首臺XA100 自適應循環發動機完成測試

■ 譚米 / 中國航發研究院

（譚米，中國航發研究院，工程師，從事航空發動機科技情報工作）

2021年5月13日，GE航空集團宣布首臺XA100自適應循環發動機已經完成測試，試驗結果與預測的一致，表明XA100具備為美國新一代戰斗機提供變循環推進的能力。

自2020年12月22日 起，GE航空集團開始在位于俄亥俄州埃文代爾的高空測試臺對XA100自適應循環發動機進行測試，一直持續到2021年3月下旬，所有的測試目標都已達到，并實現了美國空軍自適應發動機轉化（AETP）項目的相關指標。GE航空集團還演示驗證了發動機的高推力和高效率兩種不同模式，以及在這兩種模式之間的無縫轉換，此項核心能力將在最大程度上滿足戰斗機在不同飛行狀態下的推力和效率需求。對此，GE航空集團表示首臺XA100的測試結果超出了預期[1]。

配備XA100發動機的戰斗機的留空時間可增加50%，航程將增加35%，燃油效率提高25%，推力增加10%。XA100測試的另一個關鍵目標是利用第三涵道提升熱管理能力。測試結果表明，XA100的熱吸收能力提高了60%，熱管理可以使任務系統的能力增強一倍。除總體性能外，驗證機的測試還重點關注電源管理系統的可操作性，以及發動機在不同模式之間自動轉換的能力。

目前，GE航空集團正在進行第二臺XA100驗證機的組裝工作，該驗證機將在美國空軍阿諾德工程發展中心（AEDC）進行測試。相比第一臺驗證機，第二臺驗證機的更改之處僅限于控制儀表、軟件和控制組件，發動機的硬件則與第一臺是相同的。

圖1 GE航空集團對XA100進行測試

XA100發動機的技術創新

XA100-GE-100發動機結合了三項關鍵創新：一是發動機自適應變循環結構，既可以提供高推力模式以實現最大推力，也可以提供高效率模式以實現最佳的燃油經濟性和留空時間，并具備在不同模式之間自動轉換的能力；二是三涵道結構，為發動機熱管理能力獲得質的提升提供了保障；三是廣泛采用先進的部件技術，包括陶瓷基復合材料（CMC）、聚合物基復合材料（PMC）和增材制造技術。

變循環關鍵技術

變循環發動機的相關研究起步于20世紀70年代，經過40 余年的積累已逐步形成多樣化方案，促進了變循環發動機的技術發展。表1匯總了GE航空集團變循環發動機方案的相關專利[2]，從中可以看出變循環發動機關鍵部件包括核心機驅動風扇（CDFS）、風扇葉尖風扇（Flade）、渦輪葉尖風扇、輔助渦輪系統、外涵道燃燒室、中壓渦輪導葉等。關鍵部件方案類型多、分布廣，從低壓系統（如Flade）到高壓系統（如CDFS），從壓縮部件（如可變風扇系統）、渦輪（如輔助渦輪系統）到燃燒室（如外涵道燃燒室），遍布發動機整機范圍。

圖2 XA100驗證機結構示意

三涵道結構

三涵道是實現自適應循環的關鍵。常規渦扇發動機內外涵道的涵道比是固定的，而變循環發動機的外涵道的流量由閥門控制，涵道比可變。在三涵道結構中，內涵道和第二涵道可以看作是傳統的渦扇發動機或雙外涵道變循環發動機，第三涵道的氣流不進入核心機，不影響發動機的正常工作。通過調整發動機進口流量大小，改變進氣道的出口背壓，控制進氣道內激波的位置，實現可調進氣道的功能。

第三涵道通過抽吸拉動邊界層，在相當程度上可以解決邊界層分離問題。此外，第三涵道氣流增壓較小，溫度較低而流量充足，可以直接用于冷卻，或者通過換熱器使壓氣機氣流降溫后用于冷卻。隱身飛機不容許機體上任意開口以增加散熱，現有的用燃油作為冷源的方法限制了最低燃油容量，第三涵道氣流是理想的冷源，而且不干擾發動機核心機的工作。

先進部件技術

除了第三涵道，先進的陶瓷基復合材料的應用也是自適應發動機的一大改進。陶瓷基復合材料把陶瓷纖維(也可用碳纖維)和陶瓷基體整合成一體，保留了陶瓷耐高溫的特性，同時具有很高的機械強度和抗熱裂性。在自適應通用發動機技術計劃中，GE航空集團在低壓渦輪和高壓渦輪前緣采用了陶瓷基復合材料，使高壓渦輪前緣溫度達到1648℃。在后續的自適應發動機技術發展項目中，陶瓷基復合材料的應用進一步擴大，在高壓渦輪導向葉片、排氣部件上都有應用。GE航空集團稱，陶瓷基復合材料渦輪葉片甚至可以不需要冷卻，為大幅度提高發動機耐高溫性能提供了空間。除了陶瓷基復合材料，GE航空集團還對樹脂基復合材料進行了應用，于2015 年完成全尺寸樹脂基復合材料部件評估。樹脂基復合材料主要應用于航空發動機的冷端，如風扇葉片、風扇機匣、風扇帽罩、出口導流葉片等，相比金屬材料，樹脂基復合材料有很明顯的減重優勢。

圖3 三涵道結構示意

美國自適應發動機計劃

XA100是美國空軍生命周期管理中心的自適應發動機轉化（AETP）項目下簽約的兩臺演示驗證機之一，另一個是普惠公司研制的XA101。在GE航空集團宣布第一臺XA100完成測試后，普惠公司重申了其計劃目標，即在未來7個月內進行首臺XA101驗證機的測試。自適應循環發動機目前所取得的進展很大程度上得益于美國空軍牽頭實施的一系列自適應發動機研究計劃，這些計劃從2007年開始，有效地推動了自適應發動機相關技術的研究、驗證和成熟[3]。

表1 GE變循環發動機方案相關專利

一是自適應通用發動機技術（ADVENT）計劃（2007—2015年），該計劃是通用經濟可承受先進渦輪發動機（VAATE）計劃的子計劃，目的是實現自適應發動機核心機和關鍵部件技術的突破，將下一代發動機相關技術的技術成熟度（TRL）和制造成熟度（MRL）都提高到6，由GE航空集團和羅羅北美公司承擔。

二是自適應發動機技術發展（AETD）項目（2012—2017年），在ADVENT計劃成果的基礎上，完成自適應發動機驗證機初步設計和核心機、關鍵部件的驗證，目標是與F135 發動機相比，燃油效率降低25%，凈推力增大5%，加力推力增大10%，航程延長30%，由GE航空集團和普惠公司承擔。

三是自適應發動機轉化（AETP）項目（2017—2022年），完成自適應發動機驗證機的詳細設計、制造和試驗評估，技術指標與AETD項目相同，同樣由GE航空集團和普惠公司承擔。

四是下一代自適應推進（NGAP）項目（2019—2025年），開展用于美國空軍六代機的自適應發動機原型機初步設計、詳細設計、制造和評估，目的是到2025年為自適應發動機飛行驗證做好準備。

結束語

GE航空集團經過十多年的技術準備，目前已完成了自適應循環發動機的關鍵技術研究、集成驗證和整機高空模擬試驗。考慮到美國空軍已經確定將自適應發動機技術作為其六代機的動力，并且NGAP項目也制定了自適應發動機于2025年進行飛行驗證的目標，加之因缺席了美國五代機動力而對六代機動力的勢在必得，可以推測GE航空集團的自適應循環發動機極有可能在2025年進行飛行驗證。