變循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)概念的提出可以追溯到20世紀(jì)60年代，隨著渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的問世，它優(yōu)越的亞音速性能，高的推進(jìn)效率，使得發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師不斷地追求更大涵道比的發(fā)動(dòng)機(jī)。在超音速飛行狀態(tài)，由于大涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率明顯高于等推力級(jí)的小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，因此限制了超音速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的進(jìn)一步增加，為了使航空發(fā)動(dòng)機(jī)在亞音速和超音速狀態(tài)下都具有較好的性能，國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)家提出了變幾何和變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)思想。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就是在寬廣的飛行包線內(nèi)，都能保持很好的效率和較低的耗油率，可以看作將亞音速性能很好的大涵道比渦扇與超音速性能很好的小涵道比渦扇、渦噴取各自優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合成一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)踐證明，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)以其內(nèi)在的性能優(yōu)勢，能夠滿足強(qiáng)大的軍事需求，并顯示出巨大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?，已?jīng)受到各航空強(qiáng)國的重視、是航空動(dòng)力主流的研究方向。

特別是在先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)研究方面，自20世紀(jì)60年代以來，戰(zhàn)斗機(jī)一方面朝著多用途方向發(fā)展；另一方面，飛機(jī)的飛行包線不斷擴(kuò)大，特別是在20世紀(jì)80年代后，人們更加重視飛機(jī)機(jī)體/推進(jìn)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，由于變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足上述指標(biāo)方面的優(yōu)勢尤為明顯，于是，對(duì)軍用戰(zhàn)斗機(jī)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究逐步開展起來。國外最早的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是美國20世紀(jì)60年代初在SR-71“黑鳥”上使用的J58發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)可在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)模式和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模式之間轉(zhuǎn)換。

迄今，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已有50年的探索研究與發(fā)展歷程。國外各大航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，如英國的羅·羅公司，法國的SNECMA公司、日本的工業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所和美國的GE公司等，均在不斷地進(jìn)行變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)概念設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)研究，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

在未來陸、海、空、天、電多維力量和多維戰(zhàn)場的信息化戰(zhàn)爭中，配裝先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的航空武器裝備是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是奪取制空權(quán)和決定戰(zhàn)爭勝負(fù)的決定性因素之一。傳統(tǒng)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)特性是固定不變的，一種發(fā)動(dòng)機(jī)只能在一種模式下工作，并且僅在有限的飛行范圍內(nèi)具有最好的性能。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理都是將燃油的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，而后在推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)的過程中使飛機(jī)和空氣互相作用產(chǎn)生向上的升力將飛機(jī)拉起。從發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)至今，共有螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)四種形態(tài)，這四種發(fā)動(dòng)機(jī)各有特點(diǎn)，其中渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)依靠螺旋槳風(fēng)扇的推力做功推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)，其飛行效率高，最省油，航程大，但推力卻較小。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)依靠向噴管外噴射氣流做功，可以達(dá)到很大的推力，但卻非常耗油。

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)則是將二者結(jié)合起來，設(shè)置內(nèi)外兩個(gè)涵道，使得一部分推力來自于渦扇，一部分推力來自于噴口，這樣就取得一個(gè)適中的性能，成就了其在音速邊界范圍內(nèi)的機(jī)動(dòng)性。但總的來說，為了應(yīng)付空戰(zhàn)需求，發(fā)動(dòng)機(jī)需要推力更大些以完成高機(jī)動(dòng)動(dòng)作，為了進(jìn)行更遠(yuǎn)程的打擊，就需要發(fā)動(dòng)機(jī)更省油，這兩個(gè)矛盾的要求一直困擾著科學(xué)家。

從飛機(jī)的發(fā)展來看，因?yàn)楝F(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的機(jī)載設(shè)備量急劇攀升，因此重量較以前大大增加，但發(fā)動(dòng)機(jī)卻只能在推力和航程中取折中，這就導(dǎo)致了現(xiàn)代飛機(jī)作戰(zhàn)航程甚至比不上二戰(zhàn)很多主戰(zhàn)飛機(jī)。為了彌補(bǔ)這個(gè)差距，就需要進(jìn)行變循環(huán)設(shè)計(jì)，讓飛機(jī)在能夠不同時(shí)刻工作在不同的狀態(tài)。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種多設(shè)計(jì)點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調(diào)節(jié)其熱力循環(huán)參數(shù)（如增壓比、渦輪進(jìn)口溫度、空氣流量和涵道比），改變發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工作模式（高推力或低油耗）使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態(tài)。與此同時(shí)，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能以多種模式（包括渦輪模式、渦輪風(fēng)扇模式和沖壓模式等）工作，因而在亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速飛行狀態(tài)下都具有良好的性能，在渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重點(diǎn)是改變涵道比，如發(fā)動(dòng)機(jī)在爬升、加速和超聲速飛行時(shí)涵道比減小，接近渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，以增大推力；在起飛和亞聲速飛行時(shí)，加大涵道比，以渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)工作，降低耗油率和噪聲。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升的核心在于——如何提高燃油使用效率。噴氣式飛機(jī)原理是將空氣吸入發(fā)動(dòng)機(jī)后和燃油混合加熱，而后高溫高壓氣體向后噴出，按照牛頓第三定律，飛機(jī)就可以獲得一個(gè)反推力。但這個(gè)高溫高壓氣體本身就擁有很大的能量，也就是說，這些能量被白白浪費(fèi)掉了，但有時(shí)候?yàn)榱藱C(jī)動(dòng)性則不得不這樣做，以往的飛機(jī)，往往是渦噴就只能是渦噴模式工作，是渦扇就只能渦扇模式工作。而在飛機(jī)航行的整個(gè)過程中，往往有很多路程是不需要使用這種高油耗率的工作方式的。而在靠近戰(zhàn)場時(shí)，為了接敵，則需要高速機(jī)動(dòng)，為了機(jī)動(dòng)空戰(zhàn)則需要跨音速飛行模式。于是變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)就是把這三種模式結(jié)合起來，合理規(guī)劃，達(dá)到了最佳的使用效果。

發(fā)動(dòng)機(jī)一般從前往后結(jié)構(gòu)以此為進(jìn)氣道——壓氣機(jī)——燃燒室——渦輪——噴口。對(duì)應(yīng)的過程是空氣吸入——空氣壓縮增壓——空氣混合燃燒——帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)——尾部噴出做功。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)則采用渦輪風(fēng)扇體制，將氣流分在三個(gè)涵道，但這三個(gè)涵道可以變換大小口徑，通過組合搭配成就最佳的工作模式，在需要經(jīng)濟(jì)巡航時(shí)，2個(gè)調(diào)節(jié)板向下調(diào)節(jié)，擋住通過燃燒室的氣流，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在螺旋槳模式，當(dāng)需要進(jìn)行跨音速機(jī)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)板1向下，而向上，組成一個(gè)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)要進(jìn)行超音速巡航時(shí)，調(diào)節(jié)板1、2均向上偏，使其成為一臺(tái)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。假如發(fā)動(dòng)機(jī)使用了任務(wù)規(guī)劃體制，還可以根據(jù)不同的任務(wù)使用電腦規(guī)劃發(fā)動(dòng)機(jī)的作用方式達(dá)到最佳作戰(zhàn)效能。

這個(gè)措施看起來簡單，但在工程上實(shí)現(xiàn)起來是十分難的，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高溫高壓和極高轉(zhuǎn)速的情況下，最好不要有任何的結(jié)構(gòu)變換，否則會(huì)帶來發(fā)動(dòng)機(jī)部件的損傷導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)安全問題，擋板的偏移也會(huì)帶來氣流的瞬時(shí)畸變，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定甚至停車。根據(jù)研制該技術(shù)的GE公司官網(wǎng)宣傳資料，使用這一技術(shù)后，在同等燃油的情況下飛機(jī)的滯空時(shí)間可以提高50%，航程增加33%，減少25%的燃油消耗率，達(dá)到60%的燃油熱吸收率。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)，與傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比技術(shù)跨度很大，主要表現(xiàn)為調(diào)節(jié)參數(shù)增加，控制規(guī)律更加復(fù)雜，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、維修性也帶來了挑戰(zhàn)。由于增加了核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，傳力路徑和整機(jī)布局也與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)有很大不同，同時(shí)，對(duì)變循環(huán)的熱力循環(huán)機(jī)理本身尚存在認(rèn)識(shí)上的欠缺，因此，要使變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)成為現(xiàn)實(shí)，需突破總體性能、總體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，如變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真、核心機(jī)驅(qū)功的風(fēng)扇級(jí)CDFS設(shè)計(jì)、高效可控渦輪導(dǎo)向器、面積可調(diào)涵道導(dǎo)向器、低污染燃燒室、離性能低污染外涵加力燃燒室、反速度場同心環(huán)噴管、自適應(yīng)控制技術(shù)、單級(jí)高負(fù)荷跨音速高壓渦輪和雙級(jí)無導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)低壓渦輪等。 2100433B

1. 隨時(shí)間作周期性變化，而變化幅度保持常數(shù)的變應(yīng)力，如氣門彈簧上的應(yīng)力，稱為穩(wěn)定性循環(huán)變應(yīng)力(圖1a)。

2. 若變化幅度也是按一定規(guī)律周期性變化，則稱為不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力(圖1b)。

3. 變應(yīng)力不呈周期性變化，而帶有偶然性，如汽車的懸架彈簧上受的應(yīng)力，稱為隨機(jī)變應(yīng)力(圖1c)。瞬時(shí)過載或沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力，如緩沖器彈簧所受的應(yīng)力稱為尖峰應(yīng)力(圖1c)。