变循环发动机的空中魔术(转自澎湃)

变循环发动机的空中魔术（上）：“黑鸟”装了它从未被击落

【编者按】

据中航黎阳公司消息，7月1日上午我国WS-13E中推涡扇发动机试飞成功，标志着该型发动机研制取得了阶段性突破，也为更多先进战机的生产与研发提供了前提条件。不过在大洋彼岸，美国早已开始研制更先进的变循环发动机，我国发动机事业依然道阻且长。那么，什么是变循环发动机呢？

核心提示：变循环发动机指将不同原理的发动装置，通过改变几何形状的方式，创造性地组合起来，以达到不同工况条件下的最优组合，能够极大地提升飞行器的飞行性能。本文介绍了美国自冷战以来开发的三种变循环发动机，希望能带给读者启迪。其中，J-58发动机是涡喷和冲压发动机的组合，F-120是涡喷和涡扇发动机的组合，F-136则实现了以不使用活门的方式达到变化热循环的目标。

J-58发动机

上世纪六十年代，美国空军为了深入苏联腹地，侦察苏联境内战略导弹发射井、雷达站和核潜艇基地，向洛马公司签署了研制三倍音速长程高空战略侦察机（即SR-71“黑鸟”战略侦察机）的合同，并且要求考虑到飞机的低可探测性（隐身需求）。

在当时的技术条件下，达到上述要求的任一一种并不难，但是倘若将这所有的要求组合起来，就会是一个巨大的挑战。比如，三倍音速需要在短时间内消耗大量的燃料，而这与长程的需求是矛盾的；为了搭载更多燃油，就需要飞机有更大的体积，而更大的体积必须由更强劲的发动机带动，也就需要耗更多油，这是一个“水多加面，面多加水”的死循环。

所以，为了达成设计目标，这就要求飞机携带大量油料，并配备超大功率，且同时尽可能省油的发动机。本着这些要求，洛马“臭鼬”工厂把发动机的研制合同，交给了航空动力巨头“普拉特·惠特尼”(PW)公司。

在当时，如果想要以三马赫以上的速度持续飞行只能使用冲压发动机，不过冲压发动机的油耗较高，寿命较短，非常不经济，并且拥有启动的最低速度限制（如果速度过低，空气进气量会过少）。涡喷发动机无法持续在三马赫条件下工作，但是油耗较冲压发动机相对低，寿命较长，而且可以让飞机达到满足冲压发动机启动的最低速度条件。



涡喷冲压组合发动机原理示意图

普惠公司为了解决这个矛盾，创造性地将这两种发动机结合起来，造就了世界上第一款变循环发动机。

普惠公司的工程师在每台发动机的第四级压气机上设计了三根大的“涡轮旁路通道”，在活门的作用下使得发动机能够在两个模式之间相互切换。



体积庞大的J-58发动机，可以清楚地看到三根旁路管道

当“黑鸟”在低速飞行时，活门关闭，所有气流以涡喷发动机模式工作。当飞机以高于三倍音速飞行时，活门打开，一部分气流直接通向加力燃烧室，一部分气流经过压气机压缩后进入加力燃烧室，在加力燃烧室中进行冲压发动。这样，普惠公司就完美解决了不同飞行速度下的动力问题，也能满足美国空军提出的诸多条件，更避免了发动机涡轮在超高温下易损耗的隐患，并且提供了十分强劲的动力（每一台J58发动机更是能够产生145千牛的推力）。搭载了J58发动机的“黑鸟”侦察机由于飞得又快又高，创造了在实战中从未被击落的战绩。

当然，苏联为了避免境内战略目标信息继续泄漏，千方百计想击落美国的“黑鸟”侦察机，于是命令米高扬设计局研发了跨时代的米格-25（其改进版为米格-31）高空高速截击机，之后美国研制的F-15战斗机也在一定程度上也借鉴了米格-25的气动布局，它的速度也足以承担起侦察任务。米格25/31有着更传奇的故事，不过这是后话了。

变循环发动机的空中魔术（中）：F120实现高低速性能俱佳

到冷战末期，美国通过“星球大战”、互联网战略等计划的实施进一步推动了本国的产业升级，世界格局也发生了根本性的改变，苏联在国际舞台上被迫趋于守势，美国空军甚至制定了A-10攻击机在战时主动进入当时东德境内消灭“华约”集团坦克集群的计划。



A-10“雷电”II攻击机。

但是，美国的战术空军日子并不那么好过。70年代末，苏联的新一代战机米格-29和苏-27分别首飞，其机动性超过了大部分的美国同级飞机。尤其是米格-29，虽然航程较短，但是价格便宜，机动性极佳，能够广泛装备苏联前线航空兵，对美军夺取战场制空权造成了极大的挑战。



广泛装备于前苏联前线航空兵的米格-29。

主力制空战斗机性能的落后是美国空军绝对无法忍受的，美国空军迅速启动了“先进战术战斗机”（ATF）计划，目的是研制出可以用于欧洲战场的、大量猎杀苏联米格-29的战斗机。美国空军当时的设想就是，让具备隐身性能的战机在地面雷达信息的引导下隐蔽接敌，接着以先进的火控雷达引导导弹击落华约集团的飞机，然后雷达迅速关机，迅速撤离或保持隐身状态。针对ATF计划和作战思想，美国空军提出了著名的4S标准：超机动性（Super Maneuverability）、超音速巡航（Super Sonic Cruise）、隐身能力（Stealth）和高感知能力（Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness）。

针对美国空军的需求，美国航空工业迅速组建了两个团队并开始了ATF的设计：最终，负责设计YF-22的是洛克希德·马丁、通用动力和波音公司的团队，负责YF-23的制造商是诺斯罗普和麦克唐纳·道格拉斯公司。相应的，美国空军也迅速下达了新型发动机的研制要求，责令两大动力巨头普拉特·惠特尼(PW)和通用电气(GE)研制符合要求的发动机，并交叉安装到YF-22和YF-23上分别比对。



F-120实现了单/双涵道模式的结合

GE公司的F-120发动机结构由非常成功的F-110系列和F-404系列发展而来，这两个母系列有着油耗低、推力大、低速性能好的特点，但是在高速状态时性能衰减严重。所以，为了达成设计中对特定情况下所需的高速性能严苛要求，GE最终选择了将两种工作模式结合起来的创举。

YF-120发动机（原型机）的设计于1987年2月开始，1989年2月首台发动机开始试验。

为了同时满足低速和高速状态下的高性能要求，F-120采取了以单涵道（涡喷）和双涵道（涡扇）模式相结合的工作模式。

在高速状态下，发动机以单涵（涡喷）模式工作。在此模式下，选择阀门减小或关闭，使大部分空气进入核心机。选择阀门和风扇带动的一小部分空气保留于旁路通道用于冷却、加力燃烧或是其他用途。由于涵道比减小，发动机进入标准的、高速性能好的涡喷模式。

在低速状态下，发动机以双涵（涡扇）模式工作。前端活门关闭，选择阀门和燃烧室上的活门打开，并与风扇隔绝，使得额外的空气进入发动机内，通过外涵道导引进入燃烧室。空气增多使得燃料能够更充分地燃烧，使涡扇模式的推力增大。



F-120涡喷、涡扇双模式示意图。

通过双模式的设计，GE公司使F-120推力达到了惊人的15.88吨，继承了F-110系列的大推力、油耗低的特点，并且还解决了发动机在低速和高速状态下的油耗和空气问题，能够在任何速度下使用最好的工作模式。

相对而言，PW公司的F-119最大推力为15.6吨，继承了PW公司一贯良好的高速性能。但F-119更像一台涡喷发动机，因此油耗相对高，在低速时并不经济，也造成了如今F22“腿短”的问题。



F-120虽被淘汰，却展现强大技术实力

不过，出于以下原因，YF-120最终被YF-119淘汰。

1.YF-120当时的技术并不完全成熟，而美国空军急需新型战机服役。

2.GE的摊子在当时已经很大，拥有F-404系列、F-110系列的军用发动机（占了美战术空军的主体），在民用航发方面也领先全球其他公司，而PW公司只保留着F-100系列和一些涡喷型号，在民用方面份额极少。美空军为了能让两家充分竞争、相互促进，必须给PW公司这个单子。

3.YF-120重量较大，结构也更复杂，会增加后期维修与保养的难度和成本。

最重要的一点是，尽管F-120综合性能更佳，但是由于结构相对复杂，使用的成本以及可维修性要高于F-119。

对于技术实力雄厚的美国航空工业来说，制造出最好的产品或许并不难，但制造出物美价廉的产品确实是一项挑战。GE公司从此以后也吸取了教训，不一味追求高技术，转而寻求更好的效费比。



失意的一对伙伴——YF-23和F-120合影。

尽管F-120由于各种原因被淘汰了，但F-120的研制离不开性能优异的耐高温材料、成熟的发动机数控操作系统、以及对气流控制和燃烧理论数十年的研究，从中展现出的美国航空工业的强大实力仍令人心惊，F-120也完全称得上虽败犹荣。而且，通过该发动机的研制，美国航空动力的研发能力再一次得到了锻炼，技术空白得到了填补，这不仅仅依靠其雄厚的技术实力，更是美国近乎不计成本的投入的回报。

归根结底，优秀的航空发动机离不开烧钱。

变循环发动机的空中魔术（下）：F136输了现在赢在未来

F-136问世

冷战结束后，由于苏联威胁的消失，美国开始着手于削减军力，但同时，美国空军需要填补F-22采购量削减后战机数量的空缺，美国的盟国也需要更新自己的空军机队。为此，美国启动了联合攻击战斗机（JSF）计划，即F-35战斗机。



JSF计划的原型机，波音公司的X-32（左），洛马公司的X-35（右）

在JSF竞标过程中，洛马公司的X-35最终击败了波音公司的X-32。美国空军明白，为了托举起这个史上最重的中型战机，所需要的是一颗异常强劲的“心脏”。因此，国防部迅速向普拉特·惠特尼公司(PW)和通用电气公司(GE)下达了研制订单。其中，PW推出的F-135发动机直接沿用了F-22战机采用的F-119发动机的核心机，而GE公司则邀请了一家英国航发巨头罗尔斯·罗伊斯(RR)参与研发了F-136发动机，它沿用了一部分F-120发动机和F-110发动机的技术。PW,GE和RR被称为世界航空发动机的三驾马车，它们在民用发动机的市场份额总和超过了90%，军用发动机性能也大幅领先第二集团。它们的产品无疑令人期待。

在F-136项目中，GE持有60%的股份，而RR持有剩余的40%。GE打算结合变循环技术的深厚积累，再加上RR的外援，一举扭转在新一代军用发动机上的颓势。

最强推力

GE和RR在2003年完成了F-136的初始设计，在2005年8月获得了美国国防部24亿美元的拨款，研发步入了正轨。 GE和RR公司研制F-136有3种改型，包括为常规起落的F-35A研制的F136-GE-100，为短距离/垂直起降的F-35B研制F136-GE-600，以及为作为航母舰载机的F-35B研制的F136-GE-400。



GE和RR两公司的分工

通过长期变循环技术的研发，GE公司已经发展出了不同于前几代完全靠改变几何形状的变循环技术，即第四代变循环发动机——可控压比发动机（COPE），也就是后来的自适应循环（ADVENT计划）发动机。

传统的发动机大体来说是一种固定的几何结构，中篇讨论的F-120通过了活门手段实现了两种模式之间的转换，而第四代变循环发动机减少了上一代F-120发动机的活门数量（但F-136的涵道比是固定的，这点相对于F-120的设计来说较为保守），转而选择了通过调整风扇的转速、间距等参数来实现发动机内空气的压比可控。由于发动机的推力几乎与压比成正比，所以发动机通过这种方式提供了不同工况条件下的推力变化，不仅更省油，而且减少了机械结构重量，继续提高了推重比。不过这一切工作都是以GE公司对发动机压气机的充分研究（遥遥领先于其他任何公司）、先进的数控系统和两家公司对高温合金研究的积累为前提的。

F-136还有个巨大的亮点。在传统的发动机上，第一级低压涡轮和最后的高压涡轮有一个引导气流的导向器叶片，基于对数控系统和发动机内气流研究的积累，F-136上取消了这一部件，简化了机械结构和冷却结构，让发动机更紧凑，热损失更少。

通过这一系列的措施，F-136的最大推力达到了178千牛，超过了当时也处于试验阶段的F-135，成为了人类历史上推力最大的涡扇发动机，其推重比更是超过了11。



试车中的F-136发动机

遗憾落选

但GE和RR的前沿技术也成为了F-136项目的杀手。尽管两家技术积累已经非常深厚，但简化的结构产生了隐患，在试验过程中产生了气流不稳定的现象。美国军方认为F-136在正常条件下的性能无可比拟，但在恶劣工况下的安全性不佳，这对于单发战斗机来说是致命的。而且，由于F-135与F-119使用了相同的核心机，部分零件甚至可以互换，方便美军的维修和采购。因此，采用了保守技术的F-135最终战胜了F-136成为了JSF独家供货商。

另外，部分政治原因也对这一结果产生了影响。由于美国国会部分议员不太希望军品利润和技术流入其他国家（即便是铁杆盟友英国），故而对F-135更为青睐，以至于时任英国首相曾表示：“F136的落选将会影响英美伙伴关系！”

尽管经过了两个项目的失败，但是美国并没有放弃变循环发动机的研发。而且，业内普遍认为美国下一代战斗机的心脏必定是变循环发动机，美国空军研究实验室在2012年也分别与PW和GE签订了“自适应发动机技术发展”计划，并获得了拨款。GE公司近年来在陶瓷基复合材料（CMC）上取得的巨大成果（CMC的使用预计能使F-414的最大推力从9.8吨提升到12吨！），以及几十年来对于数控系统和变循环发动机的研究，使得GE迅速拿出了该计划的样机。从下图可以看出，该样机使用了F-110系列的尾喷管。



GE公司推出的新一代变循环发动机样机

启示

作为全球航空动力研究毋庸置疑的领导者，美国在传统发动机已经大幅领先于世界的情况下，仍然拨巨资进行变循环发动机的开发，试图追求新的突破，不仅进行了深厚的技术积累，还进一步扩充了本就非常雄厚的研制团队。尤其是，在传统发动机赢得大单之后，美国政府、军方以及相关公司依然没有放弃变循环发动机的研制计划，企业仍然自筹资金进行研发，政府随后也提供了财政支持。这种重视基础研究、鼓励技术创新的精神无疑值得我们学习！诚然，科学研究需要巨量的资金投入，但是应急式投入与研发是远远不够的，只有持续的巨量资金投入才能巩固基础研究与技术积累。有的时候，甚至还需要一些略显固执的执着。

不过，我们也不必因此妄自菲薄。我国近年在高超音速飞行器上使用的组合冲压发动机（将亚燃冲压和超燃冲压发动机组合）已处于世界第一梯队，从某种意义上说这也是一种变循环发动机。去年中航工业也传出了消息，我国已成功研制用于战斗机的、推重比达12-13、未来推力超过16吨的变循环核心机。虽然目前还不清楚该型机采取什么方式来实现热力循环的改变，但相信不久的未来能够见到我国的战机搭载自己的“可变心脏”在空中翱翔！

原文链接：变循环发动机的空中魔术（上）http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1493735
变循环发动机的空中魔术（中）http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1494387
变循环发动机的空中魔术（下）http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1495109变循环发动机的空中魔术（上）：“黑鸟”装了它从未被击落

【编者按】

据中航黎阳公司消息，7月1日上午我国WS-13E中推涡扇发动机试飞成功，标志着该型发动机研制取得了阶段性突破，也为更多先进战机的生产与研发提供了前提条件。不过在大洋彼岸，美国早已开始研制更先进的变循环发动机，我国发动机事业依然道阻且长。那么，什么是变循环发动机呢？

核心提示：变循环发动机指将不同原理的发动装置，通过改变几何形状的方式，创造性地组合起来，以达到不同工况条件下的最优组合，能够极大地提升飞行器的飞行性能。本文介绍了美国自冷战以来开发的三种变循环发动机，希望能带给读者启迪。其中，J-58发动机是涡喷和冲压发动机的组合，F-120是涡喷和涡扇发动机的组合，F-136则实现了以不使用活门的方式达到变化热循环的目标。

J-58发动机

上世纪六十年代，美国空军为了深入苏联腹地，侦察苏联境内战略导弹发射井、雷达站和核潜艇基地，向洛马公司签署了研制三倍音速长程高空战略侦察机（即SR-71“黑鸟”战略侦察机）的合同，并且要求考虑到飞机的低可探测性（隐身需求）。

在当时的技术条件下，达到上述要求的任一一种并不难，但是倘若将这所有的要求组合起来，就会是一个巨大的挑战。比如，三倍音速需要在短时间内消耗大量的燃料，而这与长程的需求是矛盾的；为了搭载更多燃油，就需要飞机有更大的体积，而更大的体积必须由更强劲的发动机带动，也就需要耗更多油，这是一个“水多加面，面多加水”的死循环。

所以，为了达成设计目标，这就要求飞机携带大量油料，并配备超大功率，且同时尽可能省油的发动机。本着这些要求，洛马“臭鼬”工厂把发动机的研制合同，交给了航空动力巨头“普拉特·惠特尼”(PW)公司。

在当时，如果想要以三马赫以上的速度持续飞行只能使用冲压发动机，不过冲压发动机的油耗较高，寿命较短，非常不经济，并且拥有启动的最低速度限制（如果速度过低，空气进气量会过少）。涡喷发动机无法持续在三马赫条件下工作，但是油耗较冲压发动机相对低，寿命较长，而且可以让飞机达到满足冲压发动机启动的最低速度条件。



涡喷冲压组合发动机原理示意图

普惠公司为了解决这个矛盾，创造性地将这两种发动机结合起来，造就了世界上第一款变循环发动机。

普惠公司的工程师在每台发动机的第四级压气机上设计了三根大的“涡轮旁路通道”，在活门的作用下使得发动机能够在两个模式之间相互切换。



体积庞大的J-58发动机，可以清楚地看到三根旁路管道

当“黑鸟”在低速飞行时，活门关闭，所有气流以涡喷发动机模式工作。当飞机以高于三倍音速飞行时，活门打开，一部分气流直接通向加力燃烧室，一部分气流经过压气机压缩后进入加力燃烧室，在加力燃烧室中进行冲压发动。这样，普惠公司就完美解决了不同飞行速度下的动力问题，也能满足美国空军提出的诸多条件，更避免了发动机涡轮在超高温下易损耗的隐患，并且提供了十分强劲的动力（每一台J58发动机更是能够产生145千牛的推力）。搭载了J58发动机的“黑鸟”侦察机由于飞得又快又高，创造了在实战中从未被击落的战绩。

当然，苏联为了避免境内战略目标信息继续泄漏，千方百计想击落美国的“黑鸟”侦察机，于是命令米高扬设计局研发了跨时代的米格-25（其改进版为米格-31）高空高速截击机，之后美国研制的F-15战斗机也在一定程度上也借鉴了米格-25的气动布局，它的速度也足以承担起侦察任务。米格25/31有着更传奇的故事，不过这是后话了。

变循环发动机的空中魔术（中）：F120实现高低速性能俱佳

到冷战末期，美国通过“星球大战”、互联网战略等计划的实施进一步推动了本国的产业升级，世界格局也发生了根本性的改变，苏联在国际舞台上被迫趋于守势，美国空军甚至制定了A-10攻击机在战时主动进入当时东德境内消灭“华约”集团坦克集群的计划。



A-10“雷电”II攻击机。

但是，美国的战术空军日子并不那么好过。70年代末，苏联的新一代战机米格-29和苏-27分别首飞，其机动性超过了大部分的美国同级飞机。尤其是米格-29，虽然航程较短，但是价格便宜，机动性极佳，能够广泛装备苏联前线航空兵，对美军夺取战场制空权造成了极大的挑战。



广泛装备于前苏联前线航空兵的米格-29。

主力制空战斗机性能的落后是美国空军绝对无法忍受的，美国空军迅速启动了“先进战术战斗机”（ATF）计划，目的是研制出可以用于欧洲战场的、大量猎杀苏联米格-29的战斗机。美国空军当时的设想就是，让具备隐身性能的战机在地面雷达信息的引导下隐蔽接敌，接着以先进的火控雷达引导导弹击落华约集团的飞机，然后雷达迅速关机，迅速撤离或保持隐身状态。针对ATF计划和作战思想，美国空军提出了著名的4S标准：超机动性（Super Maneuverability）、超音速巡航（Super Sonic Cruise）、隐身能力（Stealth）和高感知能力（Superior Avionics for Battle Awareness and Effectiveness）。

针对美国空军的需求，美国航空工业迅速组建了两个团队并开始了ATF的设计：最终，负责设计YF-22的是洛克希德·马丁、通用动力和波音公司的团队，负责YF-23的制造商是诺斯罗普和麦克唐纳·道格拉斯公司。相应的，美国空军也迅速下达了新型发动机的研制要求，责令两大动力巨头普拉特·惠特尼(PW)和通用电气(GE)研制符合要求的发动机，并交叉安装到YF-22和YF-23上分别比对。



F-120实现了单/双涵道模式的结合

GE公司的F-120发动机结构由非常成功的F-110系列和F-404系列发展而来，这两个母系列有着油耗低、推力大、低速性能好的特点，但是在高速状态时性能衰减严重。所以，为了达成设计中对特定情况下所需的高速性能严苛要求，GE最终选择了将两种工作模式结合起来的创举。

YF-120发动机（原型机）的设计于1987年2月开始，1989年2月首台发动机开始试验。

为了同时满足低速和高速状态下的高性能要求，F-120采取了以单涵道（涡喷）和双涵道（涡扇）模式相结合的工作模式。

在高速状态下，发动机以单涵（涡喷）模式工作。在此模式下，选择阀门减小或关闭，使大部分空气进入核心机。选择阀门和风扇带动的一小部分空气保留于旁路通道用于冷却、加力燃烧或是其他用途。由于涵道比减小，发动机进入标准的、高速性能好的涡喷模式。

在低速状态下，发动机以双涵（涡扇）模式工作。前端活门关闭，选择阀门和燃烧室上的活门打开，并与风扇隔绝，使得额外的空气进入发动机内，通过外涵道导引进入燃烧室。空气增多使得燃料能够更充分地燃烧，使涡扇模式的推力增大。



F-120涡喷、涡扇双模式示意图。

通过双模式的设计，GE公司使F-120推力达到了惊人的15.88吨，继承了F-110系列的大推力、油耗低的特点，并且还解决了发动机在低速和高速状态下的油耗和空气问题，能够在任何速度下使用最好的工作模式。

相对而言，PW公司的F-119最大推力为15.6吨，继承了PW公司一贯良好的高速性能。但F-119更像一台涡喷发动机，因此油耗相对高，在低速时并不经济，也造成了如今F22“腿短”的问题。



F-120虽被淘汰，却展现强大技术实力

不过，出于以下原因，YF-120最终被YF-119淘汰。

1.YF-120当时的技术并不完全成熟，而美国空军急需新型战机服役。

2.GE的摊子在当时已经很大，拥有F-404系列、F-110系列的军用发动机（占了美战术空军的主体），在民用航发方面也领先全球其他公司，而PW公司只保留着F-100系列和一些涡喷型号，在民用方面份额极少。美空军为了能让两家充分竞争、相互促进，必须给PW公司这个单子。

3.YF-120重量较大，结构也更复杂，会增加后期维修与保养的难度和成本。

最重要的一点是，尽管F-120综合性能更佳，但是由于结构相对复杂，使用的成本以及可维修性要高于F-119。

对于技术实力雄厚的美国航空工业来说，制造出最好的产品或许并不难，但制造出物美价廉的产品确实是一项挑战。GE公司从此以后也吸取了教训，不一味追求高技术，转而寻求更好的效费比。



失意的一对伙伴——YF-23和F-120合影。

尽管F-120由于各种原因被淘汰了，但F-120的研制离不开性能优异的耐高温材料、成熟的发动机数控操作系统、以及对气流控制和燃烧理论数十年的研究，从中展现出的美国航空工业的强大实力仍令人心惊，F-120也完全称得上虽败犹荣。而且，通过该发动机的研制，美国航空动力的研发能力再一次得到了锻炼，技术空白得到了填补，这不仅仅依靠其雄厚的技术实力，更是美国近乎不计成本的投入的回报。

归根结底，优秀的航空发动机离不开烧钱。

变循环发动机的空中魔术（下）：F136输了现在赢在未来

F-136问世

冷战结束后，由于苏联威胁的消失，美国开始着手于削减军力，但同时，美国空军需要填补F-22采购量削减后战机数量的空缺，美国的盟国也需要更新自己的空军机队。为此，美国启动了联合攻击战斗机（JSF）计划，即F-35战斗机。



JSF计划的原型机，波音公司的X-32（左），洛马公司的X-35（右）

在JSF竞标过程中，洛马公司的X-35最终击败了波音公司的X-32。美国空军明白，为了托举起这个史上最重的中型战机，所需要的是一颗异常强劲的“心脏”。因此，国防部迅速向普拉特·惠特尼公司(PW)和通用电气公司(GE)下达了研制订单。其中，PW推出的F-135发动机直接沿用了F-22战机采用的F-119发动机的核心机，而GE公司则邀请了一家英国航发巨头罗尔斯·罗伊斯(RR)参与研发了F-136发动机，它沿用了一部分F-120发动机和F-110发动机的技术。PW,GE和RR被称为世界航空发动机的三驾马车，它们在民用发动机的市场份额总和超过了90%，军用发动机性能也大幅领先第二集团。它们的产品无疑令人期待。

在F-136项目中，GE持有60%的股份，而RR持有剩余的40%。GE打算结合变循环技术的深厚积累，再加上RR的外援，一举扭转在新一代军用发动机上的颓势。

最强推力

GE和RR在2003年完成了F-136的初始设计，在2005年8月获得了美国国防部24亿美元的拨款，研发步入了正轨。 GE和RR公司研制F-136有3种改型，包括为常规起落的F-35A研制的F136-GE-100，为短距离/垂直起降的F-35B研制F136-GE-600，以及为作为航母舰载机的F-35B研制的F136-GE-400。



GE和RR两公司的分工

通过长期变循环技术的研发，GE公司已经发展出了不同于前几代完全靠改变几何形状的变循环技术，即第四代变循环发动机——可控压比发动机（COPE），也就是后来的自适应循环（ADVENT计划）发动机。

传统的发动机大体来说是一种固定的几何结构，中篇讨论的F-120通过了活门手段实现了两种模式之间的转换，而第四代变循环发动机减少了上一代F-120发动机的活门数量（但F-136的涵道比是固定的，这点相对于F-120的设计来说较为保守），转而选择了通过调整风扇的转速、间距等参数来实现发动机内空气的压比可控。由于发动机的推力几乎与压比成正比，所以发动机通过这种方式提供了不同工况条件下的推力变化，不仅更省油，而且减少了机械结构重量，继续提高了推重比。不过这一切工作都是以GE公司对发动机压气机的充分研究（遥遥领先于其他任何公司）、先进的数控系统和两家公司对高温合金研究的积累为前提的。

F-136还有个巨大的亮点。在传统的发动机上，第一级低压涡轮和最后的高压涡轮有一个引导气流的导向器叶片，基于对数控系统和发动机内气流研究的积累，F-136上取消了这一部件，简化了机械结构和冷却结构，让发动机更紧凑，热损失更少。

通过这一系列的措施，F-136的最大推力达到了178千牛，超过了当时也处于试验阶段的F-135，成为了人类历史上推力最大的涡扇发动机，其推重比更是超过了11。



试车中的F-136发动机

遗憾落选

但GE和RR的前沿技术也成为了F-136项目的杀手。尽管两家技术积累已经非常深厚，但简化的结构产生了隐患，在试验过程中产生了气流不稳定的现象。美国军方认为F-136在正常条件下的性能无可比拟，但在恶劣工况下的安全性不佳，这对于单发战斗机来说是致命的。而且，由于F-135与F-119使用了相同的核心机，部分零件甚至可以互换，方便美军的维修和采购。因此，采用了保守技术的F-135最终战胜了F-136成为了JSF独家供货商。

另外，部分政治原因也对这一结果产生了影响。由于美国国会部分议员不太希望军品利润和技术流入其他国家（即便是铁杆盟友英国），故而对F-135更为青睐，以至于时任英国首相曾表示：“F136的落选将会影响英美伙伴关系！”

尽管经过了两个项目的失败，但是美国并没有放弃变循环发动机的研发。而且，业内普遍认为美国下一代战斗机的心脏必定是变循环发动机，美国空军研究实验室在2012年也分别与PW和GE签订了“自适应发动机技术发展”计划，并获得了拨款。GE公司近年来在陶瓷基复合材料（CMC）上取得的巨大成果（CMC的使用预计能使F-414的最大推力从9.8吨提升到12吨！），以及几十年来对于数控系统和变循环发动机的研究，使得GE迅速拿出了该计划的样机。从下图可以看出，该样机使用了F-110系列的尾喷管。



GE公司推出的新一代变循环发动机样机

启示

作为全球航空动力研究毋庸置疑的领导者，美国在传统发动机已经大幅领先于世界的情况下，仍然拨巨资进行变循环发动机的开发，试图追求新的突破，不仅进行了深厚的技术积累，还进一步扩充了本就非常雄厚的研制团队。尤其是，在传统发动机赢得大单之后，美国政府、军方以及相关公司依然没有放弃变循环发动机的研制计划，企业仍然自筹资金进行研发，政府随后也提供了财政支持。这种重视基础研究、鼓励技术创新的精神无疑值得我们学习！诚然，科学研究需要巨量的资金投入，但是应急式投入与研发是远远不够的，只有持续的巨量资金投入才能巩固基础研究与技术积累。有的时候，甚至还需要一些略显固执的执着。

不过，我们也不必因此妄自菲薄。我国近年在高超音速飞行器上使用的组合冲压发动机（将亚燃冲压和超燃冲压发动机组合）已处于世界第一梯队，从某种意义上说这也是一种变循环发动机。去年中航工业也传出了消息，我国已成功研制用于战斗机的、推重比达12-13、未来推力超过16吨的变循环核心机。虽然目前还不清楚该型机采取什么方式来实现热力循环的改变，但相信不久的未来能够见到我国的战机搭载自己的“可变心脏”在空中翱翔！

原文链接：变循环发动机的空中魔术（上）http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1493735
变循环发动机的空中魔术（中）http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1494387
变循环发动机的空中魔术（下）http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1495109