通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研究計(jì)劃的主要特點(diǎn)

梁春華

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 1 10015）

通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研究計(jì)劃的主要特點(diǎn)

梁春華

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 1 10015）

通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（VAATE）研究計(jì)劃是綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）研究計(jì)劃的后續(xù)國家級技術(shù)研究計(jì)劃，是為了滿足美國未來武器系統(tǒng)的更高要求而實(shí)施的。對這2個(gè)計(jì)劃的研究內(nèi)容、應(yīng)用范圍和管理方法進(jìn)行了分析與歸納。結(jié)果表明：相對IHPTET研究計(jì)劃，VAATE研究計(jì)劃更追求經(jīng)濟(jì)可承受性的提高、研究和應(yīng)用的范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展及自上而下（航空器→領(lǐng)域→部件）的方法的高效性。

VAATE研究計(jì)劃；IHPTET研究計(jì)劃；經(jīng)濟(jì)可承受性；計(jì)劃管理；渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

21世紀(jì)美國武裝系統(tǒng)要求，未來的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)必須既要提高性能（增大推力、降低耗油率、減輕質(zhì)量、提高耐久性、降低噪聲與排放等），又要降低費(fèi)用（降低研制、采辦、使用和保障費(fèi)用等）。為此，在綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）研究計(jì)劃取得部分重要成果和成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，美國官產(chǎn)學(xué)機(jī)構(gòu)于1999年開始籌劃、于2003年開始部分實(shí)施（2005年開始全面實(shí)施）其后續(xù)計(jì)劃——通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（VAATE）研究計(jì)劃，開發(fā)、驗(yàn)證和轉(zhuǎn)移革新的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，以使現(xiàn)役、在研和未來的各種軍、民2用發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)可承受性（采用推進(jìn)能力與費(fèi)用指數(shù)的比值表示）方面取得革命性的改進(jìn)。

VAATE研究計(jì)劃是對IHPTET研究計(jì)劃的繼承和發(fā)展。繼承了IHPTET研究計(jì)劃的成功經(jīng)驗(yàn)，即：保持穩(wěn)定且持續(xù)的投資；明確國防關(guān)鍵技術(shù)目標(biāo)；制定附有里程碑的明確驗(yàn)證目標(biāo)；依靠政府、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的密切合作；采用漸進(jìn)式分階段的方式不斷地進(jìn)行技術(shù)開發(fā)、驗(yàn)證和轉(zhuǎn)移；開發(fā)軍民2用技術(shù)等。對IHPTET研究計(jì)劃的研究目標(biāo)進(jìn)行了更全面和更長遠(yuǎn)的拓展，研究與應(yīng)用范圍進(jìn)行了明顯的拓寬，組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重組與優(yōu)化，進(jìn)而形成了一些鮮明特點(diǎn)，為VAATE研究計(jì)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了組織、資金和技術(shù)保證。

1 技術(shù)研究目標(biāo)更宏大且更具挑戰(zhàn)性

VAATE研究計(jì)劃的目標(biāo)是：2003～2017年，使現(xiàn)役、在研和未來的軍、民2用推進(jìn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可承受性較基準(zhǔn)推進(jìn)系統(tǒng)（如F119發(fā)動(dòng)機(jī)）的提高10倍；具體到大型渦扇/渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)是：推重比增大200%，耗油率降低25%，費(fèi)用降低60%（見表1）。而IHPTET研究計(jì)劃的目標(biāo)是：1988～2005年，使航空發(fā)動(dòng)機(jī)的能力提高1倍；以大推力級渦扇/渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為例的具體目標(biāo)（見表2）。也就是說，與后者相比，前者的目標(biāo)已經(jīng)不是只追求提高能力，而是調(diào)整為在追求提高能力的同時(shí)，同等地甚至更多地追求經(jīng)濟(jì)可承受性和耐久性。因此，VAATE研究計(jì)劃的目標(biāo)更加全面和宏大，也更加具有挑戰(zhàn)性。

表1 VAATE研究計(jì)劃的大推力級渦扇/渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的具體目標(biāo)

表2 IHPTET研究計(jì)劃的大推力級渦扇/渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的具體目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)情況

2 應(yīng)用范圍更寬廣，飛行器收益更明確

VAATE研究計(jì)劃在實(shí)施伊始即針對更加寬廣應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)、驗(yàn)證和轉(zhuǎn)移先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。這些應(yīng)用領(lǐng)域不僅包括軍用航空器，還包括民用航空器，甚至包括革新的飛行器、艦船和發(fā)電設(shè)備等。

2.1 軍用航空領(lǐng)域

VAATE研究計(jì)劃開發(fā)和驗(yàn)證的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，不僅面向傳統(tǒng)航空武器系統(tǒng)，如全球攻擊機(jī)、先進(jìn)隱身作戰(zhàn)飛機(jī)、先進(jìn)運(yùn)輸機(jī)、垂直/短距起降（V/STOL）飛機(jī)等，還面向長航程、高馬赫數(shù)和長耐久性的非傳統(tǒng)飛行器，如無人戰(zhàn)斗機(jī)、高馬赫數(shù)巡航飛機(jī)、低費(fèi)用空間飛行器等；不僅面向未來的各類飛行器，還面向現(xiàn)役、在研的飛行器。這些技術(shù)給飛行器帶來的好處可能包括：航程延長、后勤保障規(guī)模減小、戰(zhàn)備完好率提高、噪聲與污染排放降低、隱身性提高、高速續(xù)航能力提高等。VAATE研究計(jì)劃對現(xiàn)役和未來軍用飛行器帶來的預(yù)期收益見表3。

表3 VAATE研究計(jì)劃給現(xiàn)役和未來飛行器帶來的預(yù)期收益

2.2 民用航空領(lǐng)域

VAATE研究計(jì)劃所有3個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域開發(fā)和驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，也將直接且廣泛地應(yīng)用在民用飛行器上。在多用途核心機(jī)領(lǐng)域開發(fā)的技術(shù)，將使軍、民用飛行器保持更大的通用性，進(jìn)而通過數(shù)量效益來降低費(fèi)用。在智能發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域開發(fā)的故障預(yù)診和健康維護(hù)技術(shù)和在耐久性領(lǐng)域開發(fā)的很多技術(shù)，將直接惠及所有的民用飛行器。在耐久性領(lǐng)域開發(fā)的使軍用發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕、維修時(shí)間縮短和零件數(shù)量減少的技術(shù)，也可以直接用于民用航空產(chǎn)品上；開發(fā)的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)，可以直接用于優(yōu)化民用發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)和改善其燃燒特性，以全面地降低其燃料費(fèi)用和污染排放。

2.3 革命性的航空運(yùn)輸領(lǐng)域和太空產(chǎn)品

VAATE研究計(jì)劃還將惠及新型和革命性的航空運(yùn)輸領(lǐng)域和太空產(chǎn)品。VAATE研究計(jì)劃開發(fā)和驗(yàn)證的技術(shù)，可以用于發(fā)展更高單位功率的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以滿足超聲速民用飛行器和城市間垂直起落的固定翼飛機(jī)的要求；也可以為比NASA X-43計(jì)劃更先進(jìn)的可重復(fù)使用高超聲速飛行器和經(jīng)濟(jì)可承受的民用太空飛行器的研制提供必不可少的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 非航空領(lǐng)域

VAATE研究計(jì)劃也將惠及火箭、艦船動(dòng)力、地面運(yùn)輸?shù)绕渌呛娇疹I(lǐng)域的產(chǎn)品。該計(jì)劃開發(fā)和驗(yàn)證的渦輪和壓氣機(jī)技術(shù)，可以應(yīng)用在以葉輪機(jī)為基礎(chǔ)的火箭燃料泵與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上，也可移植到傳統(tǒng)的和組合循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上。該計(jì)劃開發(fā)和驗(yàn)證的燃燒室技術(shù)，可以引入艦船、發(fā)電、機(jī)械驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)低排放燃燒室設(shè)計(jì)中。其開發(fā)和驗(yàn)證的各種制造工藝、分析性設(shè)計(jì)工具、智能發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和耐久的高溫材料，可以引入各種用途的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品中。

3 組織結(jié)構(gòu)適應(yīng)大的研究范圍和高的綜合目標(biāo)

VAATE研究計(jì)劃的組織結(jié)構(gòu)充分借鑒了使IHPTET研究計(jì)劃取得巨大成功的一些經(jīng)驗(yàn)和特性。其中包括：由政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進(jìn)行大合作；由政府部門和工業(yè)界高層領(lǐng)導(dǎo)組成的指導(dǎo)委員會(huì)進(jìn)行監(jiān)督和指導(dǎo)；利用聯(lián)合技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研究計(jì)劃，對先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)方案、設(shè)計(jì)工具、性能、壽命和費(fèi)用等方面的改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，為了適應(yīng)研究與應(yīng)用范圍的擴(kuò)展和研究目標(biāo)的提高，在IHPTET研究計(jì)劃組織結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對VAATE研究計(jì)劃的組織結(jié)構(gòu)的參研單位和技術(shù)工作組織方面進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，分別如圖1、2所示。

與IHPTET研究計(jì)劃采用自下而上（部件→整機(jī)）的方法不同，VAATE研究計(jì)劃采用自上而下 （航空器→領(lǐng)域→部件）的方法組織技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證工作，通過強(qiáng)調(diào)高性能和低費(fèi)用來保證實(shí)現(xiàn)10倍經(jīng)濟(jì)可承受性的目標(biāo)。為此，VAATE研究計(jì)劃的參研單位，除保留IHPTET研究計(jì)劃中的5個(gè)軍政部門（陸軍、空軍、海軍、美國國防部預(yù)研局（DARPA）和美國航空航天管理局（NASA））和6家工業(yè)部門（GE公司、霍尼韋爾（Honeywell）公司、PW公司、AADC公司、威廉姆斯（Williams）公司和特里達(dá)因（Teledyne）大陸發(fā)動(dòng)機(jī)公司）以外，新增加了2個(gè)政府部門（國防部辦公室（0SD）和能源部（DOE））和3家飛機(jī)及系統(tǒng)制造商（波音（Boeing）公司、洛克希德·馬?。↙ockheed Martin） 公司） 和諾斯羅普·格魯門（Northrop Grumman）公司）。這樣，VAATE研究計(jì)劃的參研單位不僅包括軍用部門和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司，還包括政府部門和飛機(jī)機(jī)體制造商，構(gòu)成了1個(gè)龐大的一體化團(tuán)隊(duì)或“大集團(tuán)”，可以在國家層面制定渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研制戰(zhàn)略，也可以在參與研究的機(jī)構(gòu)中融資，為推進(jìn)系統(tǒng)和艦船/發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證提供強(qiáng)有力的組織和經(jīng)費(fèi)保障。

與IHPTET研究計(jì)劃的相比，VAATE研究計(jì)劃的技術(shù)工作組織變化較大，將部件技術(shù)組（包括風(fēng)扇/壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和驗(yàn)證機(jī)）改為重點(diǎn)領(lǐng)域組，改組了共用技術(shù)組，增加了技術(shù)應(yīng)用組。重點(diǎn)領(lǐng)域組設(shè)立通用核心機(jī)、智能發(fā)動(dòng)機(jī)和耐久性3個(gè)小組。共用技術(shù)組去掉了計(jì)算流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)和降低費(fèi)用3個(gè)小組，保留了IHPTET研究計(jì)劃的材料小組，新設(shè)立建模與模擬、污染與噪聲、制造技術(shù)和高效技術(shù)4個(gè)小組。其中，前4個(gè)小組為研究計(jì)劃的重點(diǎn)技術(shù)支持小組；高效技術(shù)小組的任務(wù)是把政府內(nèi)部機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門的試驗(yàn)設(shè)備組織起來，開展發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件的研究和試驗(yàn)，并將驗(yàn)證的研究成果移植到新研制發(fā)動(dòng)機(jī)上，起到架起研究與技術(shù)開發(fā)的橋梁、降低采購費(fèi)用、提高經(jīng)濟(jì)可承受性的作用。技術(shù)應(yīng)用組下設(shè)無人機(jī)應(yīng)用、現(xiàn)行宇航應(yīng)用、非宇航應(yīng)用和在役機(jī)種應(yīng)用4個(gè)小組，目的是直接與用戶聯(lián)系，迅速而合理地將所取得的研究成果移植到現(xiàn)役、在研和未來的各種武器系統(tǒng)中。

4 制定更具體且實(shí)際的技術(shù)實(shí)施措施

VAATE研究計(jì)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑是：通過開發(fā)、驗(yàn)證和轉(zhuǎn)移革新、低費(fèi)用和通用的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合能力提高和總費(fèi)用降低。

4.1 開發(fā)和驗(yàn)證革新的發(fā)動(dòng)機(jī)部件和技術(shù)

在VAATE研究計(jì)劃下，將為現(xiàn)役、在研和未來的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)和驗(yàn)證革新的發(fā)動(dòng)機(jī)部件和技術(shù)（如圖1所示），以使發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比提高和耗油率降低，進(jìn)而使其經(jīng)濟(jì)可承受性提高。這些技術(shù)和（或）部件主要包括先進(jìn)的流量可控進(jìn)口、允許畸變的輕質(zhì)風(fēng)扇、多用途大流量的壓氣機(jī)、緊湊高效的低排放燃燒室、高效全壽命長時(shí)間熱態(tài)工作的渦輪、一體化的渦輪后框架與加力燃燒室、耐久的推力矢量噴管、模型基非線性自適應(yīng)控制系統(tǒng)、一體化的健康管理系統(tǒng)、綜合的熱管理系統(tǒng)、耐久的損傷容限設(shè)計(jì)技術(shù)、內(nèi)部起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、先進(jìn)的燃油添加劑/熱穩(wěn)定高熱沉燃料技術(shù)等。

4.2 開發(fā)和驗(yàn)證先進(jìn)的低費(fèi)用技術(shù)和措施

在VAATE研究計(jì)劃下，主要在研制、生產(chǎn)和維護(hù)3個(gè)方面開發(fā)、驗(yàn)證和應(yīng)用先進(jìn)的低費(fèi)用技術(shù)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性。在研制方面，主要通過采用虛擬設(shè)計(jì)與試驗(yàn)、使技術(shù)快速成熟、較早進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)/飛機(jī)一體化、讓分研制商分擔(dān)研制費(fèi)用等技術(shù)和措施降低費(fèi)用；在生產(chǎn)方面，主要通過采用多系統(tǒng)硬件、先進(jìn)加工技術(shù)、低費(fèi)用部件、革新的裝配技術(shù)和減少部件數(shù)等技術(shù)和措施降低費(fèi)用；在維護(hù)方面，主要通過采用無維護(hù)設(shè)計(jì)與損傷容限設(shè)計(jì)、減少計(jì)劃外拆卸率、實(shí)施發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理、提高熱態(tài)工作能力、延長壽命、采用可修理的部件和改善檢查方法等技術(shù)和措施降低費(fèi)用。

4.3 開發(fā)和驗(yàn)證通用性技術(shù)

在VAATE研究計(jì)劃下，通用核心機(jī)、智能發(fā)動(dòng)機(jī)和耐久性3個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域工作組共同為超聲速多用途戰(zhàn)斗機(jī)、未來的旋翼機(jī)、長航程攻擊機(jī)、超聲速導(dǎo)彈、無人機(jī)、全球到達(dá)運(yùn)輸機(jī)和艦船燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)和驗(yàn)證通用性技術(shù)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性。

通用核心機(jī)工作組，通過采用先進(jìn)材料、氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)和革新的結(jié)構(gòu)，開發(fā)和驗(yàn)證高壓比高壓壓氣機(jī)、均勻混合且燃燒的高性能燃燒室、高效渦輪、先進(jìn)的機(jī)械系統(tǒng)和先進(jìn)的燃油系統(tǒng)，進(jìn)而研制通用核心機(jī)，再進(jìn)一步發(fā)展更高性能、更高耐久性和更低費(fèi)用的軍民2用發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)，直到研制出各種用途的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以滿足從戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)到導(dǎo)彈和無人機(jī)的多種飛行器的創(chuàng)新與發(fā)展要求，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)用戶采購費(fèi)用降低和經(jīng)濟(jì)承受性提高。

智能發(fā)動(dòng)機(jī)工作組，開發(fā)、驗(yàn)證和轉(zhuǎn)移先進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)、先進(jìn)材料、革新結(jié)構(gòu)、主動(dòng)控制、發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理、飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化、進(jìn)口與噴口一體化等技術(shù)，以使現(xiàn)役、在研和未來的有人和無人飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的性能/可靠性/生存能力提高、壽命延長，進(jìn)而使其經(jīng)濟(jì)可承受性提高。

耐久性工作組，提前開發(fā)結(jié)構(gòu)分析、低費(fèi)用壽命估算、熱端部件氣動(dòng)熱力評估、材料、涂層、加工與修理、無損探傷、測試等先進(jìn)技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件避免損傷，壽命延長，可靠性與維修性提高，費(fèi)用降低，使其壽命延長和維護(hù)費(fèi)用降低，進(jìn)而使其經(jīng)濟(jì)可承受性大大提高。

4.4 應(yīng)用實(shí)例

通過這3個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域工作組的工作，實(shí)現(xiàn)VAATE研究計(jì)劃降低維護(hù)費(fèi)用60%分目標(biāo)的實(shí)例見表4。

表4 VAATE研究計(jì)劃降低維護(hù)費(fèi)用60%分目標(biāo)的實(shí)例

5 結(jié)束語

綜上所述，VAATE研究計(jì)劃相對IHPTET研究計(jì)劃具有以下特點(diǎn)：

（1）研究目標(biāo)更宏偉。VAATE研究計(jì)劃不再是只追求提高能力，而是在追求提高能力的同時(shí)，同等地或更多地追求經(jīng)濟(jì)可承受性和耐久性；不只是追求發(fā)動(dòng)機(jī)本身能力的提高，而是追求整個(gè)飛行器推進(jìn)系統(tǒng)性能的提高。

（2）研究和應(yīng)用范圍更寬泛。其技術(shù)研究和應(yīng)用的范圍不僅包括軍用航空領(lǐng)域，還包括民用航空領(lǐng)域，也包括新型/革命性的航空運(yùn)輸和太空產(chǎn)品領(lǐng)域，甚至包括火箭、艦船動(dòng)力、發(fā)電和地面運(yùn)輸?shù)绕渌呛娇疹I(lǐng)域。將部件技術(shù)組改為重點(diǎn)領(lǐng)域組，改組了共用技術(shù)組，增加了技術(shù)應(yīng)用組。

（3）組織機(jī)構(gòu)更加全面且有效。不再采用IHPTET研究計(jì)劃的自下而上（部件→整機(jī)）的方法，而是采用自上而下（航空器→領(lǐng)域→部件）的方法組織技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證工作；不但包括了IHPTET研究計(jì)劃中的所有機(jī)構(gòu)，而且增加了政府的民用部門和飛機(jī)機(jī)體制造商。

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Key Features of Versatile Affordable Advanced Turbine Engine Program

LIANG Chun-hua
（AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China）

The Versatile Affordable Advanced Turbine Engine（VAATE）program was a succeeding national program of the Integrated High Performance Turbine Engine Technology （IHPTET）program,was created to meet the more stringent and strong needs of future weapon system.The study content,application and management method were analyzed and generalized.The results show that compare to IHPTET program,the VAATE program has the more challenge and great affordability goals,the more extensive research and application extent,the more efficient organization management of from top to down.

VAATE program;IHPTET program;affordability;program management;turbine engine

梁春華（1968），男，工程碩士，自然科學(xué)研究員，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)情報(bào)研究工作。