航空發動機研制途徑及發展趨勢分析

航空發動機運行在極端環境下（高溫、高壓、高轉速、高負荷），要求重量輕、體積小、可靠性高、經濟性好，因而必須設計精巧、加工精密，這些都給材料和加工工藝提出了很高的要求。

1.航空發動機研制途徑-核心機的不斷繼承和發展

核心機包括了推進系統中溫度最高、壓力最大、轉速最高的組件，其研制成本和周期在航空發動機研制中占比較大，是航空發動機研制主要難點和關鍵技術最集中的部分。根據《核心機技術發展》數據，航空發動機研制過程中發生的 80%以上的技術問題都與核心機密切相關。

通過長期的實踐摸索，目前“部件-核心機-驗證機-型號”的航空發動機研制途徑是世界各國普遍采取的方法。采用核心機在真實發動機工作環境下評估部件性能、部件間的匹配、總體技術性能指標等，可以充分暴露問題，攻下高溫、高壓和高氣動機械負荷三關，減少后續工程發展時的技術風險，縮短工程發展周期，降低成本，提高可靠性。另外核心機的衍生系列化發展，可以降低新發動機研發的技術風險，縮短研制周期，提升零件的通用性，有利于降低設計、生產成本和維修費用。核心機衍生發展發動機產品的主要方式包括，核心機按比例縮放，或者在核心機基本幾何參數保持不變的情況下，改變風扇或低壓壓氣機的級數和直徑、渦輪的冷卻和材料等。

航空發動機的誕生過程是一個設計、制造、試驗、修改、再制造、再試驗的反復迭代過程，試驗在航空發動機研制過程中起著舉足輕重的作用。由于航空發動機的主要零部件工作在高溫、高壓和高轉速的極端惡劣環境下，并且航空發動機的研制和發展是一項涉及到多學科的復雜的綜合性系統工程，因此新型航空發動機的研制，從部件到整機都要通過設計-試制-試驗的幾個循環才能達到實用階段，試驗在航空發動機研制過程中起著舉足輕重的作用。以研究設備和研究對象為標準，航空發動機試驗包括零部件試驗、整機地面試驗、整機高空模擬試驗、環境與吞咽試驗和飛行試驗五大類，后四類試驗均為全臺發動機的整機試驗。

2.航空發動機發展趨勢

從世界航空發動機發展歷程來看，燃氣渦輪發動機仍將在較長時間內占據軍民用航空動力的主導地位，為了有效應對航空運輸需求的快速增長、能源消耗和環境壓力以及新軍事變革的需求，航空發動機技術不斷持續發展，新構型和新概念將不斷推出。

2.1 變循環發動機

變循環發動機通過改變一些部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調節增壓比、渦輪前溫度、涵道比等熱力循環參數，改變發動機循環工作模式，使發動機能夠適應不同的任務需求或更寬的工作范圍。雙外涵道變循環發動機通過改變特定部件的構型，使其在起飛和亞音速飛行時采用雙涵道渦扇工作模式，在爬升/加速和超音速飛行時采用單涵渦噴模式，從而保持不同工況下性能良好，典型型號有F120發動機。自適應變循環發動機（ACE）是在傳統雙外涵道變循環發動機的基礎上增加第三涵道，通過打開關閉不同涵道可以形成四種工作模式，具有更強的循環調節能力和任務適應性。

2.2 多（全）電發動機

自 20 世紀 80 年代開始興起的多電/全電發動機技術，采用電力系統部分甚至全部取代飛機/發動機的液壓、氣源和機械系統，取消了傳統的接觸式滾動軸承、滑油系統、功率提取軸、減速器和相關機械作動附件，從而簡化發動機結構設計、減小迎風面積、降低系統質量，改善發動機的可靠性、維修性和經濟性。

2.3 齒輪傳動

由于風扇直接由低壓渦輪驅動，一般在風扇之后還裝有壓氣機，但是風扇、壓氣機和低壓渦輪的最佳轉速差別較大，因而為達到發動機的總體設計要求，只得增加壓氣機和低壓渦輪的級數，如果在低壓渦輪、壓氣機和風扇之間裝一個齒輪減速器，可以使各部分工作于最佳轉速，減少渦輪級數。齒輪傳動方案最早是由普惠公司運用在其中等推力發動機上（PW1000G），之后羅羅公司將齒輪傳動運用在大推力發動機上，將世界上傳輸功率最大的齒輪箱嵌入三轉子發動機，研發了“超扇”（UltraFan），通過引入齒輪傳動系統，完全取消了現有的低壓渦輪，涵道比提高到 15~20：1，總壓比提高到 60~70：1，油耗和噪聲均大幅下降。齒輪傳動的難點在于航空發動機減速器的使用功率遠遠大于普通機械，而且一旦航空發動機推力過大，齒輪箱受力過大則容易變得不可靠。

2.4 槳扇發動機

槳扇發動機也稱為開式轉子發動機，是構型融合的經典范例，它既具有渦輪螺旋槳發動機耗油低優勢，又具有渦扇發動機適于高速飛行的特點，集經濟性和速度于一體，但由于槳扇發動機噪聲、振動及減速器性能差，以及無外涵機匣帶來的安全性問題，槳扇發動機尚未得到廣泛應用，蘇聯研制的D27 槳扇發動機裝配于安-70 中程軍用運輸機，這是目前唯一在役的槳扇發動機。

2.5 間冷回熱發動機（IRA）

間冷回熱是在普通高壓壓氣機和低壓壓氣機之間增加中間冷卻，降低高壓壓氣機進口溫度，使其易于冷卻；而在尾噴管中增加回熱器，將排氣中的部分熱量送回到燃燒室進口的高壓排氣中，提升從壓氣機出來的空氣溫度。間冷回熱技術通過增加壓縮空氣中間冷卻和排氣回熱兩個過程，提升了核心機熱效率，減少了油耗，減排降噪。目前間冷回熱技術已在地面和艦船燃氣渦輪發動機上得到應用，但是如果用于航空發動機，換熱器技術帶來的收益尚不能彌補換熱器過重帶來的損失，換熱器仍需要繼續提升換熱效率或者減輕重量。

2.6 高超音速組合發動機

高超音速飛行器飛行范圍寬廣，高度覆蓋 0-40km 或者更高，飛行速度覆蓋亞音速到高超音速，目前任何單一類型的發動機都無法在如此寬廣的飛行包線內穩定可靠工作，必須發展先進的動力組合裝置，將不同類型發動機的最高性能段集成于一種發動機，目前發展出的組合循環推進系統中，渦輪基組合循環（TBCC）和火箭基組合循環（RBCC）是最有希望的高超音速組合動力形式。 渦輪基組合循環系統（TBCC）又稱為渦輪沖壓組合發動機，包括串聯式和并聯式兩種組合方式。串聯式中渦輪發動機和沖壓發動機前后同軸串置，通過控制導流葉片的開閉，達到在起飛和低速飛行時渦輪發動機工作，加速和高速飛行時沖壓發動機工作，渦輪發動機和沖壓發動機不能同時工作。并聯式渦輪發動機加力燃燒室與沖壓發動機燃燒室分開，兩種發動機可同時或部分同時工作，但相比串聯式存在結構復雜，空間尺寸大，與飛行器一體化設計困難等問題。

火箭基組合循環系統（RBCC）又稱為火箭沖壓組合發動機，通過將火箭發動機和吸氣式發動機有機地組合在一起，可以在不同高度和速度范圍內保持較高的推重比及比沖，大幅降低運輸成本，是未來可重復使用天地往返運輸和臨近空間飛行器的最有潛力的動力方案之一。RBCC 發動機隨著飛行速度的提高將分別經歷引射模態、亞燃模態、超燃模態和純火箭模態。

2.7 超音速強預冷發動機

實現高超音速飛行的另一種方案是強預冷。預冷是指將進入發動機的高溫空氣冷卻到航空渦輪發動機能正常工作的溫度，進而獲得性能提升及擴展渦輪發動機的工作范圍。英國噴氣發動機公司REL在20世紀80 年代提出強預冷技術方案，并在 2012 年 11 月宣布該方案地面試驗成功，并以這種方案為基礎研發了彎刀（Scimitar）和佩刀（Sabre）兩種強預冷發動機。彎刀發動機采用常規渦輪發動機加上強預冷系統，用于Ma=5 的高超音速飛機，佩刀發動機從原理方案看，是彎刀發動機與火箭發動機的組合，用于Skylon“云霄塔”航天飛行器。