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美国第六代战斗机的绝对核心 自适应通用发动机已经点火测试
作者:PBSNPR
发表时间:2017-06-05
更新时间:2017-06-05
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美国第六代战斗机的绝对核心 自适应通用发动机已经点火测试


航空发动机被称为是飞机的心脏,发展第六代战斗机,必须同步发展相应的发动机。美国空军早在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。

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自适应通用发动机技术

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。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。

ADVENT的关键是自适应风扇通过一个在正常核心空气流和外涵道空气流之外的第3股空气流,提供一个可变的涵道比,能够在起飞时为增加推力而关闭,在巡航时为减少燃油消耗和阻力而打开。

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自适应发动机核心技术之一第三涵道

作为自适应发动机核心技术之一的第三涵道当然不是在常规涡扇外面再包络一层涵道那么简单。第三涵道的第一个关键技术在于可调流量,而可调流量的工程实现又有两个次级问题:1、流量调节,2、空气压缩。第三涵道是在常规涡扇外涵道之外的又一层环形截面的流道,通过可调导流片,流量调节不是太难做到,但空气压缩就不那么简单了。在环道里单独设置环形叶轮的话,动力传输是一个很大的难题,毕竟涡轮发动机的主要动力来自于中央的转轴。电力驱动只是理论上的可能性,实际上由于重量、效率等问题都不现实。在不根本改变涡轮发动机基本结构的情况下,只有用所谓FLADE的结构实现,这是fan-on-blade或者fan-blade-on-fan-blade的缩写,意为叶尖风扇叶片。实际上,这是在常规风扇叶片尖端再增加一截风扇叶片。

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美国国防部于2012 年夏天投资2.136亿美元,确定GEAE 和PW公司参与实施为期4 a 的自适应发动机技术验证(AETD)计划。AETD 计划是ADVENT 计划的继续,是1项技术成熟计划,目的是促进采用3涵道结构的自适应发动机技术成熟,以为未来3a内可能开始工程研制阶段的美国空军下一代战斗机或轰炸机等多种作战平台提供动力技术。

AETD 计划分2个阶段进行,第1阶段到2015 年中期结束,完成初始发动机设计,以及全环形燃烧室、高压压气机和陶瓷基复合材料部件的试验;第2 阶段到2016 年结束,将完成风扇和核心机试验,首台发动机整机试验最早在2017 年进行。

AETD 计划在2013 年2 月进行初始概念评估、2014年进行压气机台架试验、2015年进行风扇和核心机试验、2016年完成发动机的整机地面试验,技术成熟度TRL6,具备正式开始发动机研制的条件。

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2020 年将开始飞行试验,技术成熟度达到TRL8。 总之,尽管变循环发动机经过了40 多年的发展,并且几乎发展为第5 代战斗机发动机,但是随着认识的加深和需求的变化,一些关键技术还需要更深入开发与验证,有理由相信这项颠覆性的技术很可能用于美国第6 代战斗机发动机上。

GE的自适应循环发动机应用了多项经过验证的民用发动机技术:下一代LEAP高压压气机、用于燃烧室和高压涡轮的高温陶瓷基复合材料、以及增材制造部件等,可以使发动机燃油效率提高25%、飞机的作战航程增加30%,发动机的推力也比目前最先进的军用战斗机发动机F135提高5-10%。

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除了第三涵道,先进的陶瓷基复合材料也是自适应发动机的亮点。发动机热端部件的工作条件极其严苛,传统上使用高温合金。但现代发动机的工作温度越来越高,早已超过现有高温合金的熔点,靠冷却技术也难以进一步提高发动机的工作温度。陶瓷的耐高温能力超过高温合金,但陶瓷的脆性和容易在剧烈温度变化条件下碎裂的问题长期成为陶瓷的工程应用的拦路虎。陶瓷基复合材料把陶瓷纤维(也可以用碳纤维)和陶瓷基体整合成一体,保留了陶瓷耐高温的特性,同时具有很高的机械强度和抗热裂性,在尖端应用中逐渐崭露头角。ADVENT采用陶瓷基复合材料低压涡轮和高压涡轮前缘,AETD上陶瓷基复合材料的应用进一步扩大。据通用电气声称,陶瓷基复合材料涡轮叶片甚至可以不需要冷却,为大幅度提高发动机热工性能提供了空间。陶瓷基复合材料叶片也比镍基合金轻2/3。在ADVENT上,陶瓷基复合材料的高压涡轮前缘达到1648摄氏度。

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陶瓷基复合材料应用

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陶瓷基复合材料叶片

在之前的测试中,GE公司表示在试验后的检查中发现尽管经受了超过目标温度的运转考验,但发动机的硬件都处于绝佳的状态。在完成ADVENT计划的整机试验后,GE公司将继续在空军的自适应发动机技术发展(AETD)项目中持续推进其自适应循环技术走向成熟,该项目计划在2016年完成风扇台架试验和核心机试验后结束。

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ADVENT发动机

ADVENT发动机是GE公司最新一个成功验证变循环结构的研发项目。自从1960年代杰哈德·纽曼进行的初步研究后,GE的YJ101发动机在1976年进行了首次整机试验,验证了变循环能力。随后GE在YJ101的经验基础上制造了YF120变循环发动机,用于先进战术战斗机项目(ATF,成果即是F-22),并在1990年创造了超声速巡航的世界记录。

自适应发动机技术也可以使现有战斗机受益。变循环能力有利于弥补F-22的航程不足的短板,第三涵道也可以改善固定的加莱特进气口的工作条件,但F-22的批量太小,大动干戈的发动机升级也可能与第五代战斗机的研发冲突。自适应发动机天生适合超巡,但超巡不是不开加力就能以略微超过音速的速度巡航,那与高亚音速巡航相比没有实质性优势,要能以军推实现M1.5以上的超巡才有意义。F-35的最大速度才M1.6,气动外形决定了超巡潜力有限,所以自适应发动机的超巡能力对F-35意义不大。但F-35的系统散热是一个大问题,自适应发动机的第三涵道是至关重要的。更高的热工参数也有利于省油,进一步增加F-35的航程。

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ADVENT发动机点火

随着ADVENT和AETD等计划的不断实施, 自适应变循环发动机将逐步成熟,并很可能成为第6代战斗机发动机;而且,高超声速、太阳能、脉冲爆震等仍处于概念探索阶段的发动机的发展潜力将逐步明朗,但在2030年前配装下一代战斗机的可能性并不大。


提示: 本博文来自于 Military2 版

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