自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機需求識別與分析

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機通過實時改變空氣流量和涵道比，集渦噴/渦扇發(fā)動機優(yōu)點于一體，具有更強的循環(huán)調(diào)節(jié)能力和任務(wù)適應(yīng)性，是未來作戰(zhàn)飛機的主要動力選型之一。

變循環(huán)發(fā)動機由于其明顯的性能優(yōu)勢而受到高度重視，并被投入巨資進(jìn)行研發(fā)，取得了很多有價值的成果。本文基于自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)資料的調(diào)研，在總結(jié)自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機技術(shù)發(fā)展途徑和研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，參考目前自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)在宏觀層面上的需求分析，開展了具體的需求識別和需求分析研究工作，并完成了需求和設(shè)計指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，旨在為自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機的設(shè)計方案提供參考。

技術(shù)發(fā)展途徑研究

發(fā)展途徑分析

對比常規(guī)循環(huán)發(fā)動機技術(shù)發(fā)展途徑，目前自適應(yīng)變循環(huán)技術(shù)的發(fā)展途徑主要有三條。

第一條技術(shù)途徑是直接在現(xiàn)有的軍民用發(fā)動機基礎(chǔ)上，根據(jù)使用要求和性能要求進(jìn)行局部適應(yīng)性改進(jìn)，不改變核心機和低壓部件。最為典型的就是美國國家航空航天局（NASA）研制的單外涵變循環(huán)發(fā)動機，直接在渦輪出口安裝了可調(diào)面積涵道引射器（VABI），取代了常規(guī)的固定面積混合室，能夠在一定范圍內(nèi)平衡風(fēng)扇和渦輪出口的靜壓，對降低溢流阻力有積極意義。該途徑優(yōu)點是改動量小、周期短、成本低、風(fēng)險幾乎為零，可直接在現(xiàn)有發(fā)動機基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計；但這種方式的缺點是無法充分發(fā)揮發(fā)動機的變循環(huán)功能，難以滿足飛機多任務(wù)使用的要求。

第二條途徑是在現(xiàn)有型號發(fā)動機基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計，增加具有自適應(yīng)變循環(huán)功能的部件，如核心機驅(qū)動風(fēng)扇級（CDFS）、葉尖風(fēng)扇（FLADE）、前后涵道引射器、第三涵道噴管等，在保持現(xiàn)有型號核心機基礎(chǔ)上，僅僅對低壓部件進(jìn)行重新設(shè)計，保證發(fā)動機性能滿足基準(zhǔn)型號發(fā)動機的性能要求。該途徑的優(yōu)點是僅對發(fā)動機的低壓系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等部件及系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，不需要重新設(shè)計核心機，既控制了成本，也排除了核心機研制風(fēng)險，同時保證了主機的可靠性；缺點是發(fā)動機的推力、耗油率和壽命等參數(shù)在一定程度上受低壓部件特性的限制，可能對低壓部件設(shè)計帶來一定的壓力。

第三條途徑是研制全新發(fā)動機，對低壓部件、核心機重新設(shè)計。該途徑的優(yōu)點是可以采用盡可能多的變循環(huán)特征部件，能夠最大限度地實現(xiàn)變循環(huán)功能，可根據(jù)客戶需要和功能性能需求自由設(shè)計發(fā)動機方案；其缺點是周期長、難度大、成本高，并且面臨著不可預(yù)估的技術(shù)風(fēng)險，由于涉及到核心機部件的更新?lián)Q代，因此對熱端部件材料也提出了更加苛刻的要求。

技術(shù)發(fā)展途徑實例分析

從20世紀(jì)60年代開始，美國、英國、日本和法國等國家陸續(xù)開始了變循環(huán)發(fā)動機的概念和方案設(shè)計以及相關(guān)技術(shù)的研究和驗證工作，均取得了一定的研究進(jìn)展，其中以美國GE公司的研究最為深入，也最具代表性。經(jīng)過多年的研究，GE公司成功試制了世界上第一種完成飛行驗證的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機F120，在變循環(huán)技術(shù)方面保持領(lǐng)先地位。GE公司在變循環(huán)發(fā)動機的研制進(jìn)程中，共發(fā)展了五代發(fā)動機。新一代發(fā)動機都是在上一代發(fā)動機的基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵的變循環(huán)特征結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，使功能、性能有了明顯的改善。GE公司在變循環(huán)技術(shù)方面具體發(fā)展歷程和關(guān)鍵技術(shù)途徑見表1。

第一代變循環(huán)發(fā)動機的關(guān)鍵特征是增加了后VABI，可在發(fā)動機工作范圍內(nèi)平衡風(fēng)扇和渦輪出口氣流壓力；第二代變循環(huán)發(fā)動機是在第一代的基礎(chǔ)上增加了關(guān)鍵部件CDFS、模式選擇閥、前/后VABI和可調(diào)面積低壓渦輪導(dǎo)向器，具備雙工作模式，可以以單涵道和雙涵道模式工作，代表機型為GE21發(fā)動機；第三代變循環(huán)發(fā)動機的基本特征和工作原理與第二代相同，區(qū)別是將可調(diào)模式選擇閥改為比較簡單的被動作動旁路閥，代表機型為F120發(fā)動機，這也是世界上唯一得到飛行驗證的變循環(huán)發(fā)動機；第四代變循環(huán)發(fā)動機是可控壓比發(fā)動機，主要采用可調(diào)面積高壓渦輪導(dǎo)向器、高負(fù)荷跨聲速高壓渦輪、無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)低壓渦輪，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的不加力推力和較低的亞聲速巡航耗油率，能夠允許發(fā)動機以恒定的涵道比在較寬的壓比范圍內(nèi)工作，代表機型為F136發(fā)動機；第五代變循環(huán)發(fā)動機在風(fēng)扇后增加了單獨的外涵道，并且在轉(zhuǎn)子葉片上增加了FLADE（ 即“葉片上的風(fēng)扇”，是接在風(fēng)扇外圍的一排較短的轉(zhuǎn)子葉片，如圖1所示），在采用可控壓比技術(shù)的基礎(chǔ)上初步形成了自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機（Adaptive Cycle Engine，ACE）的雛形，能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍內(nèi)熱力循環(huán)調(diào)整和優(yōu)化，通過打開或關(guān)閉FLADE前的可調(diào)靜子調(diào)整發(fā)動機總的空氣流量，具有更高的任務(wù)適應(yīng)能力。自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)是目前變循環(huán)發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的前沿方向和主要趨勢。

從GE公司變循環(huán)技術(shù)的發(fā)展途徑和思路看，GE公司采取的是第二種技術(shù)途徑，即在基準(zhǔn)型號發(fā)動機上逐步貫徹變循環(huán)功能特征部件，雖然每一代的跨度不大，但技術(shù)上的每一代進(jìn)步都十分穩(wěn)妥，盡可能的控制了風(fēng)險。

根據(jù)已有的研制經(jīng)驗和取得的成果來看，基于現(xiàn)有成熟發(fā)動機基礎(chǔ)上衍生發(fā)展變循環(huán)技術(shù)是可行的，也是最為穩(wěn)妥的，避免了重新設(shè)計全新發(fā)動機帶來的技術(shù)和周期風(fēng)險。

需求分析研究

本文將從發(fā)動機設(shè)計要素方面針對頂層需求，完成具體的功能、性能、接口、約束及非功能需求的識別和分析研究工作，并將需求轉(zhuǎn)換為發(fā)動機設(shè)計指標(biāo)。

總體思路

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機需求分析的總體思路如圖2所示，首先需要分析與研究對象有關(guān)的利益相關(guān)者以及頂層輸入（源文件），根據(jù)頂層文件篩選出用戶對發(fā)動機的需求，并從功能、性能、接口、約束和非功能等五個方面對需求進(jìn)行親和分類，在分析每一需求項屬性的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動機當(dāng)前設(shè)計能力將客戶的每一需求項轉(zhuǎn)換為發(fā)動機設(shè)計指標(biāo)、技術(shù)要求，最后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平評估該項需求的可行性。

需求識別

根據(jù)需求分析的總體思路，可以開展自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機研制中需求項的分解和識別工作。

在自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)研究中，利益相關(guān)者主要是潛在的用戶，如海軍和空軍；相關(guān)的頂層設(shè)計文件包括飛機設(shè)計部門對發(fā)動機提出的要求，以及用戶對發(fā)動機的使用要求，經(jīng)分解后得到不同類型的需求項，如屬于性能范疇的起飛加力推力、巡航耗油率、起動性能等；功能范疇的健康管理、控制系統(tǒng)功能、功率提取功能等；非功能性范疇的可靠性、維修性和安全性等；接口范疇的發(fā)動機外廓尺寸、進(jìn)排氣一體化等；約束范疇的設(shè)計成本要求等。識別結(jié)果如表2所示。同時，分析需求項的驗證方式，如整機試車驗證、試飛驗證、仿真驗證、部件試驗驗證、靜態(tài)檢查驗證等。

需求分析

根據(jù)當(dāng)前變循環(huán)技術(shù)儲備和設(shè)計能力，考慮指標(biāo)先進(jìn)性要求，從功能、性能、非功能、接口、約束等5個方面，按表2順序?qū)⒏餍枨箜椶D(zhuǎn)換為相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)或設(shè)計要求，如推力下限值、耗油率上限值等。需求分析理清了發(fā)動機后續(xù)設(shè)計過程需要關(guān)注的焦點，提出了發(fā)動機設(shè)計時應(yīng)該注重的指標(biāo)和設(shè)計要素，為發(fā)動機的設(shè)計指明了方向。

表2 需求識別結(jié)果及驗證方式

功能需求類分析對于健康管理功能，需要發(fā)動機具備狀態(tài)檢測、故障診斷、故障預(yù)測、趨勢預(yù)測、全生命周期管理功能。對于數(shù)控系統(tǒng)功能，要求發(fā)動機具備較高控制品質(zhì)和精度，能夠精確調(diào)整控制規(guī)律，具備控制變循環(huán)特性的能力。對于噴口控制功能，要求發(fā)動機能夠?qū)?nèi)、外涵道噴口面積獨立控制。對于功率提取和引氣能力，由于發(fā)動機涉及到引射器、CDFS、FLADE和噴管的控制，因此功率提取能力較常規(guī)循環(huán)發(fā)動機大，引氣量至少達(dá)到常規(guī)循環(huán)發(fā)動機數(shù)值。對于變循環(huán)控制能力，由于增設(shè)了變循環(huán)關(guān)鍵特征部件，發(fā)動機需具備靈活精確的變循環(huán)自適應(yīng)控制能力。對于加力通斷功能，要求發(fā)動機具備良好的加力接通和斷開能力以及加力穩(wěn)定工作能力。對于空中起動能力，要求發(fā)動機具備空中停車再起動能力，起動方式不限于風(fēng)車起動、慣性起動等。防冰能力，要求發(fā)動機具備可靠的防冰功能，防冰控制附件功能滿足使用要求。

性能需求類分析對于隱身性能，由于第三涵道增加了內(nèi)外流的摻混能力，會降低紅外輻射特征，因此變循環(huán)發(fā)動機的紅外隱身能力相對常規(guī)循環(huán)發(fā)動機至少提升10%，雷達(dá)截面積（RCS）不超過常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于氣動穩(wěn)定性，由于自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機增加了CDFS和FLADE等旋轉(zhuǎn)部件，對風(fēng)扇和壓氣機的裕度有較大影響，在設(shè)計時需保證部件及整機裕度不小于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于涵道比調(diào)整范圍，由于自適應(yīng)變循環(huán)的優(yōu)勢主要在于能夠在大范圍內(nèi)調(diào)整涵道比，按GE公司第二代變循環(huán)發(fā)動機GE21設(shè)計水平，涵道比至少達(dá)到0.5～1.0。對于巡航耗油率，由于GE21發(fā)動機在亞聲速巡航時耗油率降低了15%，因此自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機耗油率改善量應(yīng)不低于15%。對于起飛加力推力，降低涵道比可增加單位推力，通過自適應(yīng)調(diào)整，保證加力推力不低于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于慢車推力，慢車推力需根據(jù)飛機設(shè)計部門的輸入給出上限值。對于加減速性能，由于變循環(huán)部件的設(shè)計增加了功率提取，但須保證發(fā)動機剩余功率滿足發(fā)動機加減速要求，因此指標(biāo)不能低于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于性能保持能力，發(fā)動機的性能衰減不可避免，因此按國軍標(biāo)要求進(jìn)行控制。對于工作包線，自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機的使用包線應(yīng)不小于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于振動特性，由于增加了變循環(huán)特征部件，發(fā)動機振動特性會有變化，但各狀態(tài)振動值不應(yīng)超過常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于起動性能，自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機起動時間和排氣溫度不應(yīng)超過常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。

非功能性需求類分析對于“六性”（可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性、環(huán)境適應(yīng)性），由于變循環(huán)發(fā)動機結(jié)構(gòu)和功能更加復(fù)雜，因此要求發(fā)動機“六性”應(yīng)不低于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于防腐蝕能力，由于變循環(huán)發(fā)動機部件多，尤其是海洋環(huán)境下對防腐性要求更高，應(yīng)保證變循環(huán)發(fā)動機具備較高腐蝕防護(hù)能力。對于電磁兼容性，由于變循環(huán)發(fā)動機控制系統(tǒng)的升級改造，要求變循環(huán)發(fā)動機電磁兼容性不低于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于發(fā)動機壽命，考慮到變循環(huán)發(fā)動機巡航狀態(tài)耗油率低和排氣溫度低的優(yōu)勢，發(fā)動機壽命的改進(jìn)是可行的，因此自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機壽命應(yīng)不低于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于過載能力，要求變循環(huán)發(fā)動機抗大過載能力不低于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。對于低噪聲水平，參考GE21的聲學(xué)噴管，變循環(huán)發(fā)動機噪聲水平應(yīng)低于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。

接口需求類分析對于進(jìn)排氣飛發(fā)一體化設(shè)計，由于變循環(huán)發(fā)動機采用第三涵道、外涵噴管等部件，一體化設(shè)計應(yīng)滿足飛機要求。對于外廓尺寸要求，變循環(huán)發(fā)動機外廓尺寸應(yīng)滿足飛機要求，盡量保持與常規(guī)循環(huán)發(fā)動機相當(dāng)，便于換裝。對于質(zhì)量要求，變循環(huán)發(fā)動機增加了關(guān)鍵部件，因此質(zhì)量應(yīng)滿足飛機要求。對于測試系統(tǒng)接口，變循環(huán)發(fā)動機測試系統(tǒng)接口應(yīng)滿足飛機要求，并提前與飛機進(jìn)行協(xié)調(diào)。

約束需求類分析對于通用規(guī)范要求，發(fā)動機設(shè)計應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范文件約束；對于研制周期，由于變循環(huán)發(fā)動機采取改進(jìn)設(shè)計途徑，大多數(shù)部件設(shè)計能力較為成熟，因此研制周期要比常規(guī)發(fā)動機短。對于低成本要求，變循環(huán)功能特征部件的全新設(shè)計會對設(shè)計成本帶來影響，但其他部件可借鑒常規(guī)循環(huán)發(fā)動機以降低設(shè)計成本，因此要求整機成本不高于常規(guī)循環(huán)發(fā)動機。

結(jié)束語

自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機是未來先進(jìn)航空動力裝置發(fā)展的趨勢。在自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機的研制過程中，以客戶需求為最根本出發(fā)點和牽引，結(jié)合需求分析結(jié)論，將技術(shù)研究的重點放在需求項對應(yīng)的指標(biāo)要求上，根據(jù)指標(biāo)實現(xiàn)的難易程度區(qū)分需求項的優(yōu)先級，重點解決自適應(yīng)循環(huán)技術(shù)面臨的技術(shù)難題，可為國產(chǎn)發(fā)動機由常規(guī)循環(huán)向變循環(huán)的轉(zhuǎn)型積累技術(shù)儲備。