涡扇15还未上天 美国下一代发动机即将试车

原标题：涡扇15还未上天，美国下一代发动机即将试车

一：F119发动机与涡扇15工作模式单一，耗油率高

F22在进行1.4到1.6倍音速飞行时，拥有非常优良的持续飞行能力和航程；因为它不需要打开加力燃烧室，不受加力的高温（会带来时间限制）和极高的耗油率带来的负面影响。特别大的超音速航程，能使战斗机在空战中获得非常大的性能优势。这也是为什么第四代战斗机的高速性能，着重强调超音速巡航能力，而不是最大极限速度。

图：F22的性能优化针对高速阻力和机动性，但航程效率不好。

但在只能通过亚音速飞行来获得的最大航程上，F22的表现很差，带满副油箱也飞不到3000公里——作为重型战斗机，它带的燃油可不少。F22航程缺陷的关键之一，在于F119发动机相较于上一代产品，比如F100、F110（装备于F15、F16），没有在基本结构和原理上出现大的改变；发动机的工作模式很单一，能顾及高速推力，就照顾不了低速时的燃油消耗优化。

F119的问题，同样将困扰我国的涡扇15发动机。根据公开资料的披露，我国涡扇15发动机在基本设计的取向上接近于F119；这样做虽然面临耗油率等方面的问题，但技术风险相对比较低。考虑到太行发动机的一贯表现，我国在涡扇15上的保守是非常明智的。

二：发动机在高速状态下没有办法省油

根据动量守恒定律，喷气发动机要增加推力，就要使喷出去的气流在动量（质量 x 速度）上增加。但从消耗能量的角度上来说，推力同样增大到原来的十倍，增大喷流质量的发动机只要烧原来十倍的油；而增大喷流速度的发动机，那就要烧到原来的一百倍。

所以在亚音速的客机发动机上，我们能看到它的发动机特别粗大。这是它们在设计时，就从燃烧过程中抽出很大的功率用来驱动前面的大直径风扇和压气机，压入更多的空气参与到喷流里。燃油的能量尽可能少的浪费在喷流温度与速度增加上，而都用在喷流的质量最大化上；有效实现了少烧油、多增推的效果。

图：施奈克玛和GE公司推出的客机用CFM56-7B大涵道比发动机科普动画，蓝色代表低温气流，橘红色代表高温燃气。空气在进入最前端的大风扇以后，分为两路，中央的一路进入内涵道的燃烧室参与燃烧；而外侧的则流过外涵道。

图：可以看到外涵道的比例非常大，该发动机吸入的80%空气都是从外涵道流过的。100%的发动机喷流，只有20%需要烧油，这就是客机发动机省油的秘诀。

这就是为什么相同技术水平下，涡轮风扇发动机比涡轮喷气发动机省油，而且推力大，但是高速性能却不如涡喷好的原因。涡扇发动机其实就是在涡喷发动机这个核心的内涵道外面，再套上一层用风扇往里面压气的外涵道。客机发动机的外形，就是把外涵道扩大到畸形比例的结果。

图:F119发动机剖面，可以看到它燃烧室外侧的外涵道非常小，基本和涡喷没区别了

而在超音速飞行时，发动机必须尽可能提高喷流的速度——不然喷流速度和飞机速度都差不多了，发动机进气和排气上的动量差距都拉不开了，那还推个什么劲。因此发动机只能尽量提高燃烧温度、把燃烧的能量尽可能全部传递给质量最少的喷流；因此F119采用了低压缩比、低涵道比、高涡轮前温度等设计，说是涡扇发动机，其实更接近涡喷发动机。

三：美国新一代发动机具备多种工作模式，能兼顾高低速油耗

要让发动机既具有高速时的大推力，又能兼顾低速时的燃油消耗；那就只有一个办法，让发动机具备变循环的工作特性；低速时多吸入空气，靠加大喷流质量来提高推力；高速时少吸入空气，靠喷流速度来增加推力。F22在研制时曾经有两种发动机竞争备选，GE公司的F120发动机就采用了变循环设计；但美国空军被F100发动机当年故障频发，导致F15群体趴窝的经历吓得不轻，最终以技术不成熟、风险过大而拒绝了F120。

图：GE公司在宣传动画中公布的外形

美国GE公司推出的最新一代发动机，在F120发动机的基础上又出现了几个方面的重要变化。最重要的变化来自于它除了传统的内外涵道以外，又加入了一个第三涵道。这个涵道的气流，来自于飞机内部的热循环空气；空气在冷却了雷达等电子设备、以及包括武器发射留给飞机的热量在内的机身结构热量以后，被吸入发动机参与工作。

图：GE公司宣传动画，注意发动机的好几层壳子组成了三个涵道，最外面的一个涵道，就是吸入机身废热空气的第三涵道

这个设计堪称一举三得：首先优化了飞机的散热，提升了飞机的可靠性，减低了故障率；其次更有利于抑制飞机的红外热信号，强化了隐身性能；最后这些大量的废热，又能转化为发动机喷流的温度和速度，实现了推力的增加。可以说这个设计，是发动机与飞机设计系统化、一体化上的重大突破。

其次它采用了大量的高新技术，比如陶瓷基复合材料，能够承受的最大温度比传统金属材料出现了巨大的提升。这些材料和工艺上的进步，使它的各种部件比F119和F120更轻、而且工作效率更高。目前GE公司宣称，这款新发动机，能够实现推力增加10%、耗油率降低25%、使飞机航程增加30%的性能提升。

结语：我国对于变循环发动机已经展开探索工作

虽然我国目前的主要精力还放在涡扇10太行发动机的成熟优化，以及涡扇15的工程研制上；但是对于变循环发动机，也已经进入了先期的探索研究阶段。在2012年的珠海航展上，中航发动机副总裁张健向外界透露，中国已经在研究国产变循环发动机，有着相应的计划来研究未来先进发动机。