世界航空技术发展方兴未艾。在人们惊叹四五代机及其发动机的优异性能之际，美国的六代战机项目蓄势待发，六代机新发动机研制计划战斗机也如火如荼。如果说美国在F110、F100等第四代战斗机的研制上与俄罗斯和欧洲基本处于同一起跑线上，那么美国在第六代战斗机发动机的研制上遥遥领先。究竟什么是第六代战斗机发动机，它的关键技术特点是什么，性能又如何突出？本刊记者采访了一直关注世界航空发动机发展的航空专家黄春峰，请他谈谈美国的第六代战斗机发动机。本刊记者（以下简称“记者”）：美国作为半个世纪以来航空技术的领先者，在技术水平上与其他竞争对手拉开了代沟，这使得美国事实上已经一代飞机和配套飞机。生成引擎的定义权。第五代战机F-22技术首先由美国人进行论证和定义，推重比为10的F119-PW-100发动机的刚性技术标准也被美国人定义。那么，美国对第六代战机的发动机提出了什么样的技术要求呢？黄春风研究员（以下简称黄）：发动机是和战机匹配的，所以发动机的定义直接关系到战机。按照目前来看，美国对于第六代战机的示范和定义，已经有了比较详细的蓝图。其中两项与发动机直接相关，对第六代战斗机发动机的关键技术指标提出了很高的要求。 .
首先，远距离和远航能力。美国希望第六代战机比F-22 F-35拥有更强的超音速巡航能力和更长的连续航程，并要求飞机具有更高的升阻比。其中，美国海军要求第六代机作战半径可达1850-2300公里，比F-35C高出60%以上。同时，该机还可以利用持久的性能进行巡逻，灵活打击敏感目标。这需要具有更大推力、更低阻力和更低油耗的第六代发动机。第二，美国希望第六代战斗机成为高度智能化和自动化的战斗机，充分应用智能结构（如智能蒙皮、智能传感器）、主动控制技术、网络化战争技术，并可能使用激光和微波炉。等定向能武器，向多电、全电飞机方向发展。包括五代机在内的传统飞机在很大程度上还是一个以机械设备为主的平台，而六代机则是以机电和电子设备为主的平台，这意味着飞机必须比现在更强。电源容量的几倍。飞机上的电源在哪里？它是引擎。由于动力提取效率的限制，更多的动力供应意味着发动机需要提供更多的动力能量，这对发动机的动力提出了比现在更高的要求。届时，发动机不仅会推动飞机以比现在更高的速度进行超音速巡航，还会分离出大量能量来发电。注：在这种情况下，第六代发动机的关键技术指标是什么？美国人如何定义第六代发动机？第六代发动机大致是什么样子的？黄：六代机必须具备跨代优势。它不仅要具备更大的超音速巡航能力，才能实现五代机“加速和减速”的能力，还要有更低的功耗。油和更大的耐力，以覆盖更大的进攻和防守区域。
这两方面的作战使用特性对六代飞机发动机提出了不同的要求：一是在超音速条件下，发动机必须具备涡喷发动机的高单位推力特性，才能满足六代飞机发动机的要求。超音速巡航的一代飞机。飞行条件下的推力要求，例如作战机动和跨音速加速。其次，在亚音速飞行条件下，要求第六代发动机具备涡扇发动机低油耗的特点，以满足亚音速巡航、待机和空中巡逻的要求。这并不容易，这两个目标在很大程度上是对立的。我们知道，传统的涡喷发动机高速性能很好，特别是在超音速范围内，但是耗油量大，航程短。后起之秀涡扇发动机在涡喷的基础上增加了外置旁路，降低了油耗，但增加了自身阻力，在一定程度上不利于高速飞行。因此，能够兼顾涡扇和涡喷发动机特点的可变涵道比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，变循环发动机可以将工作循环中的更多能量分配到内通道，发动机的涵道比相对较小，内质量流量和排气速度增加，发动机可以获得足够的能量在高速飞行条件下。发动机推力；低速飞行时，可以将工作循环中更多的能量分配给外部旁通，发动机的旁通比比较大，外部质量流量增加，排气速度降低，以获得最佳低速。在一定条件下，采用上述变循环发动机方案的第六代飞机的推进效率将显着提高其亚音速巡航范围。
美国空军研究实验室在“自适应通用发动机技术”研究计划中开发的自适应可变循环发动机，其油耗率将比目前的第五代发动机低25%，使第六代飞机成为可能战斗半径超过 200 公里是可能的。在超声巡航能力方面，由于自适应变循环发动机在超音速飞行过程中可以通过调节涵道比和工作模式来实现更好的高速推力特性，因此可以在更大的马赫数下满足飞机的超声巡航推力要求。搭载可变循环发动机的第六代飞机能够在20公里的高度以马赫数的飞行速度连续进行超音速巡航，从而获得相对于第五代飞机的速度和高度优势，从而进一步提高战机的快速拦截能力。和武器打击范围。综上所述，为了实现扩大六代机亚声巡航范围和一定程度上提高超声波巡航马赫数这两个对立的目标，自适应循环发动机无疑是首选。注：自适应可变循环发动机似乎之前在美国尝试过。 GE的YF120发动机采用变风道变循环技术，但在与普惠的F119发动机的比赛选拔中失利。原因是技术不够成熟，为什么变循环发动机现在能卷土重来？黄：正如我刚才提到的，可变循环发动机在兼顾高转速和长航程方面有其独特的优势。事实上，它比目前的固定旁路引擎更先进。 YF120选型失败的主要原因不是因为它的技术不够先进，而恰恰是因为它的技术有点超前了。因此，考虑到型号研制进度和成本控制，美军选择了比F119更成熟保守的技术。程序。
经过十余年的珩磨，变循环发动机技术日趋成熟，因此成为第六代发动机的首选。注：近年来，国内外除了传统的航空发动机配置外，还研究了一些航空发动机的新概念、新配置，如脉冲爆震发动机。为什么第六代战斗机项目没有选择这些发动机？黄：美国在第六代发动机上做了很多尝试，同时开发了多条技术路径。比如高超音速发动机计划，即使用副燃和超燃冲压发动机联合发动机，实现5马赫以内的飞机推进。然而情况并不乐观，试验多次受挫，可见其完全跨过技术门槛需要时间。其他类型的发动机，如太阳能发动机，由于能量密度低，无法满足第六代飞机的高速机动要求；脉冲爆震发动机虽然理论上具有推重比高、油耗低、工作范围宽等优点，适合第六代发动机的优良特性，但由于其内部流动的不稳定性和恶劣的高温高压环境、爆震波的形成与传播、燃料的爆轰、进排气匹配与脉冲爆震等关键技术仍是阻碍其进一步发展和推广的瓶颈。脉冲爆震发动机，因为在 2030 年之前不太可能配备第六代发动机。总之，这些发动机还处于概念探索阶段，离实用还很远。因此，作为最成熟的未来发动机技术方案，自适应变循环发动机也是美国六代机最现实的选择。
注意：您提到可变循环发动机技术同时具有涡扇和涡喷的优点。能否详细介绍一下变循环发动机的结构和工作原理，它类似于现有的涡扇发动机。有什么不同？黄色：可变循环引擎（VCE，Variable Cycle Engine），这是一个新的配置引擎。传统的航空涡轮发动机，无论是涡扇发动机还是涡喷发动机，在发动机问世时都具有一定的结构。固定的设计结构决定了它的热循环特性也是固定的，所以一台发动机只能工作在一种模式，它只能在有限的飞行包线内发挥最佳性能。可变循环发动机是不同的。它可以通过改变某些部件的几何形状、尺寸和位置来调整发动机的热循环特性。当元件的形状、尺寸和位置发生变化时，进出的空气也会发生变化。增压比、涡轮入口温度、空气流量和涵道比等关键性能指标发生了变化。这是可变循环发动机的最大优势。传统涡扇发动机有固定涵道比等结构。我们知道，涵道比大的发动机在中低速时性能好，而且非常省油，但是涵道比越大，阻力越大，飞机的高速能力下降，短板。涡喷发动机虽然具有良好的提速性能，但油耗却很高。这说明传统发动机由于其固定的运行方式，其最优使用范围较窄。
可变循环引擎不同。它是一种多设计点发动机，即其设计和应用范围很广，飞行包线远大于现有航空发动机。当飞机需要低油耗、远航程飞行时，可变循环发动机通过调节活动部件来提高发动机的涵道比，让更多的空气通过外部旁通，增加飞行器的航程。如果需要高速，则通过调整部件使涵道比变小美国空军第六代战斗机，降低阻力，提高涡轮进气口的温度进入可变循环发动机，使飞机具有更大的推力和更快的速度。目前，变循环发动机有多种工作模式，包括涡喷模式、涡扇模式，甚至还有适应更高速度飞行的冲压模式，使飞机以亚音速、跨音速、超音速和高超音速飞行。都有不错的表现。在涡喷/涡扇变化领域，变循环发动机目前的研究重点是改变涵道比。例如，在爬升、加速和超音速飞行时降低发动机的涵道比，接近涡轮喷气发动机的性能以增加推力；亚音速起飞和飞行时，增大涵道比，作为涡扇发动机工作，降低油耗和噪音。目前，在可变循环发动机技术成熟度最高的领域，即涡喷和涡扇状态切换领域，如何改变涵道比是当前研究的重中之重。黄：其实变循环发动机的概念很早就提出了，早在1960年代就有这个概念。英国R公司、法国SNECMA公司、日本工业科学技术研究院、美国GE公司等世界知名航空发动机公司都在继续开展变循环发动机概念和方案设计，以及相关技术研究和实验验证。
例如，英国提出了具有分流排气、混合排气涡扇和涡喷三种循环模式的选择性引气可变循环发动机的概念，法国SNECMA提出了双压缩系统可变循环发动机的概念，日本领先可变循环发动机的发展。发动机验证机“HYP R90-T”的技术研究和验证。但是，真正在工程技术层面实现可变循环的是美国GE公司。在众多可变循环发动机开发公司中，GE的研究时间最长、研究水平最深、研究水平最高，一直引领着世界可变循环发动机技术的发展。从GE提出的变循环发动机的早期概念到成功研制出具有实用功能的F120发动机，其设计理念和设计方法大致经历了五次重大技术发展，推出了具有代表性的五代变循环发动机。 ，分别为YJ101、GE21、GE37、可控压比发动机和降临发动机。注：还记得美国GE公司在为SR-71“黑鸟”研制的J58发动机上使用了可变循环发动机技术吗？黄：是的，这是迄今为止第一台也是唯一一台量产的可变循环发动机。该发动机可在涡轮喷气和冲压喷气模式之间切换，J58可变循环发动机的成功绝对是航空工程的奇迹。您刚才提到的GE F120是第一台经过飞行测试的双外置可变循环发动机，用于先进的战术战斗机项目NATF，并在1990年创造了超音速巡航的世界纪录。
推重比为10的F120的研制成功，充分证明了可变循环技术的可行性和先进性。尽管 F120 发动机在与 F119 发动机的竞争中，由于成本高、结构复杂和技术风险等原因未能成为 F-22 飞机的主发动机，但它继续作为替代发动机进行开发，并作为备用发动机获得F22飞机。可以肯定的是，作为一个开端，它的推出为未来航空发动机的发展指明了新的方向。可变循环发动机仍然是美国IHPTET计划的重要技术目标，该计划正在不断开发中并已成功示范。时机成熟时美国空军第六代战斗机，将配备先进的军民两用飞机，发挥应有的作用。问：可变循环发动机能在多大程度上提高发动机性能？ 10 黄色：变循环发动机的优点是可以在较宽的飞行包线内保持良好的效率和低油耗。小涵道比涡扇和声波性能良好的涡喷发挥各自的优势，组合成一台发动机。通过多个部件的几何调整，可以大范围改变涵道比，实现两种不同的热循环和工作模式。 一些发动机公司和飞机公司的研究表明，变循环发动机可以使亚音速攻击机的航程和续航时间分别提高30%和70%，超音速攻击机的航程和续航时间分别提高40%和80%，分别。
这个改进非常惊人，与上一代战斗机完全形成了不可逾越的代差。因此，目前，变循环发动机凭借其在工程应用领域的性能优势和潜力，已成为世界航空发动机强国的主流研发方向。注：目前，变循环发动机是第六代战斗机发动机的首选。发展到了什么阶段？黄：从1980年代到本世纪初，美国启动了下一代战斗机发动机的预研和技术研究计划，即“综合高性能涡轮发动机技术计划”（简称IHPTET计划） )，并进行了初步的技术探索。 2005年该计划结束后，美国人用投资较少的“经济型先进涡轮发动机”VA ATE计划取而代之。 GE 的第五台 ADVENT 可变循环发动机是 VAATE 计划中最重要的子计划之一。得到美国军方和国防部的支持。本次 Technology 11 研发计划的目的是建造一个演示器，利用可变循环技术开发和演示进气道、发动机、排气喷嘴和集成热管理技术，以获得在广泛的高度和飞行速度范围内性能最佳的推进系统有两个目的：一是提高性能；二是提供一整套发动机技术，可以很容易地调整和调整大小，以满足不同平台和不同任务的要求。 ADVENT 计划是 VAATE 计划第二阶段的标志性计划。计划开发的技术将使发动机能够通过风扇和核心发动机独立改变空气流量和压力比，实现大变循环，被认为是航空涡轮发动机。发展史上的又一重大里程碑，其意义不亚于从涡喷发动机到涡扇发动机的飞跃。
如果说IHPTET项目主要是技术预研，那么ADVENT引擎就是工程验证机，是引擎从预研到批量生产的关键环节。如果这个验证机项目如期成功，下一个一定是航模，到时候六代战斗机发动机才能进入量产阶段，正式安装六代机。目前，其他国家对六代机的研发主要处于技术探索和预研阶段，远远落后于美国。注：从目前来看，变循环发动机的主要技术特点和原理是什么？如何实现可变循环？黄：现在一个关键技术叫做“三通道”技术，在可变循环发动机上实现了原理上的突破。这项技术的全称是：可变前端可绕过的“三通道”架构技术。传统涡扇发动机有两个流道，即核心12个流道（内风道）和外风道，而第六代发动机有三个气流），由自适应风扇产生，可以适应广泛的飞行环境。 , 调整旁通比和压力比，优化整个任务各种不同状态下进入核心机和外旁通的气流。起飞时，关闭第三气流，降低涵道比，将更多气流分流至核心机，可增加起飞和超音速阶段的推力；巡航时开启第三气流，增加涵道比以降低巡航和油耗。同时，增加流道（即外部管道）可以大大改善发动机的热管理，可以为飞机系统提供额外的冷却空气；它可以更好地匹配整个飞行包线的进气和发动机气流供需。匹配以最小化阻力。
三流道的特点是内道和中旁通道实现了相对稳定的流动循环，而外旁道道可以提高旁通比，提高增压比。采用三通道技术后，增压比和涡轮预燃温度这两个决定发动机推力性能的关键指标，与现有发动机相比将有显着提高，可以使可变循环发动机突破10级推重比极限，达到15级甚至20级。推重比高。注：可变循环发动机目前的发展情况如何？未来有什么样的节点计划？黄：目前对变循环发动机的研究主要有两个。一是普惠，在其独有的PW1000齿轮传动发动机基础上进行改装，增加了可变循环结构。另一个是GEN。正在推进 ADVENT 引擎计划。 ADVENT 发动机计划的第一阶段已经成功完成。在与劳斯莱斯的联合研发中，在风扇、压缩机、涡轮机等核心部件上取得突破，研制出验证机的核心发动机。这一目标很好地实现了，其中：下一代LEAP高压压缩机、燃烧室和高压涡轮用高温陶瓷基复合材料、增材制造部件等，可将发动机燃油效率提高25%。作战范围增加了30%，发动机的推力也比最先进的军用战斗机发动机F135）高出5-10%。其中，高温陶瓷基复合材料是世界上第一个成功的工程应用。
虽然没有公布具体的涡轮预燃温度，但据GE称，ADVENT演示机的涡轮预燃温度超过了F119，创造了新的世界纪录，创造了其超高的新世界纪录推力和推重比。坚实的基础。第二阶段历时四年，由普惠和GE两大巨头共同完成。主要目的是完成验证机台架试验，验证核心机及风机、燃烧室、高压压缩机等主要部件的运行情况。 如果这个阶段能在2016年顺利结束，就意味着变循环引擎的验证机（即核心机）已经成熟。根据发动机的发展规律，我们知道一般有四个阶段：技术预研、核心发动机研究、样机研制、批量生产。核心发动机的成功，意味着样机研发即将启动，第六代发动机将正式进入项目。发展阶段。可变循环发动机的五个优点 14 笔记：您能总结一下可变循环发动机与传统涡扇/涡喷发动机相比的优势吗？一是油耗低、效率高。这也是美国在第六代发动机研制上发生变化和调整的重要体现。过去，美国主要追求第五代航空发动机的大推力比，也就是说，发展的精力主要集中在如何提高发动机的推力效率上。曾经要求第五代发动机的推力比要达到15。但最新消息显示，美国正在逐步调整发动机发展思路，将精力集中在提高发动机燃油效率上。普惠公司实现“油耗降低30%，速度适应性更好”的承诺就是这一点的体现。 .
第六代发动机结构更好，进气流量更大，可以实现更低的油耗。其燃烧效率比现役发动机（如F-35战机上安装的F135发动机）提高25%，因此油耗率比第五代战机低25%。数据分析：美国空军每年使用燃料超过24亿加仑，相当于740万吨JP5燃料。 JP5的典型价格比车用汽油高出2-3倍，这是一笔近200亿美元的巨额年支出，即使包括大规模采购的折扣，25%的燃油节省也是一个诱人的目标。美国空军的目标。油耗率的降低也可以大大增加飞机的续航时间和待机时间。由于采用可变循环发动机技术，飞机在亚音速巡航时采用高涵道比涡扇模式，在超音速巡航时采用涡喷模式，从而拓宽了发动机的工作范围，提高了飞行器的性能。发动机在不同飞行条件下的工作。效率使第六代飞机既可以进行亚音速巡航飞行，也可以进行3至6马赫的超音速巡航飞行。二是推力大，重量轻。与第五代发动机相比，第六代发动机的功率有了很大的提升，中间推力（不含加力推力）提升5%，最大推力提升10%，工作范围将增加 30%。可进一步提高飞机的飞行速度和高速冲刺能力，使第六代战机无需加力即可保持超音速巡航飞行，缩短飞机起降距离。
在第六代发动机中，新材料的贡献率将达到50%以上。 “材料至上”已成为航空发动机发展的客观规律。第六代发动机将采用新材料技术，综合使用单晶材料、热强钛合金、热强镍合金、难熔合金材料、特种合金材料、防腐保护层等大量新材料减轻发动机重量，推重比可达15-20，而目前最先进的飞机推重比仅为10。第三，兼容性强，成本低。第六代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，可从核心发动机或参考发动机衍生出一系列发动机，以满足不同任务飞机的需求，从而扩大了应用范围。引擎，使其具有良好的兼容性。按照美军的设想，六代机发动机应该能够满足未来全光谱空中平台的需求，可以安装在空军六代战机上，六代战机海军 F/A-XX 的飞机，或用于无人驾驶的 H-16 轰炸机。而且，F-22、F-35等第五代战机也可以换成第六代发动机，只需稍作改动。由于其强大的通用性，第六代发动机的经济承受能力将大大提高，其研发成本和设备价格将大大降低，性价比也将得到提升。根据美军的预测，2000年第六代发动机的性价比将是基准发动机的10%，零部件少，用途多。当今航空发动机的内部结构极其复杂，叶片、管道和各种零件几乎粘在一起，使发动机容易出现故障，维修困难。
第六代发动机采用可变循环发动机、自适应发动机等新技术新原理，可充分利用冲压效应，减少发动机零部件70%，大大降低发动机安装阻力，提高发动机的可靠性和可维护性。第六代发动机除了提供动力外，还可用于飞机的方向控制。 Taking the vertical tail of a fighter jet as an example, the vertical tail is an important part to ensure the stability and direction control of the aircraft during flight, take-off and landing, but the giant vertical tail erected vertically is a stealth nightmare. The sixth-generation fighter engine utilizes the thrust vectoring of the engine, aerodynamic control surfaces, and compressor bleed air to control the direction of the aircraft, making the sixth-generation fighter a fighter without a vertical tail. In addition, the low emission temperature of the engine not only improves the reliability of the aircraft, but also improves the stealth performance of the aircraft, so that the sixth-generation aircraft has the characteristics of low detectability, long life and low requirements for the flight environment. The adaptive engine of the sixth-generation aircraft has inherent variable characteristics, which can adjust the bypass ratio and pressure ratio according to different flight environments, optimize the engine work, and improve its performance, so that the aircraft 17 can adapt to flight in a variety of environments. The enhancement of the ability to adapt to the environment can also increase the service life of the engine. Therefore, the design life of the US military's sixth-generation engine is 1/2 to 2/3 longer than that of the fifth-generation engine. Reporter: Since the United States is currently investing so much power in variable-cycle engines and the technology level is very advanced, does that mean that it will be mature around 2020? Huang: It still takes time for the variable cycle engine to mature, and there is still a long way to go.
According to NASA's definition and classification of 9 levels of technological completeness or maturity, if it reaches level 6, it means that a piece of equipment has completed the verification machine test and can enter the development of model prototypes. Ming is a mature technology that has entered mass production. At present, NASA's assessment of the F135 is a partial grade, which means that the F135 is basically mature and is a mass-produced engine. However, the maturity of variable cycle engine technology has not yet reached level 6. It needs to pass the verification machine to make it reach the level of level 6 first. From the four-step process of pre-research, verification machine, prototype machine to batch production, the variable cycle engine is still in the middle and early stage of the second part, and it may take 10 to 20 years to make it fully mature. Note: The sixth-generation engine is currently going from a verification machine to a prototype. What are the main difficulties in realizing it? Huang: The key is that an adjustment mechanism is added to the variable-cycle engine, which makes the structure of the engine more complicated. The more complex the control system, the higher the reliability and control requirements of the control system. The improvement and innovation of a series of technologies and indicators such as manufacturing, assembly, testing, inspection, multi-purpose, wide adaptability, and survivability have put forward higher requirements and increased the technical risk of realization and development. Therefore, in view of its reliability and technical risk analysis, it cannot be said that the development of variable cycle engines still has a long way to go. Reporter: Can you talk about the inspiration and significance of the development of the sixth-generation engine in the United States to China's aviation engine industry? Huang: China's aero-engine industry is also in a critical period of vigorous development. We should take the opportunity of the implementation of the national aero-engine major project, not only to inherit and learn the research results of advanced aero-engines in Europe and the United States, but also to actively explore the correct development path of aero-engines. There must be excellent innovative thinking, persevering learning actions, the concept of successful team cooperation, the attitude of worshiping aero-engines, the dedication spirit that is willing to be lonely, and strict, careful, meticulous and practical. work style, and contribute advanced aviation power to the rejuvenation of the Chinese nation.
In view of the excellent technical characteristics of the variable cycle/adaptive engine, the strong military demand and the importance of practical applications, we should attach great importance to the exploration and research of this new technology. Based on the successful experience of foreign countries, combined with the existing research foundation in China, formulate a top-level research plan, and make breakthroughs in the working principle, structural design, modeling and calculation of variable cycle engine (VCE), key technologies (core machine-driven fan stage, Variable area ducted ejector, adjustable turbine guide and adaptive control technology, etc.), 19 Explore the test conditions and technical requirements of components and complete machines for variable cycle engine research, and master their test methods, which are helpful for the development of variable cycle engines The verification machine and engineering development provide technical reserves and support, and finally realize the leap-forward development of my country's advanced aviation power. Baidu search "Love to read", professional materials, life and study, all in the love of reading network, your online library
