美国探索未来军用喷气推进技术

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导读:美国探索未来军用喷气推进技术   几年以前喷气发动机技术似乎有点不景气,但是,现在美国的工程师们正在期待涡轮发动机技术在几十年内发生的最大改变。   美国空军正准备发起自上世纪80年代以来最重要的和范围最广的涡轮发动机验证计划,当时PW5000和GE37发动机验证机为普•惠公司的F119-PW-100铺平了道路。F119发动机现在已经装备F-22A"猛禽"战斗机投入使用。正当F-35联合攻击战斗机(JSF)依靠F-22A的发动机技术的逐步改进之时,美国空军对新一代军用飞机--包括先进无人战

美国探索未来军用喷气推进技术

几年以前喷气发动机技术似乎有点不景气,但是,现在美国的工程师们正在期待涡轮发动机技术在几十年内发生的最大改变。

美国空军正准备发起自上世纪80年代以来最重要的和范围最广的涡轮发动机验证计划,当时PW5000和GE37发动机验证机为普•惠公司的F119-PW-100铺平了道路。F119发动机现在已经装备F-22A"猛禽"战斗机投入使用。正当F-35联合攻击战斗机(JSF)依靠F-22A的发动机技术的逐步改进之时,美国空军对新一代军用飞机--包括先进无人战斗机(UAV)、远程攻击(LRS)系统和和未来空运机的计划要求进一步提升推进系统的能力。

这种新的验证机项目称为Advent(自适应多用途发动机技术)项目,它是美国多用途经济可承受先进涡轮发动机(VAATE)计划下的重要项目。今年(2007)开始的竞争将导致在2012财年验证一台装备齐全的发动机。目标是制造一台采用变循环技术的验证机,以便达到两个目的:一是改善性能;二是提供一组可以容易地自适应和变化尺寸以满足不同平台和不同任务要求的技术。一位工程师认为,Advent项目的意义和收益与上世纪60年代从涡喷发动机转变到涡扇发动机相当。

同时,工业部门的研究人员甚至在期待对喷气发动机来说是更为激进的转变。在2007年晚些时候,罗•罗公司的"自由工厂(LibertyW•rks)"--前爱利逊公司预研公司(AADC)和一个隐藏不露的先进技术提供者--打算运转一个试验装置,其目标是一种新型发动机,它将常规涡轮发动机与间隙燃烧或爆震结合在一起,有希望在性能方面实现突跃。

一、美国发动机技术发展计划之状况

20年前,1987年五角大楼发起了一项雄心勃勃的计划,名为综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET),旨在大大提高各种军用发动机的性能,从小的直升机发动机到战斗机动力装置和高的超声速导弹的发动机。IHPTET计划取得了许多成功,其技术成果被用于JSF的普•惠公司F135发动机和通用电气公司/罗•罗公司联合研制的F136发动机以及罗•罗公司用于洛克希德•马丁公司RATTLRS(时间关键攻击的革命性途径)的YJ102R发动机。

然而,1995年对JSF采用改型发动机的决定对先进战斗机发动机的发展泼了冷水,因为新技术不再有用户。按照IHPTET计划,通用电气公司和爱利逊预研公司论证了一种新的发动机,它把变循环技术与射流推力矢量喷管--用空气喷射代替机械结构来提供推力矢量和面积控制--结合在一起,而且推重比和单位推力高得足以差一点可以取消加力燃烧室的程度。按照研究人员的说法,这种发动机可以使JSF式的战斗机的航程增加多达40%。这种发动机的大部分硬件已经制造和试验过的,但是计划的全尺寸验证机却因为在90年代末IHPTET计划经费减少而没有完成。

随着IHPTET计划的结束,美国空军实验室(AFRL)及其工业伙伴发起了一项IHPTET计划的后继计划--多用途经济可承受先进涡轮发动机(VAATE)计划。

2003年8月,AFRL已经授出三项综合合同:通用电气公司和普•惠公司各得2亿美元,爱利逊预研公司得到1.5亿美元。VAATE计划涉及其他发动机制造商、其他军种和其他政府部门(NASA、国防部预研局和能源部)。

VAATE计划看起来是一项大的工作,但是经费像撒胡椒面一样。VAATE计划的合同不确定进度、不确定数量(IDIQ)的合同,包括该计划直到2017年的工作:实际投资强度的增长是缓慢的,而且,在2008年之前其投资强度达不到IHPTET计划的投资峰值年份。到2005年VAATE计划进展缓慢。一位工程师指出,"推进系统被看作为夕阳工业。"

VAATE和IHPTET之间的一个重要差别是:后者重点在发动机本身和它的能力,而前者重点在整个推进系统和经济可承受性,包括进气道和排气系统、第二动力系统和燃油系统以及它们与飞机机体的一体化,。例如,按照空军研究实验室的一位工程师说,IHPTET计划"在推重比方面取得重要进展",而在VAATE计划中,"我们从一开始就与武器系统的人员相结合,因而有比较宽广的目标"。这些目标包括战斗机、攻击机、运输机、情报和监视机以及包括燃油成本在内的总的经济可承受性。

事实上,燃油成本是美国空军高层领导为什么在去年或更早些时候变得积极支持VAATE计划的一个理由。不仅是燃油成本上升,而且在"反恐战争"中作战模式日益增长的多样性使得美国得到一个简单的教训:飞行的实际燃油成本,包括运输成本和安全成本,比JP-8的市场价格要高不少。美国空军还面临更换加油机机队的成本,而且,从加油机上出来的燃油成本甚至更高。

一份2006年的空军研究委员会的报告还警告美国空军,它需要更多的注意生存性,而且,VAATE计划的资金已经被削减。该报告说,恢复投资对提供超声速巡航飞机的能力是"关键性的"。

正在酝酿的LRS项目已经是说服美国空军增加对发动机技术投资的一个重要因素。早期的LRS研究显示,超声速巡航对于及时攻击和生存性是非常重要的;但是,为了投掷快速响应武器,长的续航时间也是需要的。目前的发动机技术不能满足这两方面的要求。

VAATE计划已经瞄准了一些先进发动机概念。这些概念包括:

•用于长航程无人机的高效小尺寸推进系统(ESSP);

•用于较小无人机的重油发动机(SHFE);

•用于马赫数4以上导弹的高速涡轮发动机验证机(HiSTED);

•大型固定翼货运飞机垂直起落时用的紧凑高效升力发动机(CEDLE);以及

•旨在将高效高涵道比发动机与低可探测性飞机相结合的极高效埋入式涡扇发动机。

二、Advent 发动机由来、应用和发展进度

在VAATE计划中首先被提出来验证的概念是原来称为自适应循环发动机(ACE)。它在一定程度上是基于通用电气公司的一种概念,此概念又是从通用电气公司/爱利逊公司按照IHPTET计划的工作发展出来的,而且在2004年首次被提到作为超声速商业运输机的潜在动力装置。虽然Advent项目可以有不同途径来达到其目标,也就是说不一定用通用电气公司ACE相同的设计,但是不同途径的基本原理是相同的。

除了发动机起动时用的可调进口导向叶片和静子叶片外,目前的涡轮发动机实际上是固定几何系统。通过发动机核心和外涵的气流和压比是固定的。仅有的控制器是油门杆,它调整进入燃烧室的燃油量并因此从压气机出口和涡轮之间的温度升高以及尾喷管喉道面积。结果是,发动机在单一转速和功率点上工作效率最高,在非设计点上效率就低。

上世纪90年代中期的通用电气公司/爱利逊公司的发动机--称为可控总压比发动机(C•PE)--是不同的。它最重要的新部件是核心驱动风扇级(CDFS)--位于风扇和压气机之间的额外的1级。在风扇和核心驱动级之间有一个涵道活门,而且在核心驱动级和压气机之间有一个专门涵道。在核心驱动级的前后有几个可调静子叶片。

在巡航模式,涵道活门打开,空气直接从风扇流到喷管。通过可调导向叶片和气动力的组合作用,在此模式下核心驱动级做很少的功:这种设计的重要特点之一是确保核心驱动级在涵道比最大时不吸收太多的功。

如果同时关闭涵道活门并调整核心驱动级的静子叶片,就会增大核心流量并"合上(turned •n)"核心驱动级,结果发动机的总压比增加。因为更多的空气通过核心,就可以燃烧更多的燃油并产生更大的功率。从本质上说,当油门杆变化时,发动机有可能保持恒定的压比。ACE在基本的C•PE的布局上又增加了一个部件--在发动机外围又增设一个外涵道,有一个从主风扇出来的单独流道,并且采用一个"Flade"级--接在转子叶片上的风扇(fan-•n-blade),这是接在风扇外围的1排短的转子叶片,后面有单独可调静子。在超声速运输机上,这个概念允许发动机改变其空气流量和单位推力,以适应超声速巡航、跨声速加速和亚声速巡航,同时满足最严格的噪声要求。

所有这些听起来非常复杂。然而,C•PE和ACE的魔力在于它们控制总压比和空气流量的能力。在今天的发动机中,空气流量和压比是恒定的,只有喉道面积和温度是可以独立控制的。喷管设计成可以改变喉道面积(A8)和出口面积(A9)。这使得喷管既复杂又重。隐身和推力矢量的要求又增加了复杂性。然而,C•PE发动机直接控制喉道压力(P8)和喉道温度(T8),所以喷管可以是固定的。

ACE将此机理又向前推进了一步,因为发动机总的空气流量可以通过打开或关闭"Flade"后面的静子来调整。其结果是,发动机可以在固定式进气道后面以亚声速和超声速工作,而不会使气流从进气道溢出从而引起过大的阻力。

这种大幅度的变循环是Advent项目的设计目标。目的是要能够独立地改变通过风扇和核心的空气流量和压比。这种技术的用途是要不仅限于战斗机和超声速巡航飞行器。例如,它可以提高运输机发动机短距起飞时的功率,而不影响亚声速巡航时的性能。它还可以使无人机发动机以大涵道比发动机高效地工作,以便在中空飞越,然后转变成低涵道比、高压比发动机,可以提取大的功率,供高空巡逻时为各种传感器工作提供电力。

另一个例子是设计用于马赫数2.5巡航的发动机。一台Advent发动机在马赫数2.5时在安装阻力方面相对于常规固定循环发动机的优势比较小,但是,随着飞行速度的降低,在马赫数1.5时,该发动机能够使其气流适应进气道的能力可以降低阻力多达26%。在亚声速时,常规发动机的性能就降低了,因为它们的油门杆被拉回,因而降低了热效率和推进效率。这是因为发动机核心浪费了压缩不参与燃烧的空气的能量。而Advent发动机提高其涵道比并且在核心中保持高的能量,因而使得效率提高35%。

Advent发动机对于空军要把高速与长待机时间结合起来的LRS平台的优势是非常重要的。一位空军研究实验室的工程师指出,"在具有多种不同性能要求的飞机上能取得最大的收益。"

然而,在Advent发动机的多用性方面还有另一个长处,它的部件和技术可以满足不同飞机的需求。与Advent发动机相类似的就是通用电气公司原来从B-1飞机的F101发动机派生出来的发动机系列。通过发展不同的风扇和低压涡轮级,通用电气公司能够使用F110战斗机发动机的同一个核心派生出用于B-2和U-2S飞机的F118发动机以及商用发动机CFM56。在某种程度上,Advent发动机既能满足单一任务飞机,又能适应不同的飞机。

在这种情况下的目标是在多种飞机上分享发动机来降低研制成本。这不仅是合乎需要的,而且也许对无人机和无人战斗机来说是必须的,因为这些飞机的生产数量也许不会大到足以支持一种新的基准发动机。例如,美国海军正在考虑将Advent技术用于其无人空战系统(UCAS-N)以及改装F/A-18E/F"超黄蜂"和EA-18G"咆哮者"。

普o惠公司强调发动机热端部件技术的重要性,提出应该综合运用新材料、隔热涂层和更有效的冷却方案。就冷却而言,目标是要调节冷却空气流量,以尽可能最少的冷却空气达到能够接受的材料温度。对无人机发动机而言,热管理也是重要的,它需要长时间以低的推力和空气流量工作,而为传感器或甚至定向能武器提供大的功率。

2007年1月,空军研究实验室发布了一份Advent的大范围通告(BAA),要求工业部门提出一个验证项目。当前的计划是要求在2007年8月选择两家竞争的承包商或团队,进行全台发动机的初步设计和试验关键部件技术。在2009年5月左右,将选出一个团队进入阶段II,即设计和制造一台大的缩尺验证机,以便在2012财年试验。

试验的安排是要使发动机的新技术达到技术准备等级(TRL)6,这是研制基于Advent技术的实用发动机的起点。

据从事这项工作的工程师和其他人员说,Advent项目的出现起因于认识到美国军事处于失去新发动机技术机会的危险。

三、燃气涡轮和脉冲爆震混合发动机冒出地平线

超越Advent发动机之上,通用电气公司和罗•罗公司"自由工厂"的研究人员相信,一种新型的飞机发动机已经出现在地平线上并具有明确技术可行性。两个团队正在研究一些发动机方案,它们将燃气涡轮发动机的原理与脉冲爆震波发动机(PDWE 或PDE)的原理结合在一起。

PDWE最初是在20世纪40年代构思出来的,并且在80年代和90年代作为高速飞机的动力装置又重新引起人们的兴趣。它既有冲压发动机的高速度能力,又有在零空气速度下的提供推力的能力。

在原理上,PDWE是一根一头开口的管子。在这根管子的封闭端充以燃料和空气,后将混合物点燃,结果产生超声速压缩波,该压缩波沿管子向下游移动并使混合物产生爆震。结果是像在柴油发动机内发生的一样在定容和高压状态下燃烧,从而使效率提高。

然而,通用电气公司和罗•罗公司的研究重点转移了。从2002年到2006年,T•ny Dean领导了通用电气公司的全球实验室中的PDWE研究。他说,"开始时,我们对PDWE的研究集中在小型超声速的用途上,像巡航导弹。"然而,导弹发动机不是通用电气公司的业务,因而,通用电气公司的研究人员设法将此同样的原理应用于通用电气公司的主要市场上。

目前,该公司正重点研究混合发动机,在这种发动机中,多管的PDWE取代涡轮发动机的核高压核心,其排气驱动涡轮,涡轮又带动常规的风扇。

罗•罗公司已经采取了多少有点类似的途径,开发一种叫做波转子的装置的潜力。从上世纪30年代以来已经在许多地方--从工业压气机到大型增压器--应用的波转子是一个由多个管子组成的旋转组件。当此组件旋转时,在每个端头的固定口打开和关闭管子的端头,而且压力波沿管子移动。在罗•罗公司的定容燃烧室(CVC)方案中,每个管子就是一个PDWE。当气体流过端口时,PDE经历充气、爆震和排气循环。

至今,在两家公司的研究人员说,在他们的研究中还没有特别受欢迎的(sh•w-st•ppers)。通用电气公司已经运转以一台与涡轮结合的8管PDE,产生520kW的功率。这项研究的一个目的是研究涡轮在非定常流中的工作特性。通用电气公司还进行了基本的PDE研究,以便验证PDE可以用空气和常规燃料运行,而许多早期的PDWE验证是用氧和可燃但不实际的燃料,如乙烯。

通用电气公司计划继续研究非定常流的影响,并且正在对潜在的资助人提出一些PDE混合发动机验证方案。Dean说,两年内可以运转一台地面试验发动机,但是,这涉及高的投资和风险。他说,一个在制造硬件以前排除某些风险的项目将花4年时间。验证机的大小将取决于资助人和可供使用的经费,但是可能在T700大小的直升机发动机和小型喷气发动机之间。"硬件的尺寸越大,所花的时间越长,而较小的发动机给我们更多的时间来反复迭代。"

罗•罗公司在静止试验台上进行了有代表性的波转子管设计的试验,以研究像转子端头的封严这样的问题。该公司目前已经制造了它首台多管旋转CVC装置,预计在2007末开始试验,并且在2008年和2009年继续试验。下一步将是设计在压气机后面工作的高压CVC。以后,这台CVC也可以集成到验证机里。

PDE混合发动机有若干优点。它的定容高压燃烧比常规的喷气发动机循环的热效率高罗•罗公司估计可以节省燃油达15%之多。另一个有点是部件可以自身冷却,因为PDE的部件在每一个循环中都接受冷的空气和燃料,不像常规涡轮发动机那样涡轮始终处于热燃气之中。这可以有两种方法来利用:一种是用比较简单的、耐久的PDE部件来取代目前涡轮发动机的昂贵的热端部件;另一种是用PDE或CVC技术来提高发动机工作温度。

后一种方法对于长寿命高马赫数发动机是非常有吸引力的。事实上,罗•罗公司研究的第一个CVC的用途属于美国国防部预研局的宁静超声速平台(QSP)项目,而且声称是完全满足马赫数2.4飞机的性能指标的唯一提议的发动机。更现实地说,罗•罗公司也已经研究了它的AE3007发动机的CVC改型,AE3007目前用于支线运输机和诺•格公司的"全球鹰"无人机。该公司说,这种技术可以缩小到直升机发动机。

迄今为止,无论Advent发动机还是PDE混合发动机还没有与任何具体项目的时间表挂钩,但是两种发动机都可以在JSF或任何其他新的项目的生产寿命期内作好技术准备。而且,因为在军事预算中对于燃油和运行的预算的忧虑越来越强烈,对这种新技术的需求只会增强而不会减弱。(作者:中国航空工业发展研究中心航空技术所 方昌德)(责编 洪山)


美空军实施下一代战斗机发动机技术验证计划

[美国《每日防务》2007年8月16日报道] 普惠公司已在3家公司竞争下一代美国战斗机发动机技术验证项目中失利。通用电气(GE)公司和罗罗美国公司各赢得美国空军研究实验室的自适应通用发动机技术(ADVENT)项目的一项合同,验证变循环发动机。该发动机将超声速冲刺所需的高推力和亚声速耐航速度飞行所需的燃油效率结合于一体。

普惠公司已在制造洛克希德•马丁公司F-22战斗机的动力装置F119发动机,并正在研制其一种派生型发动机F135,作为F-35联合攻击战斗机动力装置。GE和罗罗公司已组队研发F136作为F-35替换发动机,但是该项目面临着取消的威胁。

GE公司已获得总值2.31亿美元的ADVENT合同,而2.96亿美元的合同也已授予位于印第安纳波利斯的罗罗公司Liberty工厂。地面验证发动机计划2012年运行。GE和罗罗公司曾决定分别投标ADVENT项目,但双方同意如果任何一家或两家赢得合同,应提供其所研发的技术插入F136发动机。所以竞争失败是对普惠公司和它的F135计划的双重打击。

作为更大型的国家通用经济可承受先进涡轮发动机(VAATE)计划的一部分,ADVENT项目的重点是研制和验证在低涵道比和高推力之间改变发动机循环的能力。高推力是飞机超声速冲刺所要求的,而高涵道比和低燃油消耗是飞机亚音速耐航飞行所必需。

这样的发动机可以装备需要高速和长航时的未来战斗机,以执行远程、持久攻击和侦察任务。但是美国空军研究实验室说过,ADVENT技术将不能按时为美国空军的下一代轰炸机做好准备,如果它坚持在2018年前形成初始作战能力的话。(洪山)

自适应循环发动机

F120就是变循环的第一代实用产品,就是和F-22配套使用的。估计其推重比比F119-PW-100更高。


综合高性能涡轮发动机技术 IHPTET

(Integrated High Performance Turbine Engine Technology)

美空军研究实验室下属推进系统理事会是该计划执行的“抓总”单位了,有条件的话可以访问APRL的主页,那里有相当详细地介绍(其月度报告有助于我们了解美军在航空航天领域内的研究进展)。不过关于VAATE计划执行情况的介绍似乎还不多,可能是尚处于研究初期阶段...也需要保密(www.pr.afrl.af.mil)

“简要介绍一下美国自1988年开始实施的大型发动机预研计划——综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)。航空动力技术是美国历来极端重视的“关键技术领域”,为了保持在该领域内的领先地位,早在五十年代末起就由美军方牵头实施了多项预研计划(如ATEGG、APSI等等),这些预研成果给后来的型号研制提供了大量经验证的关键技术,取得显著成效。美国深刻体认到航空发动机研制的艰巨性、复杂性,为减少风险、缩短周期必须先行开展相关研究,尤其是关键技术的预研。八十年代后期,在研制第四代发动机的同时,以美国军方、国防高级研究计划局(DARPA)、NASA和工业界所组成的一支 “国家队”,共同参与了一项大型的战略性发动机预研计划,这就是著名的“综合高性能涡轮发动机技术计划”。该计划从1988年起开始实施,原定于2002年结束,后又推延至2005年。该计划投入资金约50亿美元,计划设定的总体目标是到21世纪初,使航空发动机综合能力较1988年的水准提高一倍,具体指标为“推重比提高100%、油耗降低30%、成本减少35%”。该计划分三个阶段实施,截至2005年,通用电气/艾利逊公司(现为RR北美公司)在第三阶段中制造了XTC77/1、XTE77/1变循环核心机与验证机,其推重比指标预计提高85%;普.惠则研制了XTC67/1核心机和XTE67/1验证机。

IHPTET的巨大成功为美国研制推比15~20的新型航空发动机提供了雄厚的技术储备,同时大量经验证的研究成果也是现役发动机改进改型的重要保障!


如今的美国是一超独霸、航空技术处于绝对领先地位,相当时期内还看不到有挑战者的产生,对于新发动机的需求也就不是十分紧迫了。IHPTET计划诞生于冷战末期,我认为应该考虑到美国与苏联争霸的因素,有意突出高性能指标(且之前的十年是美国发动机业界补课时期[提高“可靠性、耐久性、维护性”],发动机推比等性能没有显著的提升,因此当时军方对21世纪初的动力技术提出了极高的要求)。

美国的国力雄厚,有充足资源同时支持新发动机研制及下一代发动机的大型预研项目,其预研成果为型号研制提供了重要的技术保障,而且这些预研计划进行时间长,涉及面广、研究深入,因而向型号转化的过程就快、风险小,也更顺利。

另外我们也不要只盯着“推比”性能,美国航空发动机研制的指导思想已演变为“一体化的设计”,注重发动机综合性能,将先进技术的经济可承受能力列为重点,降低发动机研制及全寿命期费用。

本世纪初开展的VAATE(Versatile Affordable Advanced Turbine Engines 经济可承受先进涡轮发动机计划 )就体现了上述理念,该计划是美国继IHPTET后实施的又一项大型、战略性技术预研计划,参与者除了IHPTET中的11家单位,还增加了能源部和国防部办公室。

VAATE设置三个重点领域组:通用核心机、智能发动机、耐久性三大块,涉及的应用领域十分广泛——航空、航天推进系统(除了传统的燃气涡轮发动机外,还包括新型吸气式高超音速发动机等)以及非宇航(燃机)动力装置的技术研究。VAATE与IHPTET(第三阶段)既有衔接、又有所调整。VAATE更注重部件技术、如通用核心机组,就是通过三大部件的技术革新以实现“核心机派生发展”,降低研制风险、减少发动机的成本。

VAATE分为两个阶段进行:第一阶段(2005~2010),其中推重比指标为16;第二阶段(计划到2017年结束)推比达到20。需要特别指出的是,根据IHPTET的经验,VAATE的研究进度和推比指标较前者都有重大调整,将2000年发动机水平作为该计划的基准(推比定在6.4),2005年IHPTET第三阶段完成(推比指标为12)——作为VAATE的衔接点。


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