从美国XA100-GE-100测试成功浅析自适应循环发动机

5月13日,美国通用电气公司(GE)宣布,其首台XA100-GE-100自适应循环发动机已经完成高空台台架测试,性能与预期一致。这标志着美国第六代战斗机icon发动机向实际装机更进了一步。自适应变循环发动机的突破,说明美国六代机不但将拥有更大航程、速度、机动、荷载,而且可以高空高速、摘星反导。

美国的变循环发动机是在F136上改的

那么什么是自适应循环发动机?其实它就是涡轮喷气发动机+涡扇发动机+冲压发动机,也就是说将这三种发动机揉在一起,在不同的时候“自适应”启动不动的工作模式,所以要了解变循环机发动机的工作模式,就必须先了解这三种发动机的工作模式。

那么什么是涡轮喷气发动机?

现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成,战斗机的涡轮和尾喷管间还有加力燃烧室。

气流在进气道前经去附面层处理, 在进气道中经去激波处理后进入经压气机,压气机将气流加压成工作所需要的稳定气流输入燃烧室,燃烧室中的燃油与空气稳定燃烧推动涡轮做功,涡轮的转动反过来再推动压力风扇,如此反复。由于战机起飞、爬升、机动需要更大的力量,因此在涡轮后再一个加力燃烧室,让未燃尽空气再次燃烧,从而产生更多的膨胀气体,推动战机作功。发动机的前后温差越大,说明这款发动机的燃烧效率越高,这考验发动机的材料科学。

那么什么是涡扇发动机?

涡扇发动机又称涡轮风扇发动机,它就是在涡轮喷气发动机外面加一个套,俗称函道,在前进面加几级大风扇,形成双函道进气,在这里涡轮喷气发动机就成了核心机。

内外函道的大小比,简称函道比,函道比越大,作功效率越高,但单位面积的力将相应变小,所以亚音速飞行的一般采用大函道,而超音速飞行的战斗机采用的是小函道比,这样就兼顾了效率与力量。

战斗机的外函道还有一个作用,就是可以为核心机降温,我们上面提到核心机的温度考验到材料科学,而外函道的降温作用在一定意义上保护了核心机。

什么是冲压发动机?

当进气速度为3倍音速时,理论上可使空气压力提高37倍。冲压发动机的工作时,高速气流迎面向发动机吹来,在进气道内扩张减速,气压和温度升高后进入燃烧室与燃油(一般为煤油)混合燃烧,将温度提高到2000一2200℃甚至更高,高温燃气随后经推进喷管膨胀加速,由喷口高速排出而产生推力。

冲压发动机

也就是说冲压发动机是一款极其简单的发动机,它只需要37倍压力的将空气压入燃烧膛,在燃烧膛中与燃油燃烧后喷出,而3倍音速的气流恰恰可以满足冲压发动机要求。所以冲压发动机的工作前提要么是给它提供一个37倍压力的空压机,要么给它提供三倍音速的气流。

终于回到自适应变循环发动机了。

据说美国的自适应循环发动机采用的是三涵道设计,在F22身上早已验证,这么说起来至少也有20多年研发过程了。那么美国的三涵道自适应循环发动机是怎样将这三种组发动机组合到一起的呢?

我们知道,冲压发动机的37倍气压其实是一个接近激波的范畴,这么高的气压对涡扇发动机的前置风扇是有害,所以在冲压工作模式时,涡扇发动机是关闭的,了解这一点,下面我们就试着解释一下美国这款发动机的工作模式。

上面是一张在涡轮喷气发动机与涡轮风扇发动机工作切换模式图,就是通过阀门的开关将气流导向不同的涵道,从而完成在这两种模式的切换。那么又怎样切换到冲压模式呢?上面我们提到在冲压模式下,涡扇发动机机关闭,再加一个涵道,这个涵道的气流通过阀门的开关直接导向加力燃烧室,从而完成冲压模式。

上面还提到满足冲压模式的两个条件:“要么给它提供一个37倍压力的空压机,要么给它提供三倍音速的气流。”上面提的冲压模式是必须满足三倍音条件,那么怎么能够在三倍音速以下启动冲压模式呢? 友们曾在2016年给歼20提供一个解决方案,就是在发动机前加一个离心压力机,但这个方案并未解决激波问题。

那么我们在变循环发动机领域取得那些成果呢?我们来看几则新闻。

南京航空航天大学、航空工业沈阳所、西北工业大学联合完成了《先进作战飞机推进系统多学科仿真关键技术研究与应用》

这则新闻说明我们的发动机已能在涡轮喷气发动机与涡轮风扇发动机两种模式间任意切换,而且技术相当成熟,应该说的就是我们的涡扇10B、涡扇10C等。

《中国航空学 》发表了重要论文,论文中提到了他们研制的“站立式斜爆轰冲压发动机”,这款发动机是对目前高超声速飞行器冲压发动机最大的技术革新,在高超音速风洞试飞中,这款发动机在推力,燃油效率和操作稳定性上都展现了空前的性能。

这是一款新型冲压发动机,是一款基于全新理论的发动机,据说燃料用的是氢,这与用航空柴油的发动机不搭边,在这理论下,美国人的突破是2018年,我们是2020年,说明我们落后了一点,但不远。当然我们在

我们拥有三种模式的自适应循环发动机还未见相关 道,美国的三模式变循环机发动机是从F136上改进而来,F136是美国也是世界推重比最大的航空发动机,也是最先进的发动机。而我们的涡扇还只有美国F119水平,也就是上世纪八、九十年代的水平,关键是还未正式量产,能否在涡扇15上发展出三模式自适应循环发动机呢?相信我们双管齐下,三模式的变循环发动机与涡扇15都在的试车中。

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