等飞行条件下的推力要求。
 二是在亚声速飞行条件下,要求六代机发动机具有涡扇发动机低耗油率的特征,以满足亚声速巡航、待机、空中巡逻等要求。
 显然,要在某种程度上实现上述相互对立的目标,自适应变循环发动机无疑是最理想的推进装置:在高速飞行时,能够将工作循环中更多的能量分配到内涵道去,发动机的涵道比相对较小,内涵质量流量和排气速度增加,发动机可以获取高速飞行条件下足够的发动机推力;在低速飞行时,能够将工作循环中更多的能量分配到外涵道去,发动机的涵道比相对较大,外涵质量流量增加,排气速度降低,以获取最佳的低速条件下推进效率。采用上述变循环发动机方案的六代机,其亚声速巡航航程将显著提升。美国空军研究实验室在“自适应通用发动机技术”研究计划中研制的自适应变循环发动机,其耗油率将比目前的五代机发动机低25%,使六代机作战半径突破2000千米成为可能。而在超声巡航能力方面,由于自适应变循环发动机在超声速飞行时可通过调整涵道比和工作模式来实现更好的高速推力特性,满足飞机更大马赫数下的超声巡航推力需求,使得配装变循环发动机的六代机具备在高度20千米、马赫数2.0条件下的超声巡航能力,以取得对五代机的速度和高度优势,从而进一步提升了战斗机的快速截击能力和武器打击范围。综上所述,若要在某种程度上实现六代机亚声巡航航程延长和超声巡航马赫数提高两个互相对立的目标,自适应变循环发动机无疑是首选。
 美国通过IHPTET计划、VAATE计划、ADVENT计划和AETD计划的实施,目前在燃气涡轮发动机的研究上已具备了雄厚的技术基础,其最终目标—ACE发动机也实现在即。然而在高超声速发动机的研发上(如X-51A计划),情况却并不乐观,试验多次受挫,其技术门槛的完全跨越尚需时日。其他类型的发动机,如太阳能发动机,由于其能量密度过低,将无法满足六代机的高速机动要求;脉冲爆震发动机虽然在理论上具有推重比高、耗油率低和工作范围宽等适应六代机的优良特性,但由于其内部流动的不稳定性和恶劣的高温高压环境,其爆震波的形成与传播、燃料的可爆震性及进排气与脉冲爆震的匹配等关键技术仍是阻碍脉冲爆震发动机进一步发展和推广应用的瓶颈因素,在2030年前配装六代机的可能性并不大。总之,这些发动机还处于概念探索阶段,距离实用化还比较遥远。因此,自适应变循环发动机也是美国六代机当前最现实的选择。
  自适应变循环发动机技术原理
 自适应变循环发动机是通用电气公司变循环发动机技术的进一步发展,该公司变循环技术可以实现发动机在涡轮喷气模式和小涵道比涡轮风扇模式之间的转换,而自适应变循环技术则在其基础上进一步扩大了转换的范围,发动机不但可以用涡喷模式高速工作,也可以用较大涵道比的涡扇模式在起飞、空中待机之类的低速下省油、高效地工作。   自适应变循环发动机在双涵道变循环发动机的基础上新增了第三个涵道,可改变风扇或核心机的流量和压比。第三个涵道在起飞时关闭,以获得高的推力;在巡航时则打开,以降低耗油率,减小溢流阻力,增加为飞机、发动机和喷管提供的冷却空气量。另外,第三涵道温度相对低的冷却空气也有助于达到低可探测:这些空气可用于冷却热端部件,以降低红外特征;也可进入核心机或加力燃烧室中,用于增大推力。该发动机的最终发展目标是在低巡航速度下和高超声速巡航速度下达到同样的效果。

 自适应变循环发动机被认为是航空涡轮发动机发展史上又一个重大里程碑,其意义不亚于涡喷发动机向涡扇发动机的跨越。研究表明,自适应变循环发动机可使亚声速攻击机的航程增加30%,待机时间增加70%,使超声速攻击机的航程增加40%,待机时间增加80%。与F135发动机相比,可使亚声速飞机的燃油消耗率减少35%。
 自适应变循环发动机最新研制进展
 据美国《航宇日报》2012年11月2日报道,美国通用电气(GE)和普·惠公司(PW)获得了价值超过6.8亿美元的AETD合同(GE获得3.497亿美元,PW获得3.35亿美元)。美国空军希望这两家公司通过显著提高发动机燃烧效率、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。
  研制规划
 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年就开始了六代机发动机的论证工作。根据美国空军研究实验室的研制计划,六代机发动机共分两个阶段进行技术研发。
 第一阶段开展“自适应通用发动机技术”(ADVENT)项目。由罗·罗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。这个项目又分两步进行: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,整机试车计划在2013年完成。
 第二阶段就是“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,这两个指标再往上提升的空间都不大。
 美国预研的六代机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。
 六代机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两个流道,即核心机流道(内涵道)和外涵道,而六代机发动机却有三个流道,即内涵道、中涵道和外涵道。
 外涵道的气流(第三股气流)由自适应风扇产生,若关闭外涵道,可提升起飞和超声速阶段的推力;打开外涵道,则能降低巡航和留空时的燃油消耗率。
 此外,有了外涵道,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较高速度,还可为飞机提供额外的冷却空气。
 五大特点展现美好前景
 六代机发动机是比目前发动机更优越的新一代喷气式发动机,与上一代发动机相比,六代机发动机将呈现出以下五大突出特点:
 1、耗油少、效率高
 六代机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。其燃烧效率比目前发动机(如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%。由于使用变循环发动机技术,当飞机亚声速巡航时可采用高旁路涡扇模式,超声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,使第六代战机既能亚声速巡航飞行,又能进行较高马赫数的超声速巡航飞行。
 2、推力大、重量轻
 与五代机发动机相比,六代机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,使第六代战机在不开加力的条件下就能保持超声速巡航飞行,并缩短了飞机起降距离。在六代机发动机中,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,六代机发动机将采用新材料技术,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,可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。
 3、兼容性强、成本低
 六代机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,六代机发动机应能够满足未来全谱系空中平台的需要,既可配装在空军第六代战机上,也可装在海军第六代战机F/A-XX上,还可以供无人轰炸机使用。而且,F-22、F-35等五代战机也只需少量改装就能用上此种发动机。由于通用性强,六代机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,性价比也会随之提高。据美军预测,六代机发动机的性价比将是2000年基准发动机的10倍。
  4、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。六代机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。六代机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。六代机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来实现飞机的方向控制,可使第六代战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。

  5、寿命长、对飞行环境要求低
 六代机的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,从而使飞机能适应多种环境下的飞行。对环境适应能力的增强还能相应增加发动机的使用寿命,因此,美军六代机发动机的设计寿命比五代机发动机增加了1/2~2/3。

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美国正在研制的第六代战机(本文为转载,原文未注明作者)
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cdyqj
初试锋芒
  • 注册日期2012-09-02
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沙发#
发布于:2015-06-30 16:50
据说现在中国的飞机发动机和美国的差距是20年,和俄罗斯差距是10年,如果变循环发动机研制成功,中国和美国的飞机发动机将是40年的差距。
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