航空動力系統(tǒng)的發(fā)展正在經(jīng)歷第三次變革，向著自適應循環(huán)發(fā)動機方向發(fā)展。

從活塞螺旋槳時代到噴氣時代，從渦噴發(fā)動機到渦扇發(fā)動機，人類航空動力科技的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過了兩次重大變革。下一次革命，將很可能催生變循環(huán)時代。

航空發(fā)動機技術(shù)提升的核心之一，在于如何提高燃油使用效率，而變循環(huán)發(fā)動機技術(shù)的出現(xiàn)，就是要解決常規(guī)循環(huán)發(fā)動機不能兼顧超聲速飛行時的高推力和亞聲速飛行時低油耗的要求。變循環(huán)技術(shù)通過動態(tài)調(diào)節(jié)流入發(fā)動機核心機的空氣流量，使得發(fā)動機可以在兩種模式甚至是多種模式之間轉(zhuǎn)換。例如超聲速飛行時，減小涵道比，增大單位推力，進入高推力模式；亞聲速巡航時，增大涵道比，進入高效率模式，從而降低油耗，增大航程，使發(fā)動機在各種飛行狀況下都能工作在最佳狀態(tài)。

美國于20世紀60年代率先提出了變循環(huán)發(fā)動機的概念，GE公司一直處于領(lǐng)先地位。可以說，變循環(huán)發(fā)動機的發(fā)展史，基本就是GE變循環(huán)發(fā)動機的發(fā)展史。其大致有三個發(fā)展階段：第一階段是早期的變循環(huán)發(fā)動機技術(shù)探索，主要是渦噴與渦扇組合式變循環(huán)發(fā)動機和部分過渡性方案；第二階段是渦扇型可調(diào)部件式變循環(huán)發(fā)動機；第三階段則演進到自適應循環(huán)發(fā)動機。

其實在此之前，實際上已有發(fā)動機具備了變循環(huán)的特征，例如普惠公司的J58渦輪沖壓組合式變循環(huán)發(fā)動機。該機于1956年開始研制，裝配于洛克希德公司的SR－71“黑鳥”偵察機上，并且創(chuàng)造了多項世界紀錄，其以渦噴和壓氣機輔助沖壓兩種模式切換工作的方式可以看作是變循環(huán)發(fā)動機技術(shù)探索的先聲。

圖1 變循環(huán)發(fā)動機的先驅(qū)—J58渦輪沖壓組合變循環(huán)發(fā)動機。

“紙上談兵”的早期探索

為了結(jié)合渦噴和渦扇發(fā)動機各自的技術(shù)優(yōu)勢，早期很自然的想法是在一臺發(fā)動機上同時實現(xiàn)渦噴和渦扇循環(huán)，其中典型的方案有：變吸氣壓氣機方案、柔性循環(huán)方案和渦輪增強循環(huán)發(fā)動機設(shè)計方案三種。

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變吸氣壓氣機方案

變吸氣壓氣機（VAPCOM）方案是美國空軍航空推進實驗室在1960年左右提出的，原理是通過關(guān)閉或打開發(fā)動機外涵道出口的閥門來控制外涵道的空氣流量，實現(xiàn)渦噴發(fā)動機與涵道比為1的渦扇發(fā)動機之間的相互轉(zhuǎn)換。為了配合外涵道流量匹配，風扇靜葉、壓氣機和渦輪系統(tǒng)均為可調(diào)。

在亞聲速飛行狀態(tài)下，外涵閥門打開，在調(diào)節(jié)風扇靜葉的同時關(guān)小壓氣機導葉角度，以減少核心機內(nèi)的空氣流量，增大涵道比，使發(fā)動機進入渦扇模式；在超聲速飛行狀態(tài)下，外涵閥門關(guān)閉，風扇出口氣流幾乎全部流入核心機，此時發(fā)動機的工作模式類似于雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機。

這是首次嘗試將渦噴與渦扇循環(huán)集成在同一推進系統(tǒng)內(nèi)，其中，設(shè)法通過部件幾何調(diào)節(jié)控制涵道比的理念，在后續(xù)的變循環(huán)發(fā)動機發(fā)展中得到了延續(xù)。

圖2 變吸氣壓氣機方案示意圖。

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柔性循環(huán)方案

柔性循環(huán)（Flex Cycle）方案是GE于20世紀60年代提出的變循環(huán)發(fā)動機方案，該方案的設(shè)計意圖與變吸氣壓氣機方案相同，都是想將渦噴與渦扇的特性集成在同一系統(tǒng)中，但結(jié)構(gòu)卻大有不同。

圖3 柔性循環(huán)方案示意圖。

其結(jié)構(gòu)特點為：內(nèi)、外涵雙燃燒室結(jié)構(gòu)，以及前小、后大的兩套獨立的低壓渦輪系統(tǒng)排布，其中，前方的小渦輪位于高壓渦輪之后，后方的大渦輪位于外涵道與核心機出口截面處，二者共同驅(qū)動風扇轉(zhuǎn)動。

當外涵燃燒室打開，核心機與外涵道中的燃燒室同時燃燒，提供最大推力，發(fā)動機進入共軸渦噴模式；當外涵燃燒室關(guān)閉，此時整個壓縮系統(tǒng)的能量完全由主燃燒室提供，發(fā)動機進入混排渦扇模式。

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渦輪增強循環(huán)方案

渦輪增強循環(huán)發(fā)動機（TACE）設(shè)計方案是由一個渦扇發(fā)動機和一個渦噴發(fā)動機通過特殊的交叉通道前后串聯(lián)而成。其中，前半部分是臺傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，后半部分為單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機。

圖4 渦輪增強循環(huán)發(fā)動機設(shè)計方案示意圖。

在亞聲速巡航條件下，渦噴發(fā)動機不工作，其出口處的閥門關(guān)閉，而前半部分渦扇發(fā)動機的兩股排氣流在交叉通道中摻混后由外涵噴管排出，此時整個發(fā)動機工作在渦扇模式；在超聲速飛行時，出口閥門打開，前半部分渦扇發(fā)動機的內(nèi)涵排氣流仍然通過外涵噴管直接排出，而外涵排氣流將通過交叉通道被引入渦噴發(fā)動機，再經(jīng)增壓、燃燒后膨脹做功、排出，此時前、后兩臺發(fā)動機同時工作，后半部分的渦噴發(fā)動機更像是一套高效的加力燃燒室，使整個發(fā)動機工作在雙渦噴模式。

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小結(jié)

上述三種方案均試圖將渦噴和渦扇循環(huán)組合在一臺發(fā)動機上，然而受限于當時的技術(shù)水平，出現(xiàn)了諸多無法解決的難題，如超重和過于復雜的結(jié)構(gòu)帶來的成本問題以及嚴重的氣動或機械問題。所以，在后續(xù)的變循環(huán)發(fā)動機技術(shù)研究與設(shè)計方案中，研究人員不再單純地追求渦噴與渦扇的轉(zhuǎn)換，而是將研究重點放到了小涵道比渦扇與大涵道比渦扇、分排與混排之間的轉(zhuǎn)換上，并由此在20世紀70至80年代初誕生了涵道可調(diào)方案（MOBY）、單外涵及雙外涵變循環(huán)發(fā)動機等過渡性方案。

此外，憑借潛在的技術(shù)優(yōu)勢，變循環(huán)發(fā)動機還得到了大力支持。例如，普惠為美國超聲速巡航飛機研究（SCAR）計劃提出了串聯(lián)/并聯(lián)方案變循環(huán)發(fā)動機與變流路控制發(fā)動機；在歐洲超聲速研究規(guī)劃的支持下，英國羅羅公司與法國斯奈克瑪公司分別提出了串聯(lián)風扇與中間風扇概念的變循環(huán)發(fā)動機方案；日本對“HYPR90－T”變循環(huán)發(fā)動機的技術(shù)研究與驗證；以及1976年，GE在YJ101小涵道比渦扇發(fā)動機上試驗的第1代變循環(huán)發(fā)動機，一種可認為是用后可變面積涵道引射器取代轉(zhuǎn)換閥門的單外涵變循環(huán)發(fā)動機改進方案。

“走進現(xiàn)實”的渦扇型可調(diào)部件式變循環(huán)

第二階段的變循環(huán)發(fā)動機研究始于20世紀80年代，此階段的變循環(huán)發(fā)動機主要以雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機為基礎(chǔ)，通過模式選擇活門（MSV）、核心機驅(qū)動風扇級（CDFS）及可變面積涵道引射器（VABI）等可調(diào)部件，實現(xiàn)內(nèi)、外涵或排氣流路及涵道比可變型的變循環(huán)功能。其中經(jīng)典的設(shè)計方案有：GE21和F120變循環(huán)發(fā)動機。

圖5 GE21變循環(huán)發(fā)動機工作示意圖。

其中，MSV設(shè)置在前風扇外涵出口處，是風扇外涵道的開關(guān)，關(guān)閉時發(fā)動機以單外涵模式工作，打開時發(fā)動機以雙外涵模式工作。CDFS將前風扇出口氣流一分為二，分別流入核心機和CDFS外涵道，CDFS的存在不僅能為核心機增壓，其獨立出來的另外一個外涵道還能增強整機的穩(wěn)定裕度。流入CDFS外涵道的氣流需經(jīng)FVABI與風扇外涵氣流摻混，然后進入發(fā)動機外涵道，最后在低壓渦輪出口處與發(fā)動機主燃氣流經(jīng)RVABI摻混后再由噴管排出。

在之前的設(shè)計方案中，兩股風扇外涵氣流需要兩個涵道噴管將其排出，F(xiàn)VABI的存在將二者合一，簡化了結(jié)構(gòu)，使得兩股氣流實現(xiàn)有效摻混；RVABI則協(xié)調(diào)了變循環(huán)發(fā)動機在涵道比變化范圍較大時發(fā)動機主燃氣流與外涵氣流的有效摻混問題。與之前的雙外涵變循環(huán)發(fā)動機相比，GE21變循環(huán)發(fā)動機簡化了排氣系統(tǒng)，將原來的三個噴管簡化為兩個，再配合渦輪幾何調(diào)節(jié)，還可進一步合理分配高、低壓渦輪功率，使發(fā)動機具有更大的靈活性，并能在更寬的工作范圍內(nèi)提高循環(huán)匹配能力。

在加速爬升和超聲速巡航狀態(tài)時，關(guān)閉MSV，關(guān)小FVABI和RVABI，發(fā)動機以單外涵模式工作，前半部分風扇出口氣流幾乎全部通過CDFS進入發(fā)動機核心機，以產(chǎn)生最大單位推力，保持高速飛行，此時僅允許少量空氣流入發(fā)動機外涵道，用于冷卻噴管；在亞聲速巡航狀態(tài)時，MSV、FVABI和RVABI均打開，發(fā)動機以雙外涵模式工作，通過提高前半部分風扇轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，使空氣流量達到最大，同時關(guān)小CDFS的可調(diào)導葉角度，只將小部分空氣引入核心機，其余大量空氣通過FVABI流入發(fā)動機外涵道，使發(fā)動機此時具有最大的涵道比。

GE21變循環(huán)發(fā)動機的代表性在于它確定了當時雙外涵變循環(huán)發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)，在1975—1981年期間SCAR計劃的支持下，又成功地完成了部件和整機試驗驗證，在最關(guān)鍵的概念、硬件和工作方面樹立了信心，為后續(xù)變循環(huán)發(fā)動機的研制奠定了堅實基礎(chǔ)。

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F120變循環(huán)發(fā)動機

F120是GE第3代變循環(huán)發(fā)動機，內(nèi)部編號為GE37，這是世界上第一種經(jīng)飛行驗證的雙外涵變循環(huán)發(fā)動機，曾與普惠的F119小涵道比渦扇發(fā)動機競標美國空軍先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機（ATF）計劃。

F120的基本結(jié)構(gòu)是一臺帶對轉(zhuǎn)渦輪的雙外涵變循環(huán)發(fā)動機。其中，前2級風扇由單級低壓渦輪驅(qū)動，CDFS及后4級壓氣機由單級高壓渦輪驅(qū)動，其變循環(huán)特性與GE21變循環(huán)發(fā)動機基本相同，都具備單外涵和雙外涵兩種工作模式，只是將復雜機械作動的MSV改為比較簡單的氣壓驅(qū)動的被動活門。

圖6 F120變循環(huán)發(fā)動機工作示意圖。

F120變循環(huán)發(fā)動機的主要工況為：在超聲速巡航的高功率狀態(tài)下，同時關(guān)小FVABI和RVABI，CDFS外涵道出口氣壓和發(fā)動機外涵道氣壓將逐漸增加，直到超過風扇出口氣壓從而產(chǎn)生背壓，在背壓作用下，氣壓驅(qū)動的被動活門被關(guān)閉，使得發(fā)動機進入單外涵工作模式，迫使大量空氣經(jīng)過CDFS流入核心機，僅有小股氣流經(jīng)過CDFS外涵道出口進入到發(fā)動機外涵道，供加力燃燒室和噴管冷卻以及飛機引氣使用，因此該模式下的涵道比極小，適合于需要大推力的加速以及超聲速巡航工況。

在亞聲速巡航的低功率狀態(tài)下，由于FVABI和RVABI都處于打開狀態(tài)，風扇出口氣壓大于發(fā)動機外涵道氣壓，在壓差作用下，氣壓驅(qū)動的被動活門因此打開，發(fā)動機進入雙外涵工作模式，將更多的空氣引入發(fā)動機外涵道，增大風扇的喘振裕度；與此同時，由于RVABI處于打開狀態(tài)，大量的發(fā)動機外涵氣流將被引入摻混室與主燃氣流有效摻混，從而達到提高涵道比和推進效率，降低油耗的目的。

雖然F120變循環(huán)發(fā)動機最終惜敗于F119發(fā)動機，但其在功率輸出、耗油率、推重比和機動性等方面的技術(shù)優(yōu)勢顯著，只是在可維修性和技術(shù)風險控制方面不如后者，這也成為美國空軍最終選擇了F119發(fā)動機的主要原因。

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小結(jié)

上述第二階段的變循環(huán)發(fā)動機已經(jīng)“走進現(xiàn)實”，初步呈現(xiàn)出向型號化發(fā)展的態(tài)勢，其設(shè)計理念主要是通過MSV、CDFS、FVABI/RVABI等特征部件改變外涵流路或內(nèi)、外涵氣流的摻混方式來獲得較大的涵道比調(diào)節(jié)范圍，所以必要的轉(zhuǎn)換機構(gòu)、風扇外涵系統(tǒng)及摻混模式是這類變循環(huán)發(fā)動機設(shè)計的關(guān)鍵。

“一專多能”的自適應循環(huán)

2004年，GE和艾利遜公司首次提出了自適應循環(huán)發(fā)動機（ACE）這一概念，變循環(huán)發(fā)動機由此進入一個全新的發(fā)展階段。因自適應循環(huán)發(fā)動機巨大的潛在技術(shù)優(yōu)勢，自2007年起，美國空軍、海軍聯(lián)合GE、羅羅和普惠等公司發(fā)起了與之有關(guān)的連續(xù)性研究計劃——“4個A計劃”，分別是自適應通用發(fā)動機技術(shù)（ADVENT）研究計劃（2007—2013年），自適應發(fā)動機技術(shù)發(fā)展（AETD）研究計劃（2012—2016年），以及當前正在進行中的自適應發(fā)動機過渡項目（AETP）研究計劃（2016—預計2026年）及空中優(yōu)勢自適應推進技術(shù)（ADAPT）研究計劃（可能于2017年開啟，具體日期不詳），逐步推動自適應循環(huán)發(fā)動機的研制，使之逐漸成熟化。在2015年，GE在AETD驗證機地面測試時獲得了噴氣推進史上壓氣機和渦輪的聯(lián)合最高溫度。

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帶FLADE的自適應循環(huán)發(fā)動機

帶FLADE的自適應循環(huán)發(fā)動機是在帶CDFS雙外涵變循環(huán)發(fā)動機的基礎(chǔ)上增加了獨特的FLADE構(gòu)成的三外涵變循環(huán)發(fā)動機，是自適應循環(huán)發(fā)動機中一種結(jié)構(gòu)較為復雜的布局形式。

圖7 帶FLADE的自適應循環(huán)發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖。

FLADE是在第二級風扇動葉外環(huán)上增加的一圈短的轉(zhuǎn)子葉片，形成動葉上的風扇，并在發(fā)動機外圍添加出來一個獨立的第三外涵道——FLADE涵道，由于FLADE涵道氣流不與其他氣流摻混，直接排出，對核心機內(nèi)的空氣流量及高壓壓氣機轉(zhuǎn)速基本沒有影響。而在FLADE的前、后都各有一圈可調(diào)導葉，用來調(diào)節(jié)FLADE涵道內(nèi)的空氣流量，從而控制發(fā)動機的進口總流量和涵道比。

添加FLADE結(jié)構(gòu)的主要作用表現(xiàn)在：

（1）改善發(fā)動機與進氣道的流量匹配，減少溢流阻力，從而改善發(fā)動機的安裝性能并降低油耗；

（2）FLADE風扇與常規(guī)風扇同軸，外涵道流量的增加導致低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，能進一步增大涵道比，提高燃油經(jīng)濟性和效率；

（3）FLADE涵道內(nèi)的空氣溫度較低，能為發(fā)動機提供冷卻氣流，可降低發(fā)動機的熱負荷；

（4）帶來全新的四種工作模式，增大發(fā)動機流量調(diào)節(jié)范圍與靈活性，實現(xiàn)更大幅度的變循環(huán)。

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XA100自適應循環(huán)發(fā)動機

GE首臺全尺寸自適應循環(huán)發(fā)動機XA100于2021年5月完成初步測試，全部測試工作于2022年9月在美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）結(jié)束，達成了AETP研究計劃的最后一個主要合同里程碑，為后續(xù)的工程開發(fā)階段奠定基礎(chǔ)。

圖8 測試中的XA100自適應循環(huán)發(fā)動機。

目前的測試結(jié)果與預期相符，表明該型發(fā)動機可作為美國第六代戰(zhàn)斗機提供變循環(huán)推進系統(tǒng)，并有可能在2030年之前為F-35戰(zhàn)斗機換發(fā)。從當前公開的信息了解到，這臺被稱為“三股流”（Three－Stream）的自適應循環(huán)發(fā)動機簡化了部件與結(jié)構(gòu)，變得更加簡潔。

圖9 XA100自適應循環(huán)發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖。

總結(jié)與建議

變循環(huán)發(fā)動機的發(fā)展歷程和技術(shù)進展可見表1。

表1 變循環(huán)發(fā)動機技術(shù)發(fā)展分析與總結(jié)表

基于對變循環(huán)的發(fā)展歷程，筆者提出如下幾點建議：

第一，自適應循環(huán)發(fā)動機是變循環(huán)發(fā)動機家族中的最新一代，是未來的發(fā)展重點，被稱為航空動力系統(tǒng)的第三次變革，已被美國空軍和海軍選定為下一代戰(zhàn)斗機的動力系統(tǒng)。與此同時，歐洲、日本等國家和地區(qū)也協(xié)同啟動了下一代動力系統(tǒng)的研制計劃，并確定采用自適應變循環(huán)的總體技術(shù)方案。種種跡象表明，自適應循環(huán)發(fā)動機將在軍用動力領(lǐng)域掀起新一輪的競爭，并對未來戰(zhàn)斗機的空中作戰(zhàn)效能產(chǎn)生深遠的影響。為此，自適應循環(huán)發(fā)動機技術(shù)值得更加持續(xù)且重點關(guān)注。

第二，需求與型號牽引是新型航空發(fā)動機順利研制的前提。國家層面應有所重視，加緊開展變循環(huán)發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，同時加大研發(fā)投入力度，促進相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)科學和工程化應用研究，推動工業(yè)制造技術(shù)發(fā)展，使發(fā)動機行業(yè)具有穩(wěn)定且長期的方向指引、資金支持和項目立項。

第三，可以直接從第二階段甚至是第三階段開始變循環(huán)發(fā)動機的研制計劃與預研。另外，航空發(fā)動機的研制需要豐厚的技術(shù)積累，型號牽引是最重要的發(fā)展方式，但更要重視基礎(chǔ)技術(shù)積累與技術(shù)集成驗證。變循環(huán)發(fā)動機的可調(diào)部件、結(jié)構(gòu)和模式的變換將比常規(guī)循環(huán)的航空發(fā)動機具有更多的變數(shù)，因此技術(shù)集成驗證將顯得更加重要。

第四，先進的組織管理與科學的研發(fā)模式是新型航空發(fā)動機研制成功的關(guān)鍵。所以應充分借鑒、學習與吸收國外自適應循環(huán)發(fā)動機研制計劃的經(jīng)驗與教訓，縮短研制周期，取其精華，規(guī)避風險，少走彎路。

結(jié)束語

從早期生硬地疊加渦噴與渦扇發(fā)動機，到發(fā)展出以可調(diào)部件為特征的變循環(huán)發(fā)動機，再到發(fā)展出更為先進的自適應循環(huán)發(fā)動機，GE對變循環(huán)發(fā)動機的探索與技術(shù)發(fā)展已為未來航空動力系統(tǒng)的發(fā)展指明了方向。

未來，航空發(fā)動機將不再具有單一、固定的工作模式，涵道數(shù)量將由兩條變至三條，將實現(xiàn)自適應化，變得一專多能，而不再是僅僅提供動力的系統(tǒng)裝置，在為飛行器提供更加強勁動力的同時，還將支持熱電管理等功能，確保長續(xù)航及為定向能武器系統(tǒng)供能等多任務角色。

審核編輯 ：李倩