首臺XA100 自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機完成測試

■ 譚米 / 中國航發(fā)研究院

（譚米，中國航發(fā)研究院，工程師，從事航空發(fā)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(yīng)循環(huán)發(fā)動機已經(jīng)完成測試，試驗結(jié)果與預(yù)測的一致，表明XA100具備為美國新一代戰(zhàn)斗機提供變循環(huán)推進(jìn)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(yīng)循環(huán)發(fā)動機進(jìn)行測試，一直持續(xù)到2021年3月下旬，所有的測試目標(biāo)都已達(dá)到，并實現(xiàn)了美國空軍自適應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)化（AETP）項目的相關(guān)指標(biāo)。GE航空集團還演示驗證了發(fā)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(zhuǎn)換，此項核心能力將在最大程度上滿足戰(zhàn)斗機在不同飛行狀態(tài)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(jié)果超出了預(yù)期[1]。

配備XA100發(fā)動機的戰(zhàn)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(guān)鍵目標(biāo)是利用第三涵道提升熱管理能力。測試結(jié)果表明，XA100的熱吸收能力提高了60%，熱管理可以使任務(wù)系統(tǒng)的能力增強一倍。除總體性能外，驗證機的測試還重點關(guān)注電源管理系統(tǒng)的可操作性，以及發(fā)動機在不同模式之間自動轉(zhuǎn)換的能力。

目前，GE航空集團正在進(jìn)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(fā)展中心（AEDC）進(jìn)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(fā)動機的硬件則與第一臺是相同的。

圖1 GE航空集團對XA100進(jìn)行測試

XA100發(fā)動機的技術(shù)創(chuàng)新

XA100-GE-100發(fā)動機結(jié)合了三項關(guān)鍵創(chuàng)新：一是發(fā)動機自適應(yīng)變循環(huán)結(jié)構(gòu)，既可以提供高推力模式以實現(xiàn)最大推力，也可以提供高效率模式以實現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟性和留空時間，并具備在不同模式之間自動轉(zhuǎn)換的能力；二是三涵道結(jié)構(gòu)，為發(fā)動機熱管理能力獲得質(zhì)的提升提供了保障；三是廣泛采用先進(jìn)的部件技術(shù)，包括陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、聚合物基復(fù)合材料（PMC）和增材制造技術(shù)。

變循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)

變循環(huán)發(fā)動機的相關(guān)研究起步于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過40 余年的積累已逐步形成多樣化方案，促進(jìn)了變循環(huán)發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展。表1匯總了GE航空集團變循環(huán)發(fā)動機方案的相關(guān)專利[2]，從中可以看出變循環(huán)發(fā)動機關(guān)鍵部件包括核心機驅(qū)動風(fēng)扇（CDFS）、風(fēng)扇葉尖風(fēng)扇（Flade）、渦輪葉尖風(fēng)扇、輔助渦輪系統(tǒng)、外涵道燃燒室、中壓渦輪導(dǎo)葉等。關(guān)鍵部件方案類型多、分布廣，從低壓系統(tǒng)（如Flade）到高壓系統(tǒng)（如CDFS），從壓縮部件（如可變風(fēng)扇系統(tǒng)）、渦輪（如輔助渦輪系統(tǒng)）到燃燒室（如外涵道燃燒室），遍布發(fā)動機整機范圍。

圖2 XA100驗證機結(jié)構(gòu)示意

三涵道結(jié)構(gòu)

三涵道是實現(xiàn)自適應(yīng)循環(huán)的關(guān)鍵。常規(guī)渦扇發(fā)動機內(nèi)外涵道的涵道比是固定的，而變循環(huán)發(fā)動機的外涵道的流量由閥門控制，涵道比可變。在三涵道結(jié)構(gòu)中，內(nèi)涵道和第二涵道可以看作是傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機或雙外涵道變循環(huán)發(fā)動機，第三涵道的氣流不進(jìn)入核心機，不影響發(fā)動機的正常工作。通過調(diào)整發(fā)動機進(jìn)口流量大小，改變進(jìn)氣道的出口背壓，控制進(jìn)氣道內(nèi)激波的位置，實現(xiàn)可調(diào)進(jìn)氣道的功能。

第三涵道通過抽吸拉動邊界層，在相當(dāng)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(xiàn)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(fā)動機核心機的工作。

先進(jìn)部件技術(shù)

除了第三涵道，先進(jìn)的陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用也是自適應(yīng)發(fā)動機的一大改進(jìn)。陶瓷基復(fù)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(yīng)通用發(fā)動機技術(shù)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(fù)合材料，使高壓渦輪前緣溫度達(dá)到1648℃。在后續(xù)的自適應(yīng)發(fā)動機技術(shù)發(fā)展項目中，陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用進(jìn)一步擴大，在高壓渦輪導(dǎo)向葉片、排氣部件上都有應(yīng)用。GE航空集團稱，陶瓷基復(fù)合材料渦輪葉片甚至可以不需要冷卻，為大幅度提高發(fā)動機耐高溫性能提供了空間。除了陶瓷基復(fù)合材料，GE航空集團還對樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行了應(yīng)用，于2015 年完成全尺寸樹脂基復(fù)合材料部件評估。樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空發(fā)動機的冷端，如風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇機匣、風(fēng)扇帽罩、出口導(dǎo)流葉片等，相比金屬材料，樹脂基復(fù)合材料有很明顯的減重優(yōu)勢。

圖3 三涵道結(jié)構(gòu)示意

美國自適應(yīng)發(fā)動機計劃

XA100是美國空軍生命周期管理中心的自適應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)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(biāo)，即在未來7個月內(nèi)進(jìn)行首臺XA101驗證機的測試。自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機目前所取得的進(jìn)展很大程度上得益于美國空軍牽頭實施的一系列自適應(yīng)發(fā)動機研究計劃，這些計劃從2007年開始，有效地推動了自適應(yīng)發(fā)動機相關(guān)技術(shù)的研究、驗證和成熟[3]。

表1 GE變循環(huán)發(fā)動機方案相關(guān)專利

一是自適應(yīng)通用發(fā)動機技術(shù)（ADVENT）計劃（2007—2015年），該計劃是通用經(jīng)濟可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動機（VAATE）計劃的子計劃，目的是實現(xiàn)自適應(yīng)發(fā)動機核心機和關(guān)鍵部件技術(shù)的突破，將下一代發(fā)動機相關(guān)技術(shù)的技術(shù)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(dān)。

二是自適應(yīng)發(fā)動機技術(shù)發(fā)展（AETD）項目（2012—2017年），在ADVENT計劃成果的基礎(chǔ)上，完成自適應(yīng)發(fā)動機驗證機初步設(shè)計和核心機、關(guān)鍵部件的驗證，目標(biāo)是與F135 發(fā)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(dān)。

三是自適應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)化（AETP）項目（2017—2022年），完成自適應(yīng)發(fā)動機驗證機的詳細(xì)設(shè)計、制造和試驗評估，技術(shù)指標(biāo)與AETD項目相同，同樣由GE航空集團和普惠公司承擔(dān)。

四是下一代自適應(yīng)推進(jìn)（NGAP）項目（2019—2025年），開展用于美國空軍六代機的自適應(yīng)發(fā)動機原型機初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、制造和評估，目的是到2025年為自適應(yīng)發(fā)動機飛行驗證做好準(zhǔn)備。

結(jié)束語

GE航空集團經(jīng)過十多年的技術(shù)準(zhǔn)備，目前已完成了自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)研究、集成驗證和整機高空模擬試驗。考慮到美國空軍已經(jīng)確定將自適應(yīng)發(fā)動機技術(shù)作為其六代機的動力，并且NGAP項目也制定了自適應(yīng)發(fā)動機于2025年進(jìn)行飛行驗證的目標(biāo)，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(yīng)循環(huán)發(fā)動機極有可能在2025年進(jìn)行飛行驗證。