（转帖科普文）航空涡扇发动机技术展望——大家将会慢慢 ...

1引言

目前，美国、英国和法国等国家在实施超高效发动机技术计划、TECH56技术计划、经济且环保的高效发动机计划等多项技术研究计划，旨在开发和验证结构紧凑的核心机、先进的降低排放与噪声技术，新颖结构、轻质高温材料和智能控制技术，为研制性能高、经济性好、环保性好、可靠性高的未来大涵道比涡扇发动机提供技术保障。
与此同时，这些国家正在研制和改进Fllg、竹120、F135、F136、EJ20()、M88、AIAIF等第4代小涵道比涡扇发动机，并实施综合高性能涡轮发动机技术计划、通用的经济可承受的先进涡轮发动机计划、先进的军用核心发动机计划、先进的军用发动机技术计划等多项技术研究计划，开发和验证弯掠空心/复合材料的风扇、金属基复合材料整体叶环的高压压气机、陶瓷基复合材料低排放燃烧室、单级且对转的高压和低压涡轮、先进加力燃烧室、智能控制系统等部件和技术，为改进推重比ro级发动机、全新研制推重比巧级的发动机以及研究多电/全电发动机、智能发动机、变循环发动机、全复合材料发动机等新颖的发动机提供技术基础。

2多电发动机

多电发动机是在传统航空燃气涡轮发动机基础上，采用主动磁力轴承系统、内置式整体起动/发电机、分布式控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新技术/系统研制的新型航空发动机，被RR公司誉为21世纪的推进装置。
多电发动机最突出的特征是采用主动磁力轴承代替滚动轴承。其优点是:
(l)取消了结构复杂的轴承腔、腔密封装置及密封增压系统，从而大大提高了发动机的效率;(2)取消了齿轮传动、外部附件齿轮箱和笨重的润滑系统，从而减轻了发动机的质量(预计大型航空发动机可减轻质量10%一15%);
(3)由于磁力轴承无摩擦和磨损，无需维护和更换，从而大大降低了维护成本;
(4)可在比普通轴承更高的温度(550一600℃)下工作(可根据需要，布置在接近燃烧室或涡轮的部位，而不需特殊的冷却)，从而使发动机结构更紧凑;
(s)不再受传统滚动轴承刀刃值的限制，从而改善了发动机转子动力学特性;
(6)采用主动控制，从而减小叶尖与密封的间隙，提高了部件与发动机的效率。
多电发动机另一个突出特征是采用安装在主轴上的内置式整体起动/发电机。其优点是:
(l)为发动机和飞机提供所需要的电源，用全电气化传动附件取代机械液压式传动附件，实现了发动机和飞机的全电气化传动;
(2)取消了功率提取轴和减速器，使发动机的质量减轻、迎风面积减小，所产生的电功率由2根以上的发动机轴分担，可以重新优化燃气发生器，有利于控制喘振和扩大空中点火包线，从而提高发动机的适用性;
(3)利用获得的更大功率/电力来生成激光或微波束，作为机载高能束武器的能源。
多电发动机第3个突出特征是以分布式控制系统取代了集中式全功能数字电子控制系统。其优点是:
(l)降低了控制系统的复杂性，减轻了质量，提高了可靠性，改善了故障隔离特性，降低了寿命期成本;
(2)通过各智能装置进行自检和诊断，从而降低了发动机的维修成本;
(3)采用新的元件级技术时，对中央处理计算机的改动最小或无需改动，提高了设计和升级的灵活性。
国外多电发动机的发展主要是围绕高温主动磁力轴承技术展开的。1994年，PW公司在IHpTET计划第1阶段的XTC一65核心机压气机的后轴承位置安装了磁力轴承，并进行了looh的试验。1998年，IHpTET计划的10年进展报告宣称已经研制成功了能够满足上天要求的高温磁力轴承系统。之后，多电发动机被列人111盯ET计划第3阶段，在XTC77/2发动机上对高温主动磁力轴承技术进行验证。同时，美国空军支持的多电发动机的sBIR
计划也已经进人第2阶段，计划在2010年左右，在试验飞机上试验磁力轴承系统。20世纪90年代末以来，欧共体国家实施了多项多电发动机技术研究计划，如航空发动机用主动磁力轴承(AMBIT)研究计划、灵巧航空发动机用磁力轴承(MAGFLY)计划、多电发动机和机翼系统(MEEAWs)计划、经济可承受的近期低污染(ANTLE)计划和电力优化飞机
(PoA)计划，开发和验证多电发动机所需的主动磁力轴承、备份轴承、高温材料、鲁棒控制、一体化起动/发电机、分布式控制等部件和技术。
随着主动磁力轴承系统、内置式整体起动/发电机、分布式控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新技术/系统的不断成熟，加之多电发动机具有大大改善未来民用飞机的舒适性、提高军用发动机的推重比和使无人机系统性能达到最佳等突出优势，预计2020年左右，多电发动机将会实际应用，成为未来最有发展潜力的推进装置之一。

3智能发动机
智能发动机就是能够在整个寿命期内，通过智能控制系统，根据外部环境和自身状态，重新规划、布设、优化、控制和管理自身性能、可靠性、任务、健康等状况的发动机;具体地讲，就是指发动机主动控制系统和发动机健康管理系统能够依靠传感器数据和专家模型全面了解发动机和(或)部件的工作环境与发动机状态，依据这些信息调整或修改发动机
的工作状态(燃油流量和空气流量等)，实现对发动机性能和状态的主动和自我管理，并根据环境因素平衡任务要求，提高发动机的性能、可操纵性和可靠性，延长发动机的寿命，降低发动机的使用与维修成本，进而改善发动机的耐久性与经济可承受性。代表智能发动机最突出特征的是发动机智能控制系统。对它的研究工作始于20世纪80年代，NAsA开展了可重复使用的空天推进系统的研究。90年代末，美国NASA实施的UEET计划的7大技术领域之一就是推进系统智能控制，其目标是着重探索、开发和验证(在部件试验台、发动机系统和飞机上验证)叶轮机与燃烧室部件和发动机系统级的智能控制技术，延长发动机部件寿命、提高发动机的安全性，使推进系统得到前所未有的增益。
具体技术和收益包括:通过在人口处、进气道和叶型上进行微自适应气流控制，减小设计裕度;通过主动叶尖间隙控制，提高压气机和涡轮的效率;通过燃烧室主动控制，改善温度分布因子，降低NOx和CO:排放量，降低燃油消耗量和消除不稳定燃烧。
即将启动的vAATE计划将智能发动机作为重点研究领域之一。在该研究领域，将重点开发、验证和转化先进空气动力学、先进材料、革新结构方案和主动控制、发动机健康管理、飞机与发动机一体化、进口与喷口一体化、先进部件等技术，以提高发动机的性能和可靠性，改善发动机的生存能力，延长发动机的寿命，改善发动机的经济可承受性。
随着主动控制技术、高精度实时性能和寿命模型技术、分布式控制技术、一体化低观测性进气道和喷管技术、微机电传感器和作动器技术、信息融合技术、非线性技术、灵巧结构、受控化学反应燃料等技术的发展和成熟，智能发动机将离我们越来越近，且其发展和应用前景非常广阔。
变循环发动机要想达到实用，还需要解决许多关键技术，如性能仿真、核心机驱动的风扇级、高效可控面积涡轮导向器、创新性的凸轮传动机构、涵道进口与可变面积涵道引射器和多变量控制系统等。
但是，随着F136发动机和XTE一76验证机的不断成熟和应用，变循环发动机将凭借能够在整个工作范围内获得最佳性能的突出优势而应用，前景广阔。1引言

目前，美国、英国和法国等国家在实施超高效发动机技术计划、TECH56技术计划、经济且环保的高效发动机计划等多项技术研究计划，旨在开发和验证结构紧凑的核心机、先进的降低排放与噪声技术，新颖结构、轻质高温材料和智能控制技术，为研制性能高、经济性好、环保性好、可靠性高的未来大涵道比涡扇发动机提供技术保障。
与此同时，这些国家正在研制和改进Fllg、竹120、F135、F136、EJ20()、M88、AIAIF等第4代小涵道比涡扇发动机，并实施综合高性能涡轮发动机技术计划、通用的经济可承受的先进涡轮发动机计划、先进的军用核心发动机计划、先进的军用发动机技术计划等多项技术研究计划，开发和验证弯掠空心/复合材料的风扇、金属基复合材料整体叶环的高压压气机、陶瓷基复合材料低排放燃烧室、单级且对转的高压和低压涡轮、先进加力燃烧室、智能控制系统等部件和技术，为改进推重比ro级发动机、全新研制推重比巧级的发动机以及研究多电/全电发动机、智能发动机、变循环发动机、全复合材料发动机等新颖的发动机提供技术基础。

2多电发动机

多电发动机是在传统航空燃气涡轮发动机基础上，采用主动磁力轴承系统、内置式整体起动/发电机、分布式控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新技术/系统研制的新型航空发动机，被RR公司誉为21世纪的推进装置。
多电发动机最突出的特征是采用主动磁力轴承代替滚动轴承。其优点是:
(l)取消了结构复杂的轴承腔、腔密封装置及密封增压系统，从而大大提高了发动机的效率;(2)取消了齿轮传动、外部附件齿轮箱和笨重的润滑系统，从而减轻了发动机的质量(预计大型航空发动机可减轻质量10%一15%);
(3)由于磁力轴承无摩擦和磨损，无需维护和更换，从而大大降低了维护成本;
(4)可在比普通轴承更高的温度(550一600℃)下工作(可根据需要，布置在接近燃烧室或涡轮的部位，而不需特殊的冷却)，从而使发动机结构更紧凑;
(s)不再受传统滚动轴承刀刃值的限制，从而改善了发动机转子动力学特性;
(6)采用主动控制，从而减小叶尖与密封的间隙，提高了部件与发动机的效率。
多电发动机另一个突出特征是采用安装在主轴上的内置式整体起动/发电机。其优点是:
(l)为发动机和飞机提供所需要的电源，用全电气化传动附件取代机械液压式传动附件，实现了发动机和飞机的全电气化传动;
(2)取消了功率提取轴和减速器，使发动机的质量减轻、迎风面积减小，所产生的电功率由2根以上的发动机轴分担，可以重新优化燃气发生器，有利于控制喘振和扩大空中点火包线，从而提高发动机的适用性;
(3)利用获得的更大功率/电力来生成激光或微波束，作为机载高能束武器的能源。
多电发动机第3个突出特征是以分布式控制系统取代了集中式全功能数字电子控制系统。其优点是:
(l)降低了控制系统的复杂性，减轻了质量，提高了可靠性，改善了故障隔离特性，降低了寿命期成本;
(2)通过各智能装置进行自检和诊断，从而降低了发动机的维修成本;
(3)采用新的元件级技术时，对中央处理计算机的改动最小或无需改动，提高了设计和升级的灵活性。
国外多电发动机的发展主要是围绕高温主动磁力轴承技术展开的。1994年，PW公司在IHpTET计划第1阶段的XTC一65核心机压气机的后轴承位置安装了磁力轴承，并进行了looh的试验。1998年，IHpTET计划的10年进展报告宣称已经研制成功了能够满足上天要求的高温磁力轴承系统。之后，多电发动机被列人111盯ET计划第3阶段，在XTC77/2发动机上对高温主动磁力轴承技术进行验证。同时，美国空军支持的多电发动机的sBIR
计划也已经进人第2阶段，计划在2010年左右，在试验飞机上试验磁力轴承系统。20世纪90年代末以来，欧共体国家实施了多项多电发动机技术研究计划，如航空发动机用主动磁力轴承(AMBIT)研究计划、灵巧航空发动机用磁力轴承(MAGFLY)计划、多电发动机和机翼系统(MEEAWs)计划、经济可承受的近期低污染(ANTLE)计划和电力优化飞机
(PoA)计划，开发和验证多电发动机所需的主动磁力轴承、备份轴承、高温材料、鲁棒控制、一体化起动/发电机、分布式控制等部件和技术。
随着主动磁力轴承系统、内置式整体起动/发电机、分布式控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新技术/系统的不断成熟，加之多电发动机具有大大改善未来民用飞机的舒适性、提高军用发动机的推重比和使无人机系统性能达到最佳等突出优势，预计2020年左右，多电发动机将会实际应用，成为未来最有发展潜力的推进装置之一。

3智能发动机
智能发动机就是能够在整个寿命期内，通过智能控制系统，根据外部环境和自身状态，重新规划、布设、优化、控制和管理自身性能、可靠性、任务、健康等状况的发动机;具体地讲，就是指发动机主动控制系统和发动机健康管理系统能够依靠传感器数据和专家模型全面了解发动机和(或)部件的工作环境与发动机状态，依据这些信息调整或修改发动机
的工作状态(燃油流量和空气流量等)，实现对发动机性能和状态的主动和自我管理，并根据环境因素平衡任务要求，提高发动机的性能、可操纵性和可靠性，延长发动机的寿命，降低发动机的使用与维修成本，进而改善发动机的耐久性与经济可承受性。代表智能发动机最突出特征的是发动机智能控制系统。对它的研究工作始于20世纪80年代，NAsA开展了可重复使用的空天推进系统的研究。90年代末，美国NASA实施的UEET计划的7大技术领域之一就是推进系统智能控制，其目标是着重探索、开发和验证(在部件试验台、发动机系统和飞机上验证)叶轮机与燃烧室部件和发动机系统级的智能控制技术，延长发动机部件寿命、提高发动机的安全性，使推进系统得到前所未有的增益。
具体技术和收益包括:通过在人口处、进气道和叶型上进行微自适应气流控制，减小设计裕度;通过主动叶尖间隙控制，提高压气机和涡轮的效率;通过燃烧室主动控制，改善温度分布因子，降低NOx和CO:排放量，降低燃油消耗量和消除不稳定燃烧。
即将启动的vAATE计划将智能发动机作为重点研究领域之一。在该研究领域，将重点开发、验证和转化先进空气动力学、先进材料、革新结构方案和主动控制、发动机健康管理、飞机与发动机一体化、进口与喷口一体化、先进部件等技术，以提高发动机的性能和可靠性，改善发动机的生存能力，延长发动机的寿命，改善发动机的经济可承受性。
随着主动控制技术、高精度实时性能和寿命模型技术、分布式控制技术、一体化低观测性进气道和喷管技术、微机电传感器和作动器技术、信息融合技术、非线性技术、灵巧结构、受控化学反应燃料等技术的发展和成熟，智能发动机将离我们越来越近，且其发展和应用前景非常广阔。
变循环发动机要想达到实用，还需要解决许多关键技术，如性能仿真、核心机驱动的风扇级、高效可控面积涡轮导向器、创新性的凸轮传动机构、涵道进口与可变面积涵道引射器和多变量控制系统等。
但是，随着F136发动机和XTE一76验证机的不断成熟和应用，变循环发动机将凭借能够在整个工作范围内获得最佳性能的突出优势而应用，前景广阔。