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21世纪航空发动机发展趋势 1 世纪的军、民用航空动力系统 飞机的发明和应用是人类在20世纪取得的最伟大科技成果之一。它促进了人类社会文明的进步，对人类社会的日常生活和思维方式产生了重大影响。作为飞机心脏的航空动力系统同样走过了辉煌历程。以燃气涡轮发动机技术为标志,于20世纪后半叶从活塞时代迈入超声速飞行的喷气时代。目前,燃气涡轮发动机占据航空动力的主导地位,是知识密集、军民两用的高科技产品,是国家科技工业水平和综合国力的重要标志,成为各大国大力发展、高度垄断、严密封锁的关键技术。经过半个多世纪的发展,航空涡轮发动机技术取得巨大进步,推动了飞行器和航空工业的蓬勃发展。 21世纪,世界航空动力技术将继续加速发展,有可能出现革命性变化。据预测,21世纪前半叶,将出现装备推重比达20的发动机的第5代战斗机,可在21 km高空以马赫数Ma=3~4.5作巡航飞行;装备超燃冲压发动机或新型脉冲爆震发动机的巡航导弹可以实现Ma=5~10的高超声速飞行;远距增升、推力转向、引射器和串列风扇等各种动力装置的研究应用,有可能使Ma=2.0~2.5的超声速短距起飞/垂直降落战斗机从遭到破坏的跑道或舰船上起降;以微机电技术为基础的超微型发动机、燃气涡轮/超燃冲压/火箭组合发动机、新能源发动机等新型动力的突破,有可能研制出只有在神话中才能出现的如同鸟儿和蚊蝇般大小的微型飞行器;并可能研制出Ma=5~10的高超声速飞行器及空天飞机,使纽约到北京的旅行时间缩短到2~3 h,继活塞时代、喷气时代之后,将人类带入快速、便捷的高超声速时代,实现大气层—外层空间自由往返航行,开辟人类航空史上的新纪元。 21世纪的军、民用航空动力系统的主要发展方向是:超高速(Ma= 5~10)、超高空(高度30~50 km或更高)、无限航时、无限航程;推重比20~25或更高,耗油率下降10 %~20 %;特种用途;天地往返,等等。 上述推进系统的性能指标对于现有的航空技术水平而言,几乎是无法实现的,但正如50年前喷气发动机的出现突破了被认为用活塞发动机不可逾越的“声障”一样,新技术的发明应用和新概念动力的出现,将使这些“不可能”成为现实。 2 高推重比、低耗油率,成为“绿色发动机” 在21世纪前半叶,有旋转部件的燃气涡轮发动机仍将占据航空动力的主要地位,并根据军用与民用的不同需求,分别以高推重比与低耗油率为主要发展目标,在降低研制、生产和使用维护费用的同时,减少对环境的污染,成为满足环保要求的“绿色发动机”。 2.1 高压压气机增加 预计2020年后能够研制出推重比15~20的战斗机用涡扇发动机(图1)。这种发动机与现役的第3代推重比8.0一级发动机相比,主要技术特点是:风扇级数由3级减至1~2级;高压压气机级数由9级减至3~4级,转子为鼓筒式无盘结构,用钛金属基复合材料制成,减轻质量约70 %;燃烧室火焰筒和高低压涡轮采用金属间化合物或难熔金属,涡轮前温度达2 200 K(1 927 ℃)以上;可能取消加力燃烧室;采用固定结构的气动矢量喷管以及骨架式承力结构,等等。 有专家认为,对于有旋转部件的燃气涡轮发动机而言,由于受结构和材料强度的限制,推重比20~25是其技术的极限。要进一步提高推重比,必须发展新的设计概念和技术。 2.2 超声速垂直/短距起落架机动 现役的垂直/短距起落战斗机都是亚声速的,如英国著名的“鹞”式战斗机和美国AV-8B战斗机等。经过多年研究,世界上第一种超声速垂直/短距起落战斗机——美国的F-35联合攻击机(JSF)已经进入试飞阶段,计划2008年左右装备部队,预计总装备架数将达到6 000架。该型机采用主发动机加升力风扇和旋转喷管方案,其使用的主发动机由推重比10一级F119发动机改型而来。F-35战斗机及其发动机将成为21世纪初美国及其盟国的主力战斗机之一。 2.3 的超高涵道比评价发动机 利用推重比15~20的军用涡扇发动机核心机,配以大展弦比宽弦风扇、整体叶盘增压级和多级高 效低压涡轮,可望研制出涵道比超过10的超高涵道比涡扇发动机,形成新一代大型民用旅客机和运输机的动力(见图2及本期封面)。与目前使用的大涵道比民用涡扇发动机相比,除耗油率可望再降低10 %~20 %外,由于采用了军民通用核心机,研制和生产成本可大幅度下降。由于采用先进的高周疲劳寿命控制(HCF)和“主动健康管理” 技术(AHM),发动机的正常使用寿命可望达到10×104h以上,从而大幅度降低使用维护成本。 2.4 发动机的热性能应首先建立 目前军用发动机普遍采用压气机可调静叶来提高压气机的喘振裕度,扩大稳定工作边界。变循环发动机则通过改变某些重要部件的几何形状、尺寸或位置(角度),来进一步改变发动机的热力循环参数,使发动机在各种飞行条件和工作状态下都能处于良好的工作状态,达到所需的