高推比低成本彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)初步探討

蔡乾杰

目前現(xiàn)役或在研的300多種巡航導(dǎo)彈中，約有10%采用了渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著巡航導(dǎo)彈射程、燃油經(jīng)濟(jì)性以及紅外輻射等要求的提高，具有推重比高、耗油率低、推力可調(diào)節(jié)、紅外輻射弱等突出優(yōu)勢(shì)的彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)得到了更多的應(yīng)用，是發(fā)展中遠(yuǎn)程亞聲速巡航導(dǎo)彈的首選動(dòng)力。

高性能的彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是歐美等軍事大國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)，開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)研究。而國(guó)內(nèi)彈用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)普遍存在推重比低、耗油率較高、起動(dòng)高度低和成本較高等問(wèn)題；而且大都是從測(cè)仿國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品起步，缺乏巡航導(dǎo)彈動(dòng)力的特殊設(shè)計(jì)技術(shù)和研制經(jīng)驗(yàn)等，嚴(yán)重制約著我國(guó)巡航導(dǎo)彈的發(fā)展。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外典型的彈用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，探討彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，分析彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，并對(duì)高推比低成本彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探討。

1 彈用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì)

1.1國(guó)外典型彈用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

早期的巡航導(dǎo)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)一般直接采用有人飛機(jī)使用的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)已逐漸退出歷史舞臺(tái)。上世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)外出現(xiàn)了一批小推力、短壽命、低成本的渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，極大推進(jìn)了巡航導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展。美、俄、法等國(guó)針對(duì)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)制定了有別于有人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，突出一次性使用、低成本、低油耗和高可靠性等特點(diǎn)，采用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化、預(yù)籌改進(jìn)的方法，使得彈用發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期大大縮短，采購(gòu)成本得到控制。除美國(guó)特里達(dá)因公司的J402-CA-400系列、法國(guó)MicroTurbo公司的TRI60系列等渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)外，應(yīng)用最廣泛的是美國(guó)威廉姆斯公司的F107系列彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)是在為亞聲速武裝誘惑彈（SCAD）研制的WR19渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展的。目前，該系列發(fā)動(dòng)機(jī)推力覆蓋260kgf～660kgf，應(yīng)用于美國(guó)通用動(dòng)力公司的戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈、洛馬公司的聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈（JASSM）和戴姆勒公司的金牛座KEPD巡航導(dǎo)彈等[1]。此外，國(guó)外比較著名的彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)還包括前蘇聯(lián)（烏克蘭）研制的MS400彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用于X-59M空地導(dǎo)彈、X-35反艦導(dǎo)彈等多型巡航導(dǎo)彈。

1.2 彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì)

為滿足未來(lái)巡航導(dǎo)彈發(fā)展對(duì)動(dòng)力的需求，上世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外大力發(fā)展先進(jìn)的小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，美國(guó)IHPTET計(jì)劃和SECT計(jì)劃都制定了適用于未來(lái)巡航導(dǎo)彈的小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)（見(jiàn)表1）[2]。目前IHPTET計(jì)劃的三階段目標(biāo)已順利實(shí)現(xiàn)，使空射巡航導(dǎo)彈達(dá)到洲際航程水平；采用SECT計(jì)劃的研究成果后，實(shí)現(xiàn)彈用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在80年代的基礎(chǔ)上油耗降低30%～50%，導(dǎo)彈射程提高100%，導(dǎo)彈發(fā)射載荷增加47%（或?qū)椫睆綔p小26%），全壽命成本降低41%的目標(biāo)，進(jìn)一步改善彈用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可靠性和成本水平。

之后，在2006年美國(guó)實(shí)施了通用經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃（VAATE），提出了新的經(jīng)濟(jì)可承受性目標(biāo)（見(jiàn)表2），即在進(jìn)一步提高性能的前提下，重點(diǎn)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性——即能力（推重比/耗油率）與全壽命期成本之比，使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性提高9倍。目前，美國(guó)最新的F107系列發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比已達(dá)到7～8，價(jià)格則下降了2/3。

未來(lái)巡航導(dǎo)彈動(dòng)力技術(shù)的研究重點(diǎn)仍然是通過(guò)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)熱力技術(shù)和提高溫度、采用密度更低的材料提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度和改善燃油的經(jīng)濟(jì)性。主要技術(shù)發(fā)展方向有：發(fā)動(dòng)機(jī)與導(dǎo)彈一體化設(shè)計(jì)；發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；部件氣動(dòng)設(shè)計(jì)與匹配技術(shù)；一體化零件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；復(fù)合材料和3D打印等新材料和新技術(shù)應(yīng)用。

2 彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

從技術(shù)繼承性來(lái)看，彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展和演變而來(lái)的，有著傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的共性特征。同時(shí)，由于巡航導(dǎo)彈這類(lèi)特殊飛行器的使用特點(diǎn)，彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)又有著其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)：

1）尺寸小、重量輕：通常彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度為1000mm左右，最大直徑為300mm～400mm，干質(zhì)量為50kg～70kg[3]。

2）高推重比、低耗油率：通常彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為6～10，耗油率小于0.7kg/daN/h。

3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高：大量采用簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)/系統(tǒng)設(shè)計(jì)，零件數(shù)少，可靠性要求高。

4）一次使用、短壽命、低成本：作為一次性使用產(chǎn)品，設(shè)計(jì)壽命一般不超過(guò)50h，全壽命周期成本低。

5）快速起動(dòng)能力和多種起動(dòng)方式：通常要求在不經(jīng)慢車(chē)暖機(jī)就迅速加速到大推力狀態(tài)，并能適應(yīng)風(fēng)車(chē)起動(dòng)、火藥起動(dòng)等起動(dòng)方式。

6）較高的抗進(jìn)氣畸變與過(guò)載能力：具備較高的抗畸變能力，適用范圍廣。

7）維護(hù)少、長(zhǎng)期貯存：通常彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)要能夠貯存10～15年，貯存期間不維護(hù)或只進(jìn)行少量維護(hù)。

3 彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)分析

結(jié)合現(xiàn)代巡航導(dǎo)彈的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)外同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，未來(lái)的先進(jìn)彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要關(guān)注性能、推重比等，同時(shí)也要綜合考慮成本、維護(hù)性、可靠性等。

3.1基于成本控制的總體性能參數(shù)選擇與優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)性能主要取決于壓比和渦輪前溫度，但提高壓氣機(jī)壓比和渦輪前溫度會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝難度加大，成本提高，因而彈用發(fā)動(dòng)機(jī)不能一味追求高性能而提高增壓比和渦輪前溫度，而忽略材料、結(jié)構(gòu)和制造復(fù)雜帶來(lái)的成本增加。目前，國(guó)內(nèi)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)多是從常規(guī)的長(zhǎng)壽命發(fā)動(dòng)機(jī)改型而來(lái)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，單臺(tái)成本較高，經(jīng)濟(jì)可承受性低。因此，如何優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的總體熱力循環(huán)參數(shù)、部件性能、結(jié)構(gòu)形式和制造工藝，在保證較高性能和可靠性的同時(shí)滿足低成本要求，實(shí)現(xiàn)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的性能-成本的綜合優(yōu)化，是彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2高效、寬裕度核心部件設(shè)計(jì)與匹配技術(shù)

（1）壓氣機(jī)

彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)流量小、尺寸小，由于“尺寸效應(yīng)”，風(fēng)扇/壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)、靜子端區(qū)附面層及葉尖徑向間隙占比較大，氣流流動(dòng)損失大，影響效率。另外，由于彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)要求具有足夠的穩(wěn)定工作裕度。因此，高效率、寬穩(wěn)定裕度的小流量壓氣機(jī)部件設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。

（2）燃燒室

在高空飛行條件下燃燒室進(jìn)口空氣壓力小、空氣溫度低、燃油流量小、燃油溫度低，燃燒室面臨高空點(diǎn)火困難、燃燒效率低、霧化效果差、熄火邊界變窄甚至熄火等問(wèn)題。另外，彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室由于體積小，容熱強(qiáng)度大，高渦輪進(jìn)口溫度和高放熱率的結(jié)合使得燃燒室的工作環(huán)境非常惡劣的，特別是燃燒室的內(nèi)部火焰筒工作條件更嚴(yán)峻。因此，為了適應(yīng)彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多種起動(dòng)方式的特點(diǎn)，燃燒室不僅應(yīng)具有較寬的穩(wěn)定邊界，還要考慮火焰筒的冷卻和起動(dòng)可靠性等問(wèn)題。

（3）渦輪

渦輪部件的研究工作主要是提高渦輪前溫度，而提高渦輪前溫度的主要措施是冷卻葉片和耐高溫材料的應(yīng)用。但是彈用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪尺寸小，若采用氣膜冷卻結(jié)構(gòu)，渦輪葉片會(huì)比較短而肥大，前后緣半徑比較粗大，導(dǎo)致葉片的氣動(dòng)型面不理想，端壁流動(dòng)和葉尖漏氣損失相對(duì)加大，使得渦輪的效率大大下降。若采用耐高溫材料則可以避免冷卻葉片復(fù)雜結(jié)構(gòu)和氣膜冷卻的負(fù)面影響。因此，這也是彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，但如何選材則是另一難題。

3.3多盤(pán)多支點(diǎn)高速柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)

對(duì)于傳統(tǒng)的同心雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，尺寸小、轉(zhuǎn)速高，支承跨度較長(zhǎng)，低壓轉(zhuǎn)子通常是柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，其軸承和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)軸的直徑、軸承的跨度和尺寸決定了整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如F107發(fā)動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖2）的低壓軸直徑和轉(zhuǎn)速分別達(dá)到了14mm和35000rpm量級(jí)，根據(jù)相關(guān)資料顯示：在F107發(fā)動(dòng)機(jī)研制初期為解決低壓轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題而進(jìn)行了將近一年左右的攻關(guān)。另外，雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)與單轉(zhuǎn)子相比，轉(zhuǎn)子數(shù)目多，支承數(shù)目多，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)往往采用多盤(pán)、多支點(diǎn)形式；隨著低壓軸直徑的進(jìn)一步縮小和轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步加大，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題愈加突出。因此，多盤(pán)多支點(diǎn)高速柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)研究也是彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.4油脂潤(rùn)滑及間接冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速意味著其主軸軸承的尺寸小、DN值高（大于1.0×106），軸承對(duì)內(nèi)部間隙、溫度環(huán)境非常敏感；為滿足彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的減重、降成本和低維護(hù)性要求，部分主軸承往往采用油脂形式潤(rùn)滑，取消了傳統(tǒng)的滑油潤(rùn)滑冷卻。雖然這種潤(rùn)滑形式非常適用于巡航導(dǎo)彈，不僅簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)，而且降低了滑油附件及其構(gòu)件的重量；但同時(shí)也存在著如何選擇合適潤(rùn)滑脂、填充量使軸承在高載荷和高轉(zhuǎn)速下的充分潤(rùn)滑，以及高速重載工況下軸承的冷卻等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)將該技術(shù)應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的先例，因此，開(kāi)展相關(guān)方面的技術(shù)與試驗(yàn)研究十分必要。

3.5彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)技術(shù)

為了滿足彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)要求，必須從整機(jī)/部件匹配、燃燒室、渦輪、點(diǎn)火系統(tǒng)、起動(dòng)供油規(guī)律以及起動(dòng)方式等方面進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究。主要研究方向有：一是要降低高壓轉(zhuǎn)子的負(fù)荷，提高工作穩(wěn)定裕度；二是要提高燃燒室高空點(diǎn)火性能；三是提高點(diǎn)火系統(tǒng)的能力；四是優(yōu)化起動(dòng)供油規(guī)律；五是改善起動(dòng)方式，采用電機(jī)起動(dòng)+補(bǔ)氧系統(tǒng)或固體火藥柱系統(tǒng)；六是針對(duì)起動(dòng)方式的改變對(duì)燃燒室、渦輪部件進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。目前，國(guó)內(nèi)在電機(jī)起動(dòng)+補(bǔ)氧系統(tǒng)或固體火藥柱系統(tǒng)以及相應(yīng)部件的設(shè)計(jì)方面的研究較少，需重點(diǎn)展開(kāi)研究。

4結(jié)束語(yǔ)

1）國(guó)內(nèi)可選用的彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)寥寥無(wú)幾，難以滿足巡航導(dǎo)彈和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展對(duì)先進(jìn)彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。因此，開(kāi)展高推比、低成本彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究有著極其重要的意義。

2）高推比低成本彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)涉及總體、部件和系統(tǒng)等方面，在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要關(guān)注性能、推重比等，同時(shí)也要綜合考慮成本、維護(hù)性、可靠性等。

3）建議制定彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究計(jì)劃，積累技術(shù)儲(chǔ)備；立足國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有成熟技術(shù)基礎(chǔ)，圍繞彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)特有設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證，加快國(guó)內(nèi)彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]林左鳴.世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社. 2012.

[2]鄭嚴(yán)，重義.彈用渦噴（渦扇）發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[M].中國(guó)航天科工集團(tuán)三院31所.2001.

[3]郭琦，李兆慶.無(wú)人機(jī)和巡航導(dǎo)彈用渦扇/渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[M].中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，2006，7.