航空發(fā)動機(jī)變循環(huán)

航空發(fā)動機(jī)變循環(huán)傳統(tǒng)的航空渦輪發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)特性是固定的，一臺發(fā)動機(jī)只能工作在一種模式，并且只在有限的飛行范圍內(nèi)性能最佳。高級可變循環(huán)發(fā)動機(jī)（Variable   cycle   engine, VCE）它是不同的，它是一個(gè)多設(shè)計(jì)點(diǎn)發(fā)動機(jī)，通過改變一些零件的幾何形狀、尺寸或位置，以調(diào)整其熱循環(huán)參數(shù)（如增壓比、渦輪進(jìn)口溫度、空氣流量和旁通比）改變發(fā)動機(jī)循環(huán)工作模式（高推力或低油耗）從而使發(fā)動機(jī)在各種飛行條件下都能以最佳狀態(tài)工作。同時(shí)，可變循環(huán)發(fā)動機(jī)可以在多種模式下運(yùn)行（包括渦輪模式、渦扇模式和沖壓模式等）功，所以在亞音速下、跨聲速、在超音速和高超音速飛行條件下具有良好的性能。

可變循環(huán)發(fā)動機(jī)是指通過改變發(fā)動機(jī)某些部件的幾何形狀來實(shí)現(xiàn)的發(fā)動機(jī)、尺寸或位置，以實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的不同熱循環(huán)。

使用可變循環(huán)來改變發(fā)動機(jī)循環(huán)參數(shù)，例如壓力增加比、渦輪前溫度、空氣流量和涵道比可以使發(fā)動機(jī)在各種工況下都有良好的性能。

在渦噴/對于渦扇發(fā)動機(jī)，研究的重點(diǎn)是改變涵道比，如發(fā)動機(jī)爬升、加速和超音速飛行時(shí)涵道比降低，接近渦噴發(fā)動機(jī)的性能，從而增加推力；起飛和亞音速飛行時(shí)，增加涵道比，工作在渦扇發(fā)動機(jī)狀態(tài)，降低油耗和噪音。

在渦軸發(fā)動機(jī)中，主要研究可調(diào)面積渦輪，以改變發(fā)動機(jī)的空氣流量，降低部分功率時(shí)的燃油消耗。

提高飛機(jī)發(fā)動機(jī)技術(shù)的核心在于如何提高——的燃油效率。噴氣式飛機(jī)的原理是空氣被吸入發(fā)動機(jī)與燃油混合加熱，然后高溫高壓氣體向后噴出根據(jù)牛頓 根據(jù)第三定律，飛機(jī)可以獲得一個(gè)反推力。但是這種高溫高壓的氣體本身就有很大的能量，也就是說這種能量是白白浪費(fèi)的，但是有時(shí)候?yàn)榱藱C(jī)動性不得不這么做以前飛機(jī)往往是渦噴，只能工作在渦噴模式，渦扇只能工作在渦扇模式。在飛機(jī)航行的整個(gè)過程中，往往有很多距離不需要使用這種高油耗的工作模式。接近戰(zhàn)場時(shí)，為了迎敵，需要高速機(jī)動，機(jī)動空戰(zhàn)需要跨音速飛行模式。所以變循環(huán)發(fā)動機(jī)就是把這三種模式結(jié)合起來，進(jìn)行合理規(guī)劃，達(dá)到最佳使用效果。

發(fā)動機(jī)一般以此為進(jìn)氣道——，壓氣機(jī)——，燃燒室——，渦輪——，噴嘴從前到后。對應(yīng)的過程是進(jìn)氣——空氣壓縮增壓——空氣混合燃燒——渦輪旋轉(zhuǎn)——尾部彈射和做功。變循環(huán)發(fā)動機(jī)采用渦扇系統(tǒng)，將氣流分為三個(gè)涵道，但三個(gè)涵道可以改變大小和口徑，通過組合搭配達(dá)到最佳工作模式需要經(jīng)濟(jì)巡航時(shí)，向下調(diào)節(jié)兩個(gè)調(diào)節(jié)板，阻擋氣流通過燃燒室，使發(fā)動機(jī)工作在螺旋槳模式當(dāng)需要跨音速機(jī)動時(shí)，調(diào)節(jié)板1向下向上，形成渦扇發(fā)動機(jī)。當(dāng)要執(zhí)行超音速巡航時(shí)，調(diào)節(jié)板1、兩者都是向上的，是渦輪噴氣發(fā)動機(jī)。如果發(fā)動機(jī)使用任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，它也可以使用計(jì)算機(jī)來規(guī)劃發(fā)動機(jī) 的行動模式，根據(jù)不同的任務(wù)，以達(dá)到最佳的運(yùn)作效率。

這種措施看似簡單，但在工程上實(shí)施起來非常困難發(fā)動機(jī)在高溫高壓極高轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，最好不要有任何結(jié)構(gòu)上的變化，否則會造成發(fā)動機(jī)零部件的損壞，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的安全問題擋板的偏差還會帶來氣流的瞬間畸變，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定甚至停機(jī)。根據(jù)研發(fā)該技術(shù)的GE公司在官網(wǎng)的宣傳資料，使用該技術(shù)后，在相同燃料下，飛機(jī)的滯空時(shí)間可增加50%，航程增加33%，減少25%油耗率達(dá)到了60%的燃油熱吸收率。

美國

20世紀(jì)70年代，美國開始加強(qiáng)軍用變循環(huán)發(fā)動機(jī)的研究。GE公司從YJ101到GE21開發(fā)了第一代變循環(huán)驗(yàn)證機(jī)、GE33，后來的YF120，以及可控壓比發(fā)動機(jī)等一系列變循環(huán)預(yù)研驗(yàn)證機(jī)。特別是YF120還參與了美國第四代動力的評選，是世界 美國第一臺經(jīng)飛行驗(yàn)證的戰(zhàn)斗機(jī)可變循環(huán)發(fā)動機(jī)。YF120在F-22項(xiàng)目競爭失利后，常規(guī)循環(huán)渦扇發(fā)動機(jī)F136就是由其核心發(fā)動機(jī)衍生出來的。

2011年，美國海軍已經(jīng)開始了變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)項(xiàng)目的研發(fā)，未來將裝備F/A-18E/F“超級大黃蜂”的替代機(jī)型。

2012年11月，通用電氣（GE）普拉特公司惠特尼收到了超過6.價(jià)值8億美元的演示驗(yàn)證了變循環(huán)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)合同，該合同由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室授予（AFRL）基于的自適應(yīng)引擎技術(shù)的研究與開發(fā)（AETD）在項(xiàng)目支持下，自適應(yīng)風(fēng)扇發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)將于2013年進(jìn)行測試。

中國

中國發(fā)動機(jī)發(fā)展是第一代生產(chǎn)、研制一代、預(yù)研一代、探索一代。據(jù)AVIC發(fā)動機(jī)副總裁張健介紹，中國發(fā)動機(jī)發(fā)展的技術(shù)目標(biāo)時(shí)間表已經(jīng)排到了2030年。

從航空工業(yè)的發(fā)展來看，中國航空工業(yè)的意義美國證實(shí)變循環(huán)發(fā)動機(jī)的研究已經(jīng)開始，一方面，這意味著中國的科研管理和計(jì)劃美國的航空動力發(fā)展更加科學(xué)合理，符合航空工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的客觀規(guī)律，更加注重基礎(chǔ)科研和預(yù)研，而不是等待具體型號要求才開始科研，導(dǎo)致研制周期較長、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高；另一方面，這也意味著中國的發(fā)展速度將會加快美國的航空動力發(fā)展已逐漸趕上美國等西方航空強(qiáng)國，在常規(guī)循環(huán)發(fā)動機(jī)發(fā)展卓有成效的情況下，積極開展新循環(huán)發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)研究，對保持中國航空動力的可持續(xù)發(fā)展具有重要價(jià)值趕上世界最先進(jìn)水平。根據(jù)中國空軍未來型號發(fā)展對航空發(fā)動機(jī)的需求，類似YF120的變循環(huán)渦扇發(fā)動機(jī)可以提供更大的高度、高速推力可以有效提高作戰(zhàn)飛機(jī)的巡邏、攔截能力可以同時(shí)提供更經(jīng)濟(jì)的中低空、亞音速耗油率顯然有助于提高作戰(zhàn)飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。從民航客機(jī)的未來發(fā)展來看，未來的洲際超音速客機(jī)也需要變循環(huán)發(fā)動機(jī)來提供持續(xù)的超音速飛行能力，亞音速客機(jī)對單位油耗相當(dāng)敏感，因?yàn)檫@關(guān)系到民航公司的運(yùn)營成本。因此，中國正在從事變循環(huán)發(fā)動機(jī)的研究、軍事、商業(yè)價(jià)值非常巨大，可以有效提升中國 美國的綜合國力和競爭力。

自適應(yīng)發(fā)動機(jī)是國外正在開發(fā)的一種先進(jìn)的變循環(huán)發(fā)動機(jī)。國外研究的變循環(huán)發(fā)動機(jī)方案主要有單旁路、雙涵道、串聯(lián)/并聯(lián)式選擇性放氣可變循環(huán)和其他類型。目前國外正在研制帶第三旁路的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)（AdaptiveVariableCycleEngine，降臨節(jié)）其技術(shù)特點(diǎn)是第三風(fēng)道內(nèi)氣流溫度低，可以用來提取更多的功率，實(shí)現(xiàn)更好的熱管理，還可以降低安裝阻力，提高進(jìn)氣總壓恢復(fù)，降低排氣溫度，減少紅外信號。這不僅能為未來的軍用和民用飛機(jī)帶來飛行時(shí)間、航程、在速度和隱身上有很大的收獲，并且可以同時(shí)滿足傳感器的需求、武器和通信設(shè)備對發(fā)動機(jī)功率提取的更高要求。空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）據(jù)預(yù)測，自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的燃油效率將比F135發(fā)動機(jī)高出25%，可以將飛機(jī)的作戰(zhàn)半徑增加25%~30%，電池壽命增加了30%~40%可以滿足下一代戰(zhàn)斗機(jī)的需求、轟炸機(jī)、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)機(jī)、超音速客機(jī)高超音速飛機(jī)等多種軍民飛行平臺的動力需求是目前世界航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)。