中國或直接上高超音速?六代戰機動力:美國已突破變循環發動機

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美軍的六代機項目NGAD以及搭配的變循環發動機是美軍最為神秘、同時也是最為先進的項目之一,公開報道的信息少之又少,而據公開的有限資料來看,變循環發動機研發已經基本完成,對於這種先進的發動機我們的技術水平又如何呢?

GE XA100變循環發動機:測試超過性能目標

2021年5月13日,AviationWeek上刊出瞭一篇報道,內容是通用公司的GE XA100的變循環發動機完成高空臺測試,性能超過預定目標!

GE Edison Works 高級戰鬥部總經理David Tweedie表示,第一臺XA100的測試於2020年12月22日在俄亥俄州埃文代爾的高空測試臺開始進行測試,一直持續到3月下旬,其已經完成所有項目測試:

“達到瞭我們所有的主要測試目標,”Tweedie稱:“引擎的運行狀態與我們的預測的完全一致,引擎可以在兩種不同模式間做到無縫轉換的能力。”

David Tweedie

XA100發動機的設計與常規不同,其存在核心機的氣流和低壓旁通氣流的基礎上,還有額外的第三道氣流可以被重新定向,這個氣流可以運行在兩種模式下:

需要燃油效率時增加旁通比,此時會更省油;或者將額外的氣流引導至核心以獲得更大的功率,此時將有更大的推力;

這種模式可以在巡航模式下獲得更高的燃油效率(更省油),或者在更高速模式提高核心機功率以提供更大的推力!和常見的發動機相比,它可以將推力提高10%,燃油效率提升25%,據Tweedie表示,在整個飛行包線內,發動機性能都非常瞭不起!

“續航裡程增加30%或停留時間增加50%”

“我們非常滿意發動機已超額完成瞭設計者最初提出的目標”

Tweedie稱,XA100將在不晚於2027年裝備洛克希德的F-35A,在2030年前裝備美軍的六代機NGAD。

何為變循環發動機:NGAD的六代機項目有什麼內容?

上文說瞭半天變循環發動機,說到底這究竟是什麼發動機?何德何能會成為六代機的標配動力?所謂的變循環發動機其實就是一種比較特殊結構的噴氣式發動機,也正是因為它的特殊結構,導致設計實現它的難度很高,全球多國都在試圖突破這種發動機,到目前為止,公佈出來的隻有美國!

變循環發動機:渦噴+渦扇

噴氣式發動機其實種類挺多的,比如有脈沖噴氣發動機、離心式噴氣式發動機,渦輪噴氣發動機和渦輪風扇發動機與沖壓發動機等,不過到目前為止,應用最廣泛的還是渦輪噴氣發動機(渦噴)和渦輪風扇(渦扇)發動機。

渦噴與渦扇到底有什麼區別?

渦噴和渦扇其實非常相似,都有多級壓氣機、燃燒室以及高壓渦輪和尾噴口等部件組成,看起來主要結構如下圖:

對於噴氣式發動機我們是不明覺厲,畢竟這個結構不是每個人都能看懂結構的,但這有啥問題?覺著很厲害就行瞭!但事實上要是常規的噴氣式發動機,差不多就隻有兩種,一種就是渦噴,另一種是渦扇,要分辨還是不難的:

渦輪噴氣發動機

上圖為渦輪噴氣發動機,從進氣口的壓氣機開始到尾噴口,隻有一條氣流通道,這些氣流會經過多級壓氣機壓縮,最後到燃燒室噴入燃油燃燒,再推動高溫渦輪轉動為整臺發動機提供動力,最後在尾噴口高速排出形成推力。

上圖為渦輪風扇發動機,從進氣口風扇後氣流分成兩個通道,一個是和渦噴發動機一樣繼續經過後面的壓氣機進入多級渦輪壓縮後進入燃燒室,最後推動高溫渦輪後排出尾噴口形成推力;而另一道氣流則直接旁通,從外涵道直接到達尾部,混入高溫燃氣,輔助增加推力。

各位千萬別看這個外涵道的旁通氣流,根據外涵道風扇的直徑,其提供的額外推力占整臺發動機推力的30%~70%,比如客機的渦扇發動機,外涵道產生的推力比發動機核心機產生的推力要高得多,看起來就如下這個樣子:

因此大傢都對渦扇推崇備至,因為渦扇推力更大,也更省油!但渦扇有一個致命缺點,由於存在外涵道,它的迎面阻力是比較大的,它的效率在超過音速,特別是高於2倍音速後效率會快速下降,因為此時產生最大推力的那個大風扇就成瞭累贅。

相對渦噴就不存在這個問題,因為它自始至終就隻有一個涵道,因此在高空高速優勢明顯,那是非渦噴莫屬,比如前蘇聯著名的高空高速戰鬥機米格-25用的就是兩臺土曼斯基R-15BD-300帶加力燃燒室的渦輪噴氣式發動機,在這兩臺發動機的推動下,米格-25能以3.2馬赫的速度狂奔!

但這裡有一個問題,既然渦噴高速性能優勢明顯,為什麼不用渦噴呢?答案是渦噴的糟點更多,因為飛機大部分時間都是在低速條件下,而渦噴的低速性能不好,油耗很大,不夠經濟,因此客機發動機沒有人選用渦噴!

變循環發動機:集合渦噴和渦扇的優勢

其實渦扇也可以設計成小涵道比的高速型,比如可以達到2.8馬赫的米格31的發動機就是兩具什韋措夫發動機設計局(Aviadvigatel)D30-F6小涵道比渦輪風扇發動機,但顯然無法兼顧低速低油耗與高速大推力狀態。

D30-F6

因此一種變循環發動機的結構就出現瞭!最早的變循環發動機應該SR-71的Pratt & Whitney J58發動機,不過這種發動機並不是完全的變循環結構,而且很多朋友理解的能讓其工作做沖壓狀態是一個錯誤的理解!

SR-71無論是造型還是速度都令大傢大開眼界,它第一次試飛的時間是1964年12月22日(米格-25是1964年3月),最高速度為3.32馬赫,比米格-25略高,但它造型就非常科幻瞭,幾乎打破瞭當時對飛行器的想象!

SR-71使用的J58發動機是一種渦噴改進型,它的主要結構和渦噴基本沒啥差別,可能很多朋友都看不出它到底有什麼特殊結構!如下圖:

看起來也完全沒有能讓發動機處在沖壓模式的結構!但各位隻要看一下如下裝機圖就明白瞭:

機翼上安裝的發動機前方有一個尖銳的鼻錐結構,這是大傢熟悉的沖壓發動機的典型結構,因此很多朋友就誤以為這個發動機可以工作在沖壓模式下,但顯然是錯誤的理解:

從鼻錐處進入的氣流,可以繞過發動機直接混入發動機排出的高溫尾氣中,這個氣流可以增加旁通比減少阻力,還可以冷卻發動機產生高溫的部件,當然更重要的是可以降低尾氣溫度減少紅外特征,但它唯獨沒有的就是沖壓發動機的功能。

那麼其鼻錐到底是幹什麼用的呢?為什麼要有一個尖尖的類似於沖壓結構的設計?其實這就是帶調節錐的超音速進氣口,它的功能是調節超音速進氣截面達到最高效率,另一個則是避免激波直接進入進氣道,如下動圖可以很直觀的反映出這個鼻錐的功能:

馬赫數從1.6開始到3.2時鼻錐的調節范圍,可以清晰的看到氣流在進氣道內的流動路徑以及在鼻錐出產生的激波,剛好在最高速時被進氣道外壁擋在外面,要不然這激波能把發動機給搞死。

J58的變循環結構到底“變”在哪裡?

J58發動機即使在最高速狀態下,這臺渦噴發動機仍然是繼續工作的,但它確實為變循環設計瞭一個非常特殊的結構!不知道各位有沒有看到發動機外面的幾根管子,它的作用是在第四級壓縮機後將氣流引出直接送到加力燃燒室!

當速度達到2.5馬赫時,由於進氣壓力已經接近排氣壓,再提高速度就會讓發動機處在喘振狀態,而且加力燃燒室沒有足夠的冷卻空氣會導致高溫接近材料熔點,因此將第4級壓縮機後20%的氣流通過“六根外管”直接送到加力燃燒室。

這個氣流解決瞭發動機的喘振以維持穩定工作狀態,並且將加力燃燒室溫度控制在工作溫度范圍,而且也增加瞭推力,將2.5極限速度增加到瞭3.2馬赫,這種設計有些類似沖壓發動機,但它的工作原理並非沖壓發動機的壓縮過程,另外這些氣流是被送至加力燃燒室。

J58的變循環結構是當時工程條件下能解決的極限,而且3.3馬赫的極速在當時很難被防空導彈攔截,因此SR-71出來後的一段時間內簡直就入無人之境。

YF120:變循環發動機太過先進而慘遭淘汰

YF120是美國的第二款變循環發動機,它的設計思想已經跳脫於J-58的“一級引流”模式,而是有多個處理方式,已經從J58的初級變循環進入變循環的“中級”模式。

它的工作原理比J58要復雜一些,其基本原理圖如下:

筆者本來想找張清晰一點的圖,結果翻遍網絡隻有這張才稍稍可以看一點!上圖中有兩個旁路結構,分別是二級旁路(低壓)和主旁路(高壓),它的工作原理如下:

渦扇狀態:二級旁路(低壓)活門關閉,主旁路(高壓)開啟,形成瞭兩級低壓一級高壓的外涵道;渦噴狀態:二級旁路(低壓)活門開啟,主旁路(高壓)關閉,形成瞭渦噴工作狀態;

在渦噴狀態時,“外涵”低流量低壓比,這些經過兩級低壓扇的氣流被引入外涵道主要起到冷卻作用,而在渦扇工作狀態下需要高壓比高流量,也算是一個非常經典的變循環解決方案,在通用最新的變循環發動機中也部分呢采用瞭類似的結構,不過各位請註意,在YF120中仍然沒有所謂的沖壓狀態!

這是GE經典變循環,上半部為渦噴工況,下半部為渦扇工況

使用瞭YF120發動機的YF-23當年是和YF-22競爭的機型,其性能高於YF-22,僅僅在超機動性方面低於YF-22(裝瞭二元矢量發動機),但最終YF-23落敗,其原因是發動機過於先進,性能仍然不夠穩定,最終諾斯羅普的YF-23落敗於洛克希德的YF-22,諾斯羅普也與洛克希德合並成為諾斯洛普·格魯曼公司(Northrop Grumman)!

上:YF-23和下:YF-22

GE XA100變循環發動機:變循終極狀態?

從J58到YF120,變循環經歷的經典的兩個結構,到瞭GE的XA100變循環發動機,其原理上並沒差多少,而且前面這些Variable Cycle Engine結構已經能實現瞭,顯然GE XA100並不止於此,在它的宣傳資料中有一個“自適應”的字樣。

GE XA100的“自適應”結構中距GE官方稱使用瞭“three-stream”的自適應結構,從公佈的原理圖來看要比YF-120的要更簡單,走瞭更多彎路後又回到瞭變循環中最為穩妥的方案,似乎拋棄瞭很多變形魂環的優秀技術,但GE官方卻未公佈更詳細的細節,也不排除公開的資料中混淆視聽,目前很多技術細節仍然在猜測中。

彎道超車?對於變循環發動機:中國有更好的技術嗎?

從羅裡吧嗦的上文我們可以瞭解到,變循環發動機並不能工作在沖壓模式下,因此它的最高速度也不可能突破渦噴創下的最高紀錄,但它更節省燃油,能續航更久以及更高速度的超音速巡航,顯然這是六代戰機最佳動力。

發動機是我國航空工業的短板,盡管這些年來已經在奮起直追,但數據積累與技術功底在短期內難以彌補也是事實,那麼我國在發動機上是否也能像航母一樣直接越過蒸汽彈射器進入最先進的電磁彈射領域呢?

來給出這個答案之前,我們不妨先來看看7月4日的新聞:

2022年7月4日,西北工業大學航天學院空天組合動力團隊牽頭研制的“飛天一號”火箭沖壓組合動力在西北某基地成功發射:

國際首次驗證瞭煤油燃料火箭沖壓組合循環發動機火箭/亞燃、亞燃、超燃、火箭/超燃的多模態平穩過渡和寬域綜合能力,突破瞭熱力喉道調節、超寬包線高效燃燒組織等關鍵技術,飛行試驗圓滿成功。

這臺“火箭沖壓組合循環發動機”可以在“火箭/亞燃、亞燃、超燃、火箭/超燃”這些模式之間平穩切換表示什麼意義?

一般沖壓發動機的亞燃指的是4-5倍音速的模式下工作為亞燃沖壓,而超燃沖壓則工作在5-6倍音速以上,如果一臺發動機能從火箭、亞燃沖壓到超燃沖壓平穩過度,那麼它已經具備瞭玩高超音速的能力,它將有能力在6-10倍音速的區間角逐。

而且在新聞中有一個描述非常關鍵,它用的燃料不是液氫而是煤油!一旦它作為飛行器的動力是可以接受空中加油的。這種發動機一旦成熟,它將直接跨越超音速,直接進入高超音速領域,在這個“天下武功、唯快不破”的世界裡,假如有一種戰鬥機能以高超音速的速度翱翔天際,估計暫時已經沒有敵手瞭!

其實並不止西工大的組合循環沖壓發動機,2022年1月24日,清華大學航天學院的旋轉爆震發動機也實驗成功,這種發動機同樣屬於結構極為簡單但技術卻很難的發動機類型,更誇張的是它可以零速度啟動,理論上還可以切換成火箭模式直接進入太空。

因此我們直接跨越變循環發動機,進入高超領域完全有可能!就像我們不會造活塞發動機,但未來將是電動車的世界,沒有裝備蒸汽彈射卻直接上瞭電磁彈射,或者我們將直接進入高超領域,未來的空天飛機也似乎在向我們招手!

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  • 本文由 发表于 2022年7月7日
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