[特一连]航空发动机百年回顾和展望(三)

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三、展望未来

发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长,发动机对飞机的性能以及飞机研制的成败和进度有着决定性的影响,而且发动机技术具有良好的军民两用特性,对国防和国民经济有重要意义。因此,世界上几个能独立研制先进航空发动机的国家无不将优先发展航空发动机作为国策,将发动机技术列为国家和国防关键技术,给予大量的投资,保证发动机相对独立地领先发展,并严格禁止关键技术出口。一些航空发动机后起工业国家也已制订了重大的技术发展计划,试图建立独立研制或参与国际合作研制先进航空发动机的能力。为满足21世纪各种航空器发展的要求,航空发达国家从上世纪80年代末开始实施新的涡轮发动机技术发展计划,其目标是到2005~2008年掌握使发动机能力翻番的技术。所取得的阶段成果已经成功地用于一些在役发动机的改进改型和新型号研制,目前正处于最终目标的验证阶段。鉴于计划的成功实施和发动机对航空发展产生的重要作用,有的国家已经拟订了进一步的发动机技术发展计划。新计划在继续提高能力的同时更强调降低成本,其目标是从2006年到2015年使以发动机能力(推重比/耗油率)与全寿命期成本之比来度量的经济承受性提高到10倍。在高超声速推进方面,重点发展超声速燃烧冲压发动机和脉冲爆震波发动机,近期目标是实现M 4~8的导弹推进系统,远期目标是发展供高超声速有人驾驶飞机、跨大气层飞行器和低成本可重复使用的天地间往返运输系统的组合动力系统。其他一些新概念发动机和新能源发动机也在探索之中,如以微机电技术为基础的微型无人机用超微型涡轮发动机和多电发动机,以及液氢燃料、燃料电池、太阳能和微波能等新能源动力。

1、综合高性能涡轮发动机技术计划

1988年,美国空军首先发起制订并实施高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划,空军、海军、陆军、国防部预研局、NASA和七家主要发动机制造商都参与了这项计划。计划总的目标是到2005年使航空推进系统能力翻一番,即推重比或功率重量比增加100%~120%,耗油率下降15%~30%。也就是说,要用15~20年时间取得过去30~40年取得的成就,生产和维修成本降低35%~60%。可以说,航空推进技术正呈现出一种加速发展的态势。

在欧洲,以英国为主,意大利和德国参与共同实施了先进核心军用发动机计划的第二阶段(ACME-Ⅱ),英国和法国又联合实施了先进军用发动机技术(AMET)计划。ACME-Ⅱ的目标是在2005~2008年验证推重比18~20、耗油率降低15%~30%、制造成本低30%和寿命期费用低25%的技术。俄罗斯也有类似的计划,其目标是在2010~2015年验证的技术,与俄罗斯的第五代发动机相比,重量减轻30~50%,耗油率减少15~30%,可靠性提高60%~80%,维修工作量减少50%~65%。

这里着重介绍美国的IHPTET计划,它采取变革性的技术途径,综合运用发动机气动热力学、材料、结构设计和控制方面突破性的成就,大大提高涡轮前温度,简化结构,减轻重量,实现最佳性能控制,最终达到预定的目标。计划总投资50亿美元,以1995、2000和2005财年分为三个阶段,分别达到总目标的30%、60%和100%。目前,第二阶段的任务已经完成,第三阶段计划正在实施,并已进入核心机的验证机试验阶段。下面将以涡喷/涡扇发动机技术为例说明其进展。

●第一阶段? 军方选普拉特?惠特尼公司为主承包商,通用电气公司为备选承包商。以普拉特?惠特尼公司的XTE65/2验证机为代表,在1994年9月的试验中已经达到并超过了第一阶段的目标--推重比增加30%,涡轮进口温度比现有先进发动机高222℃,超过目标55℃。在它上面验证的主要新技术有:小展弦比后掠风扇、Alloy C阻燃钛合金压气机材料、双合金压气机盘、刷子封严、陶瓷复合材料火焰筒浮壁、"超冷"涡轮叶片和球形收敛调节片矢量喷管(SCFN,原定的第二阶段目标)。

●第二阶段? 军方选通用电气公司/艾利逊预研公司联合组为主承包商,普拉特?惠特尼公司为备选承包商,以确保一家承包商失败时,技术仍能得到发展。艾利逊预研公司于1991年底和1994年6月分别试验了针对IHPTET计划第二阶段目标的XTC16/1A 和XTC16/1B核心机,提前4年达到第二阶段核心机目标。在这两台核心机上验证的新技术主要有:压气机整体叶环结构、Lamilloy"铸冷"涡轮叶片、涡轮整体叶盘、耐温700~800癈的γ钛铝合金、周向分级燃烧室和陶瓷轴承。

通用电气公司/艾利逊预研公司联合组在1995~1996年试验了一种合作的变循环核心机XTC76/2。该核心机有5级压气机和1级涡轮。于1998年开始试验在XTC76/2核心机的基础上组成的变循环验证机,该验证机上采用的新技术还有:先进的2级弯掠风扇、无级间导向器对转涡轮、金属基复合材料低压涡轮轴和镍铝合金涡轮部件。

普?惠公司在1999年也试验了下一代战斗机发动机PW7000的初始原型,XTE-66,属于第二阶段技术验证机,其推重比将比F119提高50%,达15~16。IHPTET计划第二阶段的变循环发动机可以在不带加力的条件下达到F100-229和F110-129的带加力单位推力,它与F100-229相比有以下改进:转子级数减少5~6级;长度缩短40%;推重比从8提高到16;

典型任务油耗下降1/3;成本降低20%~30%;改进隐身能力。

●第三阶段 第三阶段已经通过了应用基础研究和部件研究阶段,在气动热力、结构和材料方面已经取得了阶段性成果,在2001年和2002年分别进入核心机和验证机验证。待验证的技术有:带核心驱动风扇级的变循环发动机、压比相当于F100-200发动机3级风扇的单级分隔式叶片风扇、高级压比的金属基复合材料整体叶环结构的高压压气机(4级达到F100发动机10级的压比)、钛铝压气机转子和静子叶片、驻涡稳定燃烧室、燃烧室主动温度场控制、陶瓷基复合材料火焰筒、陶瓷基复合材料涡轮导向叶片、无导向器叶片的对转低压涡轮、双辐板涡轮盘、旋流加力燃烧室、流体控制矢量喷管(可分别降低重量和成本60%和25%)、磁性轴承、气膜轴承、内装式整体起动/发电机和模型基分布式主动稳定控制系统。

IHPTET计划实施以来,其成果已应用到许多军民用发动机的新型号研制和现有型号的改进改型上。在民用发动机方面有GE90、PW4084、CFM56-7、AE3007和FJ44, 在军用发动机方面有F117、F118、F119、F135、F136、F404、F414、F100和F110。

2、通用、经济可承受的先进涡轮发动机计划

由于IHPTET计划在取得空中优势和商业竞争优势中的重要作用和已经取得的巨大成功,美国准备从2006年开始实施IHPTET计划的后继计划--VAATE计划,其指导思想是在提高性能的同时,更加强调降低成本。VAATE的总目标是,在2017年达到的技术水平使经济可承受性提高到F119发动机的10倍。技术验证将分两个阶段进行。第一阶段到2010年,使经济可承受性提高到6倍;第二阶段到2017年使经济可承受性提高到10倍。

推进系统的经济可承受性的定义为能力与寿命期成本之比,其中能力为推重比与中间状态耗油率的函数。

VAATE计划的服务对象不仅包括有人驾驶航空器的发动机,而且还涉及无人机的发动机以及船用和地面燃气轮机。与IHPTET计划一样,VAATE计划仍由国防部主持,NASA、能源部和六家发动机制造商参与。其投资水平也与IHPTET计划相当,每年3亿多美元,由政府和发动机制造商均摊。VAATE计划将通过三个重点研究领域的相互配合来实现经济可承受性提高到10倍的目标,即通用核心机、耐久性和智能发动机。

●通用核心机 通用核心机研究领域是为一种多用途的4000h免维修发动机核心机发展技术。通用核心机为许多涡轮发动机提供一系列类似的核心机,从而达到高的通用性并降低成本。例如一个小的多用途核心机可以复盖功率为7450kW的大型涡轴发动机、推力为3100~4450daN的军用运输机发动机、推力为2230daN的无人驾驶飞行器的动力或推力为710daN的先进巡航导弹的推进装置;一个大的多用途核心机可作为战斗机、轰炸机和运输机发动机的基础。

通用核心机的好处有:军民相关发展硬件可以共用;通用零件可以降低各种成本因素;分摊发展和翻修成本;加快技术向产品的转化。通用核心机的通用性将通过下列方法实现:高的剩余功率;优良的燃油效率;耐久/鲁棒的设计;灵活、宽广的流量范围。

●耐久性 耐久性研究领域将研究、设计和试验一些手段,来防止部件失效,延长寿命,提高可靠性,最终改善性能。

耐久性对战备状态十分重要。美国空军和海军都经历过因发动机耐久性问题而造成的维修和备件不足的困境。发动机耐久性越来越引起人们的关心,目前正有一项高周疲劳(HCF)科学和技术计划在研究这个问题。在过去25年中,军用涡轮发动机的高周疲劳(HCF)故障的发生急剧增加。在1982~1996年间的美国空军发生的发动机有关的A级事故中有56%由HCF引起。HCF有关的维修费用估计每年超过4亿美元。

1994年12月开始实施的HCF计划是专门为了降低维修成本而实施的,它通过8个研究项目实现与HCF有关的维修成本降低50%的目标。这8个研究项目是:强迫响应、被动阻尼、材料损伤容限、部件表面处理、测试、气动机械特性、部件分析和发动机验证。HCF计划将延伸融入VAATE计划。

●智能发动机 目前,发动机是设定的、不灵活的,不能对变化的环境条件作出响应。它们不是按变坏的工作条件和性能恶化设计的,这导致在设计、使用和维修概念方面留有大的裕度,使性能受到不利影响,保障成本增加。

未来,发动机将发展成智能发动机。所谓智能是指能理解、调整或修改目标,并采取行动实现这些目标。智能发动机依靠传感器数据、专家模型和它们的融合,全面了解环境和发动机状态,以提供最佳的信息和作出决策,并采取物理动作执行这些决策。它能对发动机性能和状态进行主动的自我管理,并根据环境因素平衡任务要求,从而提高性能、可靠性和战备完好率,延长寿命,降低使用和维修成本。这正是VAATE计划的核心。

智能发动机关键技术有:压气机、燃烧室、间隙和振动等的主动控制,以提高性能、耐久性和生存性;带有专门诊断传感器的精确的实时性能和寿命模型,以实现自动故障诊断和维修预报;磁性轴承、内装式整体起动/发电机和模型基分布式主动控制系统;微机电技术传感器和作动器;信息融合技术(每台发动机就是一个网站),能够在问题一出现时就发觉,根据余度信息作出正确决策,允许所有用户接近;先进非线性技术,能够实现自设计、"无程序"的自适应控制,这种控制系统可以自动重构,以优化性能并适应损伤和性能恶化;灵巧结构。

3、非传统新型发动机的研究

除传统燃气涡轮发动机外,正在研究中的有前途的非传统新型发动机主要有以微机电技术为基础的超微型无人机用涡轮发动机、脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机、多(全)电发动机以及各种新能源动力。

●超微型涡轮发动机研究 美国麻省理工学院正在按军方合同实施一项超微型发动机计划,为各种用途研制超微型发动机,包括功率为10~100W或推力为0.005~0.05daN的涡轮发动机和推力超过1.3daN的火箭发动机。这里只介绍用于微型无人机用的超微型涡轮喷气发动机,见图29。

美国国防部预研局和陆军在1998年4月与麻省理工学院签订一项合同,要求研制一种用于微型无人机的超微型涡轮喷气发动机。无人机的翼展为127mm,重量为50g。安装一台推力为0.0127daN的涡轮喷气发动机.这种无人机可以以57~114km/h的速度飞行60~120km,每小时使用大约25g甲烷。发动机的最大外部直径为20mm,长3mm。压气机和涡轮的直径分别为8mm和6mm,涡轮叶片高度只有0.2mm。这样小的发动机将用微机电系统技术由硅制造。

这种微型发动机可以组合起来产生较大的功率或推力。例如,一个直径为200mm的微型发动机组合可以产生近9daN的推力,可作为总重为100~1000kg的战术弹药和无人机的动力。

●脉冲爆震波发动机 脉冲爆震波发动机(PDE)是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机。发动机一般由进气道、爆震室、尾喷管、推力壁、爆震触发器、燃料供给和喷射系统以及控制系统组成,具有结构简单、推重比高(大于20)、耗油率低(小于1kg/(daN穐)、工作范围宽(M0~10)和成本低等优点。它在高超音速航空器方面有很好的应用前景。

国外早在20世纪40年代就开始PDE的研究,到90年代进入全面发展时期。目前,PDE已经完成了概念验证,开始进行原型机的发展和试验。美国的NASA、空军和海军都在进行PDE的发展。NASA的PDE计划包括三个内容:脉冲爆震发动机技术(PDET)计划、脉冲爆震火箭发动机(PDRE)和脉冲爆震发动机飞行计划。PDET计划的重点是发展混合PDE系统,在今后2~12年内研究在普通燃气涡轮发动机的加力燃烧室里采用脉冲爆震燃烧,之后,在主燃烧室里采用脉冲爆震燃烧。2002年,NASA的PDE将进行飞行试验。2003年,将在SR-71"黑鸟"飞机上进行M3的点火试验。NASA的PDRE将在2005年进行验证,到2009年将研制出可供飞行的全尺寸发动机。

●超燃冲压发动机 超燃冲压发动机(Scramjet)是燃烧室内气流速度为超音速的冲压发动机,适用于M6~25的速度范围,是高超音速航空器、跨大气层飞行器和可重复使用空间发射器的推进装置。从50年代开始,国外就对Scramjet进行研究。在80年代中期,在国家空天飞机计划下,美国又掀起Scramjet的研究热潮。随着这项过于雄心勃勃的计划的撤消,美国NASA转为实施较为低调的"Hyper-X"计划,其主要目标是发展在飞行条件下超燃冲压发动机技术,然后发展高超音速飞行器和可重复使用的空间发射器的涡轮、亚燃冲压和超燃冲压组合发动机。该计划的X-43验证机装一台长760mm的Scramjet,已于1998年8月交付给NASA作高速地面试验,然后进行飞行试验。X-43装在"飞马座"火箭的头部,由B-52飞机将装有X-43的火箭带到空中后发射。然后,火箭再将X-43加速到所需的速度,脱开后打开Scramjet工作5~10s,将X-43加速到M7~10。虽然在2001年6月初进行的首次飞行试验中由于火箭发射后失去控制而使试验失败,但NASA表示在2002年以前将按原计划进行余下的两次试验。

美国空军、海军和国防部预研局也在研究用于高超音速军用飞行器的推进系统,近期目标是发展M4~8的导弹用的双模态Scramjet。飞行试验将于2004~2006年开始。

俄罗斯、法国、德国和澳大利亚也在进行类似的工作。

●多 (全) 电 发 动 机 作为多(全)电飞机的基础和重要组成部分,多(全)电发动机以支承发动机转子的非接触式磁性轴承和发动机轴上安装的内装式整体起动/发电机为核心,配以分布式电子控制系统,为发动机和飞机各个系统提供电力驱动。它可以取消传统的接触式滚动轴承、润滑系统和机械(液压、气压)作动系统,从而大大减小重量和复杂性,改善可靠性和维修性,降低成本。此外,所产生的电功率由两根以上发动机轴分担,可以重新优化燃气发生器,有利于控制喘振和扩大空中点火包线,改善发动机适用性;利用磁性轴承可以减少振动,增大DN值,对叶尖间隙进行主动控制;发动机轴上安装的内装式整体起动/发电机能够产生几兆瓦的电功率,除为多(全)电飞机提供电力外,还可用于生成激光或微波束,作为机载高能束武器的能源。

美国和欧共体在20世纪90年代先后开始实施多(全)电发动机计划。美国主要在多(全)电飞机(MEA)计划和综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划下组织实施,将其列为1997~2003年的第三阶段任务。鉴于磁性轴承对航空发动机性能、可靠性和成本的重要影响,欧共体五国(英、法、德、奥地利和瑞士)在1998年正式启动航空涡轮机主动磁性轴承(AMBIT)计划。

●新能源航空动力 为解决石油资源枯竭和环境污染问题,满足某些特种航空器(如高空长航时无人机)的需要,人们多年来一直在航空动力探索利用新能源,其中主要有太阳能、液氢、燃料电池、微波能和核能动力。

随着IHPTET计划和后续的VAATE计划的实现以及其它相关研究计划的完成,预计在21世纪30年代以前可能出现以下新型航空发动机。

2005年--涵道比为10~15的民用涡扇发动机,总增压比为50~60,耗油率比90年代中期发动机低8~10%,噪声和排放将满足更严格的新标准。

2010年--先进超音速短距起飞垂直着陆战斗机JSF,其主推进装置将是应用IHPTET计划成果的F119的改进型;以微机电技术为基础的超微型涡轮发动机;高超音速巡航导弹用的PDE和Scramjet;无人机用的太阳能动力和燃料电池动力。

2015年--涵道比15~20的超高涵道比涡扇发动机,总增压比60~75,耗油率比90年代中期发动机下降18~20%;多(全)电发动机。

2020年--推重比15~20的战斗机发动机,实现M>3的不加力持续巡航;经济和环境可接受的第二代超音速民航机。

2025~2030年--推重比超过20的战斗机发动机,与F119相比,耗油率降低25%,全寿命期成本降低64%,能力/成本指数为11.5倍;高超音速航空、跨大气层飞行器和可重复使用天地间往返运输系统的推进系统。

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