美国空军自适应发动机发展现状

工作，力争在2020年代初开始量产下一代发动机。

由于美军已经度过了预算紧缩的困难时期，新型发动机项目将得到相对充足的经费保障，有利于未来的量产列装。普拉特一惠特尼公司先进研发与技术部主任詹姆斯·肯扬表示，公司从F-22和F-35项目中积累了丰富的发动机设计经验，美国空军。美国海军和公司内部在2012年以来进行的后期投资，又使公司的技术水平发生了“巨大进步”，公司将全力投入自适应发动机的下一阶段研发。

喷气式发动机利用“布雷顿循环”的原理工作，燃气涡轮通过空气与燃料的混合与压缩，将燃烧后的气体定向排放，从而产生推力，是20世纪最著名的航空科技之一。21世纪以来，航发工程师们对“布雷顿循环”原理进行了改良，重点是寻求增大推力与燃油效率之间的平衡，也就是要提高燃油效率，哪怕是1%～2%的提升。

在节油领域，商用飞机已经引入了大风扇发动机概念，并成功运用到运输机之上。风扇越大，驱动的空气越多，单位体积燃油产生的推力也因此越大，一般来说要有四分之三的空气通过发动机的核心机。但是，在战斗机上无法安装3，6米的大风扇，因此必须发展其他的大推力技术。

“自适应多用途发动机技术（ADVENT）”项目就是在这一背景下产生，2007年，美国空军研究实验室启动项目，意图融合自适应和可变循环的推进概念，研发一种高效的航空发动机。自适应发动机可以改变飞机的通风压力比，飞行员可以采用节油巡逻飞行模式，也可高速或超声速飞行，由于普拉特一惠特尼公司当时主要进行F119和F135发动机的研发，通用公司和劳斯莱斯北美科技公司（RRNAT）得到了ADVENT的研发合同。另外，美国空军在ADVENT项目的同时，也启动了“自适应发动机技术发展（AETD）”计划，AETD项目当时的目标是在3年内使AETD成熟，在2020年装备到空军多种型号战斗机，最终发展为第6代推进系统。

AETD计划的技术含量其实并不比ADVENT多，但是采用“可变循环推进系统”可以使耗油率下降25%或更多。以远程轰炸机为例，装备自适应可变循环发动机之后，可以降低飞机的起飞重量，因此获得更大的作战半径。节油的高速飞行可以缩短轰炸机从基地到目标区的反应时间，提高安全通过敌方防空系统的能力。2017年，AETD项目第一阶段已经结束，F-35联合攻击机将是AETD项目最大受益者，未来将惠及轰炸机和战斗机。

自适应发动机的下一阶段研发命名为“自适应发动机过渡项目”（AETP），项目从2016年夏季开始，为期5年，合同价值10亿美元，由普拉特一惠特尼和通用电气航空公司共同完成。通过改良技术提高成熟度，使飞机的推力特性、稳定性、耐久性大幅提高，并更加节能高效，适合战斗机、轰炸机和战术飞行等全部主要空战平台，成为真正“航发多面手”。

新材料技术提升推进效率

目前，美国空军也在发动机部件上应用新型材料，比如陶瓷基复合材料（CMC），提升部件的受热能力，使发动机运行时能够达到更高温度，从而提升燃料效率。陶瓷基复合材料部件质量很轻，制成的部件能够在融化金属的温度工作，对于制冷的要求也低，而制冷又是降低能效的主要因素之一。

更重要的是，目前的技术已经证明“三气流”喷气式发动机的可行性，核心机气流、风扇气流与核心机外围区域的第三路气流合并，能够提升推进效率，降低燃料消耗，向核心机提供额外的推进气流和冷却空气，该技术已经在普惠公司的F135发动机上得到了验证。

通用电气航空公司先进战斗机发动机项目经理丹·麦克科米克表示，自适应和可变循环以及高温材料技术是在战斗环境下实现高效推进的关键技术，这种方式不改变基本的物理学原理，通过改变发动机体系，使更多的空气流经发动机，但是能够提高推进效率，这与目前基于20世纪40年代弗兰克·惠特尔第一代涡轮喷气原理的前线战斗机发动机已经完全不同。

通用电气航空公司设计的AETD发动机结构包括一个3级可变形自适应风扇，一个适应“三流”的大型环形涵道，一个高压压气机，压气机借鉴了空客A320neo和波音737 MAX客機采用的CFM国际公司的LEAP发动机技术，而CFM又是通用电气与法国赛峰各占50%股份的合资公司。

通用电气目前研发的产生高效推力的许多商用技术都已经成熟，已经有能力向军用发动机转化。CFM56作为世界上最成功的商用喷气式发动机，目前已经交付了3万台，其技术是B-1B“枪骑兵”轰炸机使用的F101涡扇发动机的重要基础，也是KC-135加油机的换发项目的候选发动机。因此，通用电气有能力将商用发动机技术扩展到战斗机上。

节油科技提升作战效能

通用电气公司表示，自适应可变循环发动机能够提升25%的燃油效率（SFC），节约也10亿加仑的燃油，同时，战斗机换装新一代发动机之后，作战半径还能增加25%～30%，在目标上空停留时间增加40%，或者是多覆盖36%的目标，对加油机的依赖也能减少74%。

这些能力对于美国空军编制缩减的调整改革至关重要。目前，美国空军的机队与1991年海湾战争时相比，战斗机中队缩减了59%，飞机总数缩减了37%，因此提升每架飞机的作战效能和作战用途，是填补装备缺口的有效途径。

麦克科米克表示，自适应发动机的燃油效率能够带来诸多优势，也能使作战平台担负多样化任务。对战斗机而言，到达目标区上空、滞空完成任务然后撤出作战空域，都需要有燃油效率作为保证，与敌方进行空战时，也需要有强大的推力和性能作为保证。

自适应发动机的另一个优势是冷却。F135这样的发动机如果采用三气流模式，将成为重要的冷却源，排出发动机各种机载系统产生的热量。战斗机采用复合材料的绝热机身，内部的航电系统都产生大量热能，三气流能够提供一种热管理方式，是一种规则改变者类的技术。比如，F-35联合攻击机通过热管理，就能够长时间在亚声速和152米的低空飞行，目前F-35的这种能力还受限。

F135之外的其他发动机，三气流也有双重用途。在冷却所有机载航电设备之外，还能产生兆瓦级的电力，为下一代的机载武器系统供电，比如机载激光器和高能微波武器。鉴于自适应发动机的潜在能力，美国空军已经在2016年加速投资AETP项目，并认定该项目是下一代发动机研发中的低风险技术。

如果说ADVENT项目当初只是纯科技研究项目，解决了推进系统改良中的基础性工程和物理学难题，并没有对硬件进行多长改良，那么AETD项目发挥的就是桥梁纽带作用，开始发展部件和相关测试，降低了与量产制造相关的技术风险。

作为AETD项目的重要组成部分，普惠公司在2013年在试验台上试验了三气流风扇，2017年初又计划在实际的发动机环境下验证三气流技术。通用电气于2016年秋季在俄亥俄州怀特一帕特森空军基地进行了压气机试验，2017年5月，进行了风扇和核心机的试验台试验，所有试验计划在6月之前完成。

接下来，美国空军将进入为期5年的AETP阶段，设计、研发、制造、测试全尺寸的自适应发动机，推力达到20411千克力的级别。在为F-35提供F135发动机之外，普拉特一惠特尼将开始制造下一代F135发动机。

应于多种作战平台的AETP项目

AETP项目为通用电气航空公司提供了回归前线战斗机发动机市场竞争的机会。通用电力没有被选为F-22战斗机和F-35联合攻击机的发动机初始制造商，原计划在2011年与普惠竞争F-35发动机的机会，也因时任国防部长罗伯特·盖茨的“短期节约成本措施”而被取消。

因此，AETP项目是通用电气进入下一代发动机竞争的门票，有望重现在美国空军20世纪80年代“大发动机之战”中在F-15和F-16战斗机动力装置项目上的辉煌。目前，美国空军已经将AETP项目从“推进技术过渡”项目中剥离出来，使项目具有更大的透明度。尽管美国空军的2017年度预算仍然紧张，但是AETP项目处于优先发展地位，5年的研发资金高达24亿美元，从2017财年的2.85亿美元，稳定地增长到2021财年的6.032亿美元。

普惠公司在2016年就曾透露，AETP发动机将得益于AETD项目的成熟技术，比如经过验证的涡轮叶片冷却技术，就能使未来的量产型战斗机发动机达到迄今最高的涡轮机温度。尽管AETP发动机名义上是F-35这样中型战斗机的动力装置，但是美国空军希望它拓展成为一种多用途发动机，以AETP为基础形成系列发动机产品。

美国空军2017财年预算文件显示，AETP项目将使自适应涡轮发动机从科技验证向多平台通用自适应发动机建造的方向发展，工程制造发展工作将为形成战斗机动力的综合发展路线图奠定基础。美国国防部的合同文件显示，AETP项目将采取成熟的部件技術，降低下一代推进系统发展的技术风险，并将在多种作战平台上应用。

美国空军最高采购官阿诺德·小班奇中将表示，AETP不仅适合F-22和F-35，其技术还将带来许多副产品，能够应用到F-15和F-16战斗机升级项目，比如制造缩比的小型发动机。

麦克科米克表示，24亿美元的合同将由两家公司共同参与，尽管当前美国空军削减了三分之二作战中队，预算环境也不允许两家发动机制造商年复一年地竞争，但是普拉特一惠特尼和通用电气可以分别向不同的作战平台提供自适应发动机技术。另一方面，由于两家公司都能提供不同的技术，美国空军因此乐于向两家公司分别投资。对于下一代发动机，美国空军未来需要做出的选择是：财政上负担不起竞争，战略上负担不起单一的制造商。

编辑：石坚

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