導讀

作為美國空軍自適應發(fā)動機轉化項目(AETP)的一部分，GE公司已于2021年底在俄亥俄州埃文代爾的高空試驗臺完成第二臺XA100自適應發(fā)動機的第一階段測試。2022年3月25日，第二臺XA100發(fā)動機在美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)開始了第二階段測試。

自適應(循環(huán))發(fā)動機(Adaptive Cycle Engine，ACE)根據(jù)飛機不同任務需求，通過改變多個可調幾何機構位置、并采用自適應控制技術，自動改變風扇、核心機流量和壓比，使發(fā)動機在包線內(nèi)不同速度和高度點獲得最優(yōu)的性能，并與飛機的組合性能達到最佳，是先進的變循環(huán)發(fā)動機。由于其具有包線內(nèi)綜合性能好、耗油量低且飛機航程長、進氣流量自動匹配、飛/發(fā)組合性能好、隱身性能好及有利于熱管理設計等優(yōu)勢，深得世界航空發(fā)動機先進國家，特別是美國的高度重視。但是由于其存在工作模式多而狀態(tài)轉換復雜、可調部件多而機構復雜且調節(jié)范圍寬、可調變量多等技術難點，研究難度很大。

自適應循環(huán)發(fā)動機目前所取得的進展很大程度上得益于美國空軍牽頭實施的一系列自適應發(fā)動機研究計劃，這些計劃從2007年開始，有效地推動了自適應發(fā)動機相關技術的研究、驗證和成熟。

目前正在進行的是自適應發(fā)動機轉化項目(AETP)(2017-2022年)，該階段目標是完成自適應發(fā)動機驗證機的詳細設計、制造和試驗評估，由GE公司和普惠公司承擔，現(xiàn)在GE公司的XA100和普惠公司的XA101均已完成第二臺原型機的測試工作。并期進行的是下一代自適應推進(NGAP)項目(2019-2025年)，目標是開展用于美國空軍六代機的自適應發(fā)動機原型機初步設計、詳細設計、制造和評估，到2025年為自適應發(fā)動機飛行驗證做好準備。

變循環(huán)發(fā)動機的實質性研究始于20世紀80年代，并逐漸演變?yōu)橹挥蠫E公司獨家研制。80年代后期在DBE—GE21、DBE—GE23發(fā)動機的基礎上形成世界上第1種經(jīng)飛行驗證的雙外涵道變循環(huán)發(fā)動機——F120發(fā)動機。90年代到21世紀初，在綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(IHPTET)研究計劃下，GE和Allison公司以XTC16/XTC76/XTC77核心機驗證機和XTE76/XTE77發(fā)動機驗證機為平臺，開發(fā)和驗證了雙外涵變循環(huán)渦噴/渦扇發(fā)動機技術——可控壓比發(fā)動機(COPE)技術。該階段研究為下一階段的自適應發(fā)動機研究積累了大量寶貴經(jīng)驗。

變循環(huán)是指改變熱力循環(huán)的過程和技術集群;而自適應是獲得變循環(huán)狀態(tài)的自動化控制手段。如果發(fā)動機采用了先進傳感器和全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，具有任務自動規(guī)劃和態(tài)勢自動感知能力，則可實現(xiàn)自適應，即自動調整發(fā)動機工作方式，使發(fā)動機的模態(tài)變換和適應性調節(jié)更簡便更及時，對發(fā)動機工作點與狀態(tài)的動態(tài)控制更平穩(wěn)更連續(xù)，從而達到綜合性能最佳，這時就可稱其為自適應變循環(huán)了。

自2007年以來，GE一直與空軍在自適應循環(huán)發(fā)動機方面密切合作，首先是得到了自適應多功能發(fā)動機技術（ADVENT）計劃的贊助，然后又實施了自適應發(fā)動機技術開發(fā)（AETD）計劃。

2020年12月，由GE公司研制的自適應發(fā)動機轉化項目（AETP）的XA100第一個原型機正式開始測試，并于2021年5月結束測試。

GE公司公開的下一代自適應發(fā)動機的資料顯示，該發(fā)動機主要由3級風扇、7級高壓壓氣機、2級高壓渦輪和2級低壓渦輪組成。這種構型無核心機驅動風扇，同時高低壓渦輪級數(shù)均為兩級，說明風扇和壓氣機的總增壓比高。其壓縮系統(tǒng)的主要特點是，第三級風扇轉靜子均放置于下壓流路，3個涵道的分流分別在2級靜子和3級轉子后完成，3級風扇與下游中介機匣的過渡非常緊湊，分流環(huán)已延伸到第三級靜子前緣，在第三涵道和第二涵道進口處未發(fā)現(xiàn)類似模式選擇閥的結構。該布局形式與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，增加了一個涵道，在如此緊湊的結構布局下，可采用多套靜子聯(lián)調機構或后涵道引射器，實現(xiàn)3個涵道變流量和變壓比的主動調節(jié)控制。

自適應壓縮系統(tǒng)流路

據(jù)GE公司官方網(wǎng)站介紹，該型自適應發(fā)動機有高推力和高效率兩個主要工作模式。在高推力模式下，進入發(fā)動機的空氣大部分流經(jīng)核心機和第二涵道，用以產(chǎn)生更大推力，幫助飛行員高效執(zhí)行戰(zhàn)斗任務;在高效率模式下，增加第三涵道的流量以大幅降低燃油消耗，增加飛行距離。

XA100發(fā)動機高效率模式

根據(jù)GE公司披露的信息，采用自適應變循環(huán)技術后，在同等燃油的情況下飛機的留空時間可望延長50%，航程增加33%，可減少25%的燃油消耗率，達到60%的燃油熱吸收率，升力可提高10%。如用于F-35飛機，在攜帶兩枚1000磅JDAM的情況下其作戰(zhàn)半徑可從1440千米提高到2160千米。

“傳統(tǒng)戰(zhàn)斗機發(fā)動機架構有局限性，”GE公司XA100負責人特威迪解釋道?！澳憧梢栽谕屏Α⑷加托驶驘峁芾矸矫孀龀鑫⑿〉母倪M，但這意味著要選擇改進哪些特性以及放棄哪些特性。自適應循環(huán)架構可實現(xiàn)燃油效率、推力和冷卻方面的變革性改進，所有這些都在一個封裝中，不必忍受傳統(tǒng)的權衡取舍?！?/p>

高效模式也可以節(jié)省成本。與航空公司一樣，美國每年的軍費開支中有相當大一部分用于噴氣燃料。更省油的發(fā)動機意味著使用更少的燃料并減少對空中加油機的依賴。此外還有利于減少碳排放。

“在發(fā)動機的整個生命周期中，這些燃料節(jié)省相當于一大筆錢，實際上有助于發(fā)動機收回成本，”他補充道。

特威迪將兩臺XA100原型發(fā)動機描述為“歷史上儀表化程度最高的發(fā)動機”。發(fā)動機儀表允許測試團隊確保發(fā)動機的每個部分都按預期運行。但要從五年前的起點到前兩個原型測試，需要“嚴格的設計工作”。他說，他的團隊和他們在俄亥俄州代頓市賴特-帕特森空軍基地的合作伙伴必須“從無到有”制造一個新發(fā)動機。這種方法實現(xiàn)了這種革命性的發(fā)動機設計，同時還允許GE使用尖端制造技術，如增材制造和陶瓷基復合材料(CMC)。

“3D 打印幫助我們創(chuàng)造了一系列驚人的熱交換器，這些熱交換器根本無法以傳統(tǒng)方式制造，”特威迪說，他指的是增材制造中使用的工藝?！拔覀冞€有一個由陶瓷基復合材料制成的渦輪葉片。這是我們投入生產(chǎn)的第一臺發(fā)動機?！?/p>

對于與美國空軍的合作，特威迪表示“我們有幸與空軍密切合作使 XA100更加成熟，和軍方更緊密的協(xié)同作用是實現(xiàn)這一里程碑的關鍵?！?/p>

之后GE將繼續(xù)在俄亥俄州埃文代爾對發(fā)動機進行測試，然后在田納西州美國空軍阿諾德工程開發(fā)中心的世界級測試設施進行進一步測試。一旦團隊完成了那里的工作，GE將完成AETP計劃的工作。