美國空軍中意AETD發(fā)動機

2012年夏天，美國空軍投資2.136億美元，啟動新一輪“自適應發(fā)動機技術(shù)研發(fā)（AETD）”項目，目標是為下一代航空發(fā)動機奠定基礎，用以替代當前普遍使用的固定循環(huán)發(fā)動機。

無限繁榮的航空發(fā)動機市場

美國空軍在實踐中發(fā)現(xiàn)，研發(fā)發(fā)動機比設計飛機獲利更多，隨之啟動了一系列長期發(fā)動機技術(shù)研發(fā)項目。60年代，美國空軍啟動了“先進渦輪發(fā)動機氣體發(fā)生器（ATEGG）”研發(fā)計劃，改變專門研制一種發(fā)動機的方式，在材料、風扇、壓縮機、發(fā)動機工作模擬環(huán)境等分支技術(shù)領域全面開花。

培養(yǎng)先進發(fā)動機技術(shù)團隊最終成為美國空軍的發(fā)展戰(zhàn)略，空軍系統(tǒng)司令部（AFSC）成立了推進系統(tǒng)委員會，專門負責發(fā)動機研發(fā)項目，統(tǒng)籌管理所有的主要發(fā)動機制造商。

1974年，在經(jīng)歷多次政治性爭論后，美國通用電氣公司（GE）與法國斯奈克瑪（snecma）公司各出資50%創(chuàng)立了聯(lián)合投資公司，生產(chǎn)CFM56系列發(fā)動機。CFM56發(fā)動機直接在F101發(fā)動機核心機的基礎上發(fā)展而來，為了得到這項技術(shù)，法國王室貴族還向美國支付了一部分合同費用。CFM56發(fā)動機在商業(yè)領域也非常成功，截止2011年，聯(lián)合投資公司已經(jīng)向全世界客戶生產(chǎn)交付了22208臺CFM56系列發(fā)動機。

1969年普·惠公司弗雷德里克·G·格魯啟動的“鈦擴散焊接”項目是ATEGG研發(fā)計劃的樣板工程，由空軍航空推進裝置實驗室的渦輪發(fā)動機分部出資，歐內(nèi)斯特·c·辛普森主持。辛普森這樣的關鍵人物長期負責相關項目，保持了研發(fā)的延續(xù)性。美國空軍也并非先進發(fā)動機的唯一市場，70年代中期，美國空軍和海軍合作啟動了聯(lián)合技術(shù)標準發(fā)動機（JTDE）項目，研發(fā)范圍包括所有的發(fā)動機零部件。

通用電氣公司還得到了一項價值9300萬美元的全面研制合同，為期兩年，發(fā)動機正式編號為F110，與普·惠公司F100發(fā)動機的改進型競爭，用于新生產(chǎn)的F-15和F-16戰(zhàn)斗機。經(jīng)過一系列高空模擬試驗、加速任務試驗和各種環(huán)境試驗，F(xiàn)11O發(fā)動機于1985年初定型投產(chǎn)并開始交付。截至1994年，F(xiàn)110共獲訂貨1065臺，在F-16c/D戰(zhàn)斗機中，F(xiàn)110發(fā)動機占有率達到75%。F118-GE-101發(fā)動機是F110的不加力型，1987年定型，并應用于B-2轟炸機，于1989年完成首飛。隨后U-2R偵察機也使用了F118發(fā)動機。

美軍現(xiàn)在使用的大推力發(fā)動機是90年代初設計的，距今已有20年歷史，當時美軍為F-22戰(zhàn)斗機選擇了普·惠公司的F119發(fā)動機，F(xiàn)-35聯(lián)合攻擊機使用的F135發(fā)動機也是在F119發(fā)動機基礎上發(fā)展而來。大概10年前，第四代戰(zhàn)機刺激了發(fā)動機技術(shù)發(fā)展。

變循環(huán)發(fā)動機的研究工作

1976年普·惠公司的一份研究報告勾畫了超聲速巡航的前景，這一概念被空軍科學咨詢委員會（SAB）采納，寫入了先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機（ATF）的論證報告，也就是現(xiàn)在的F-22。超聲速發(fā)動機在1990～1991年進行的ATF競標中獲勝，1997年作為動力系統(tǒng)完成了F-22的首飛。隨后的“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)（IHPTET）”計劃，雄心勃勃地制定了成倍提高推重比的目標。F-35聯(lián)合攻擊機（JAST）計劃從1987年開始，2005年最終安裝了IHPTET計劃發(fā)展而來的發(fā)動機（F135）。IHPTET的成功源于政府和發(fā)動機公司對項目的重視和穩(wěn)定的投資，空軍最終從中獲益。

1990年之后，隨著發(fā)動機市場萎縮，空軍的采購量也在直線下降。之前，火爆的軍用發(fā)動機銷售帶動了整個發(fā)動機市場，在商業(yè)方面，普·惠公司以16000臺大型商用發(fā)動機為基礎，先后為全世界29支軍隊提供了11000臺軍用發(fā)動機。現(xiàn)在，軍用發(fā)動機的銷售和庫存清單都不如從前，E-3“望樓”預警機上使用的TF33型號已經(jīng)非常陳舊，C-17使用的F117發(fā)動機也已經(jīng)停止銷售，軍用發(fā)動機市場跌入谷底。根據(jù)美國國防部預算審計表顯示，預算委員會將2012至2016財年的研究、發(fā)展、驗證和評估項目（RDT&E）預算削減了10%。這期間，美國空軍啟動了為期5年的發(fā)動機研究計劃，由空軍研究實驗室（AFRL）負責。

在發(fā)動機的戰(zhàn)術(shù)應用需求減少的情況下，美軍開始尋求刺激先進推進系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的途徑，具體包括兩個方面：一是繼續(xù)開展制造性能先進新產(chǎn)品的基礎研究，二是研發(fā)軍民通用發(fā)動機技術(shù)，比如節(jié)約燃料技術(shù)。2000年之后，美國空軍一直保持了在發(fā)動機研究領域的領導地位，IHPTET的相關研究表明他們的工程師仍在發(fā)動機科技的研究效率和成果方面處于尖端位置，空軍研究實驗室（AFRL）設計了許多改革方案，“多用途經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機計劃（VAATE）”是其中最主要的一項。VAATE計劃首任主管萊利·伯恩斯2007年接受《飛行國際》雜志受訪時說：“IHPTET”計劃成功后，我們又面對VAATE計劃的挑戰(zhàn)，人們也許會問在渦輪機技術(shù)相當成熟的情況下，為什么還要花多年時間搞另一個項目，而這項計劃將會讓軍事計劃者們明白投入研發(fā)經(jīng)費是為下一代渦輪發(fā)動機的必備工作也是一場激戰(zhàn)。

ADVENT研究的變循環(huán)發(fā)動機工作原理其實比較簡單：一般發(fā)動機都是專門為遠程巡航或高速飛行設計，客機發(fā)動機和高速軍用運輸機發(fā)動機使用高涵道比，高涵道比由于可以在發(fā)動機周圍流過更多的空氣，氣流很少通過中心熱機部分，這可以提高熱效率，獲得更低的油耗。低涵比正好相反，擠壓更多的空氣通過中心熱機，產(chǎn)生更大的推力，適合戰(zhàn)斗機進行超音速飛行。

對于可變涵道比的發(fā)動機來說，當發(fā)動進氣口打開增加涵道比，渦扇由于外涵道的氣流降低了噴氣的溫度和速度，提高了燃料燃燒的熱效率，產(chǎn)生更大的推力和獲得更低的油耗，對于起飛、巡航、待機和亞聲速加速尤其有利；當進氣口關閉后，更多空氣進入燃燒室，從而可以獲得更大的有效推力，對超音速飛行就比較有利。理想的戰(zhàn)斗機發(fā)動機應該在低速時體現(xiàn)渦扇的特性，在超聲速時體現(xiàn)渦噴的特性，這就是所謂的“自適應”。YF120正是第一臺實現(xiàn)了這種設計理念的戰(zhàn)斗機發(fā)動機。

AETD引領發(fā)展潮流

完成ADVENT計劃的同時，美國空軍啟動了“自適應發(fā)動機技術(shù)發(fā)展（AETD）”計劃，目標是在3年內(nèi)使AETD成熟，并裝備空軍多種型號戰(zhàn)斗機，最終定位為第6代推進系統(tǒng)。目前，攻擊機是AETD項目最大受益者，未來將惠及轟炸機和戰(zhàn)斗機。今年夏天，空軍對自適應發(fā)動機采取了新的競爭舉措，秋季將有2家公司開始研制工作，為2020年下線的飛機做準備。

AETD計劃的技術(shù)含量其實并不比ADVENT多，但是采用“可變循環(huán)推進系統(tǒng)”可以使耗油率下降25%或更多。以遠程轟炸機為例，裝備自適應可變循環(huán)發(fā)動機后，可以降低飛機的起飛重量，因此獲得更大的作戰(zhàn)半徑。節(jié)油的高速飛行可以縮短轟炸機從基地到目標區(qū)的反應時間，提高安全通過敵方防空系統(tǒng)的能力。

AETD計劃在2007至2016年將采用平穩(wěn)的低風險發(fā)動機，并且不針對任何型號的飛機進行研發(fā)。AETD計劃將向節(jié)約25%燃料的方向發(fā)展，適應反介入/區(qū)域拒止作戰(zhàn)環(huán)境。空軍第一年投資2.136億美元，在應用研究、先進技術(shù)發(fā)展、樣機試驗和定型階段將進一步追加投資，軍火商還可獲得自己的國內(nèi)產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)費。按計劃，AETD發(fā)動機要在3年內(nèi)交付成套發(fā)動機測試，模型和模擬，發(fā)動機地面試驗，發(fā)動機預告設計，達到技術(shù)成熟度第6級（TRL6）。一般情況下，發(fā)動機研發(fā)達到TRL6級就可以在模擬條件下進行測試，達到TRL8即可進行飛行試驗。自適應發(fā)動機計劃極具挑戰(zhàn)性，2014年進行壓縮裝置試驗，2015年進行渦扇和核心發(fā)動機試驗，2016年進行靜態(tài)全發(fā)動機試驗。