ZT-解讀ACE

猛龍C

解讀ACE
             ——晨楓

ACE意為王牌，但ACE也是Adaptive Cycle Engine的縮寫,，意為自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),。這是美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Lab,，簡稱AFRL）的一個(gè)研究項(xiàng)目，用于推動(dòng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),。在原理性的ACE計(jì)劃之后,，AFRL進(jìn)一步推動(dòng)ADVENT（Adaptive Versatile Engine Technology，意為自適應(yīng)靈活發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)）計(jì)劃,，研究變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)用化問題�,，F(xiàn)在AFRL更進(jìn)一步，啟動(dòng)AETD（Adaptive Engine Technology Development,，意為自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)）計(jì)劃,，要求通用電氣、羅爾斯·羅伊斯和普拉特·惠特尼提交實(shí)用級(jí)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),，基準(zhǔn)推力和幾何尺寸以 F-35發(fā)動(dòng)機(jī)為參考,。

現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)通常采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加了風(fēng)扇,，風(fēng)扇壓縮空氣后,，一部分通過核心發(fā)動(dòng)機(jī)，和燃料混合燃燒后,，膨脹產(chǎn)生壓力，形 成高溫高壓燃?xì)�,，向后噴射而出,，形成推力；另一部分從與核心發(fā)動(dòng)機(jī)同心的環(huán)道繞過核心發(fā)動(dòng)機(jī),，直接和核心發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的高溫高壓噴氣混合,，形成合成的推力。 同心環(huán)道成為外涵道,，核心發(fā)動(dòng)機(jī)就成為內(nèi)涵道,，外涵道和內(nèi)涵道的空氣流量之比成為涵道比，也稱流量比或者旁通比。渦槳相當(dāng)于涵道比無窮大的渦扇,。外涵道的 旁通空氣流量是渦扇的全部奧秘所在,。
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渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力可以表示為：
F=（m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)+m_燃油 ）×V_核心發(fā)動(dòng)機(jī)+m_風(fēng)扇 V_風(fēng)扇-m_進(jìn)氣×V_進(jìn)氣
/ `7 W  {' b/ c/ `, I$ A其中F為推力，m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)為核心發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量,，m_風(fēng)扇為風(fēng)扇排氣流量,，m_進(jìn)氣為進(jìn)氣空氣流量，m_燃油為燃油流量,，V_核心發(fā)動(dòng)機(jī)為核心發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣速度,，V_風(fēng)扇為風(fēng)扇排氣速度，V_進(jìn)氣為進(jìn)氣速度,。如果不考慮進(jìn)氣的動(dòng)能,，則有：
& |+ @" @* B% g- }' OF=（m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)+m_燃油 ）×V_核心發(fā)動(dòng)機(jī)+涵道比×m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)×V_風(fēng)扇
其中涵道比為m_外涵道/m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)。涵道比為零的話,，渦扇就退化為渦噴,。在一定的燃燒條件下，完全燃燒時(shí)空氣和燃油是有固定比例的,，可以看作常數(shù),，如果油氣比為m_燃油/m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)，那樣就有：
F=((1+油氣比) V_核心發(fā)動(dòng)機(jī)+涵道比×V_風(fēng)扇 ) m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)
換句話說,，推力和涵道比成正比,，增加涵道比可以大幅度提高推力，民航渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比動(dòng)輒達(dá)到8以上,。另一方面,，油耗為：
油耗=m_燃油/F=油氣比/((1+油氣比) V_核心發(fā)動(dòng)機(jī)+涵道比×V_風(fēng)扇 )
也就是說，油耗和涵道比成反比,。油耗或者推力與噴氣溫度和速度的關(guān)系就不那么直觀,。但是間接地看，渦扇使得噴氣溫度降低是增加涵道比的結(jié)果,，噴氣溫度也是一樣,，而涵道比增加使得推力增加、油耗降低,。
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( P! N' m& s: n0 R; f實(shí) 際情況要更復(fù)雜,，還有進(jìn)氣動(dòng)能的問題。隨著速度的提高,，進(jìn)氣本身的m_進(jìn)氣 V_進(jìn)氣提高,，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際推力下降。最終的噴氣速度為：
V_噴氣=(（m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)+m_燃油 ）×V_核心發(fā)動(dòng)機(jī)+m_風(fēng)扇 V_風(fēng)扇)/m_噴氣
0 p5 z: v$ a6 e/ y# H$ j由于m_風(fēng)扇+m_核心發(fā)動(dòng)機(jī)=m_進(jìn)氣,， V_噴氣=V_進(jìn)氣的時(shí)候,，除了拋射相當(dāng)于燃油質(zhì)量產(chǎn)生的反作用力外，發(fā)動(dòng)機(jī)不再產(chǎn)生推力。也就是說,，此時(shí)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī),。不幸的是，增加涵 道比將降低噴氣速度,，限制了渦扇對(duì)高速飛機(jī)的使用,。另外，增加涵道比需要增大風(fēng)扇,，這增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)阻力,，也有害于高速飛行。所以戰(zhàn)斗機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)通 常都采用低涵道比,。1968年開始研制的普拉特·惠特尼F100是第一代成功的低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),，采用了單元體、單晶葉片等先進(jìn)技術(shù),，1969年7月驗(yàn) 證機(jī)首次運(yùn)轉(zhuǎn),，1970年4月獲得美國空軍的選用，1972年7月24日,，裝用F100發(fā)動(dòng)機(jī)的F-15首飛,，1976年1月開始作戰(zhàn)使用。由于冷戰(zhàn)軍備 競(jìng)賽的壓力,，F(xiàn)-15戰(zhàn)斗機(jī)需要搶先投入使用,，扭轉(zhuǎn)蘇聯(lián)米格-23等新一代戰(zhàn)斗機(jī)投入使用后對(duì)中歐美國空軍造成的壓力，F(xiàn)100沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)某墒旎�就�?入使用,，早期F100的可靠性十分糟糕,。F-15曾經(jīng)大面積停飛，嚴(yán)重影響了戰(zhàn)斗力,。與此同時(shí),，單發(fā)的F-16也選用F100發(fā)動(dòng)機(jī)，是美國空軍對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 可靠性問題更加憂心,。但普拉特·惠特尼處于事實(shí)壟斷的地位,，成為美國空軍高低兩端第三代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的唯一供應(yīng)來源。在軍方撥款不到位的情況下,，普拉特· 惠特尼對(duì)美國空軍關(guān)于改善可靠性和增加推力的要求百般推托,。1979年，美國國會(huì)在密集聽證之后,，決定撥款啟動(dòng)第二發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)來源，指令通用電氣在B-1 轟炸機(jī)的F101渦扇的核心發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上,，研制F101渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),。
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6 h" n; j% P' Q9 n7 g通用電氣在和普拉特·惠特尼競(jìng)爭(zhēng)F-15的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)落選，但研制的F101渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)成為一代經(jīng)典，其核心發(fā)動(dòng)機(jī)不僅成為F110的基礎(chǔ),，也成為民航世界 中高度成功的CFM56的基礎(chǔ),。在美國的兩大發(fā)動(dòng)機(jī)公司之間，普拉特·惠特尼比較善于短平快,，用較低風(fēng)險(xiǎn)搶先推出適用的高性能發(fā)動(dòng)機(jī),；而通用電氣走豪華路 線，追求技術(shù)完美和超前,，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大,，也經(jīng)常后發(fā)一步。從80年代初開始,，通用電氣開始在F-16上進(jìn)行裝用F101的試驗(yàn),，試驗(yàn)數(shù)據(jù)大量用于改進(jìn)設(shè) 計(jì)，這就是后來高度成功的F110,。

1 E% l! f% k# c5 ~) a2 `. o在1985到1990財(cái)年之間,，美國空軍在通用電氣F110和普拉特·惠特尼F100之間競(jìng)爭(zhēng)招標(biāo)。F-15從F-15E開始,，可以和F100或者 F110相容,，但美國空軍所有的F-15上統(tǒng)統(tǒng)使用F100，只有韓國和新加坡的F-15E使用F110,。F-16從Block 30開始,，可以和F100或者F110相容，發(fā)動(dòng)機(jī)大戰(zhàn)主要圍繞F-16的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行,。1985財(cái)年,，美國空軍訂購了160臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中F110為 120臺(tái),，F(xiàn)100為40臺(tái),，通用電氣占75%；1986財(cái)年,，F(xiàn)110 為184臺(tái),，F(xiàn)100為159臺(tái)，通用電氣沾4%,；1987財(cái)年,，F(xiàn)110為205臺(tái)，F(xiàn)100為160臺(tái),，通用電氣占56%,。普拉特·惠特尼從事實(shí)壟斷 一變?yōu)閷揖酉嘛L(fēng)，直到1988財(cái)年之后才扭轉(zhuǎn),，F(xiàn)110為147臺(tái),，F(xiàn)100為181臺(tái),，普拉特·惠特尼占55%；1989財(cái)年,，F(xiàn)110為100 臺(tái),，F(xiàn)100為159臺(tái)，普拉特·惠特尼占61%,；1990財(cái)年是發(fā)動(dòng)機(jī)大戰(zhàn)的最后一年,，F(xiàn)110 為39臺(tái)，F(xiàn)100為70臺(tái),，普拉特·惠特尼再占上風(fēng),，為64%。6年中,，通用電氣奪取61%的訂單,，普拉特·惠特尼49%。美國總審計(jì)署估計(jì),，競(jìng)爭(zhēng)節(jié)約 了30%的累計(jì)采購費(fèi)用,，并節(jié)約了16%的累計(jì)運(yùn)行和支援費(fèi)用。全壽命成本降低則為21%,。

在ATF時(shí)代,，洛克希德YF-22和諾斯羅普YF-23競(jìng)爭(zhēng)，普拉特·惠特尼YF119也和通用電氣YF120競(jìng)爭(zhēng),。競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果是洛克希德YF-22和普拉 特·惠特尼YF119獲勝,，成為F-22戰(zhàn)斗機(jī)和F119發(fā)動(dòng)機(jī)。說起來,，一貫追求技術(shù)先進(jìn)的美國空軍在ATF競(jìng)標(biāo)中選擇了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較低的選手,，而不是技 術(shù)上更加超前的YF-23和YF120。

普拉特·惠特尼F119盡管采用了大量最先進(jìn)技術(shù),，但還是常規(guī)的低涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),。為了降低迎風(fēng)阻力和提高高速推力，F(xiàn)119采用了很低的涵道比,，實(shí)際 上使得高亞音速巡航不具有多少油耗上的優(yōu)越性,。F-22的加萊特進(jìn)氣口也是為超音速巡航而優(yōu)化的。通用電氣YF120是更加先進(jìn)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),。如前所 述,，渦扇由于外涵道的氣流降低了噴氣的溫度和速度，提高了熱效率,，能產(chǎn)生更大的推力和獲得更低的油耗,，對(duì)于起飛、巡航,、待機(jī)和亞音速加速尤其有利,。但在超 音速飛行時(shí),，即使不考慮渦扇迎風(fēng)阻力較大的問題，降低的噴氣速度也使得有效推力降低,，渦噴對(duì)超音速飛行就比較有利。理想的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該在低速時(shí)體現(xiàn)渦 扇的特性,，在超音速時(shí)體現(xiàn)渦噴的特性,，這就是所謂變循環(huán)，YF120正是第一臺(tái)實(shí)現(xiàn)了這樣理想的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī),。
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YF120是第一臺(tái)變循環(huán)的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)
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YF120采用活門控制,，可以打開外涵道，實(shí)現(xiàn)渦扇功能,；或者關(guān)閉外涵道,，實(shí)現(xiàn)渦噴功能。有意思的是,，YF120有兩組活門,，一組把低風(fēng)扇的排氣分流一部 分到外涵道，另一組把高壓風(fēng)扇的排氣分流一部分到外涵道,。這是一個(gè)很巧妙的設(shè)計(jì),。常規(guī)渦扇只有低壓風(fēng)扇，采用盡可能大的外涵道,。這不光使得迎風(fēng)面積增大,， 還使得驅(qū)動(dòng)低壓風(fēng)扇的低壓渦輪承受極大的載荷。如果低壓渦輪妥善設(shè)計(jì),，這本沒有問題,，問題出在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪需要在渦扇狀態(tài)把噴流的動(dòng)能大量轉(zhuǎn)換 成驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的機(jī)械能，而在渦噴狀態(tài)盡量少吃掉噴流動(dòng)能,，只轉(zhuǎn)換足夠驅(qū)動(dòng)低壓壓氣機(jī)的機(jī)械能,。這樣截然不同的工作狀態(tài)使得低壓渦輪的設(shè)計(jì)十分糾結(jié)，需要采用 復(fù)雜的變距低壓渦輪來適應(yīng)高度變化的負(fù)荷情況,。但高壓渦輪分擔(dān)一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的任務(wù)的話,，可以為低壓渦輪卸載，有利于簡化設(shè)計(jì),。另外,，高壓風(fēng)扇引出氣 流增加外涵道壓力，可以等效為增加外涵道面積,，提高涵道比,。

不過YF120在渦噴狀態(tài)時(shí)，高壓風(fēng)扇后引出的主外涵道關(guān)閉,，但低壓風(fēng)扇后引出的可調(diào)外涵道并不完全關(guān)閉,，而是維持一股很小的氣流,。這是十足通用電氣特色 的“漏氣渦噴”，外涵道氣流不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的推力,，只是用于冷卻核心發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣,。通用電氣YJ101就是這樣一種“漏氣渦噴”，由YJ101發(fā)展而來的 F404也保持了這個(gè)特色,。
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通用電氣YF120的具體技術(shù)指標(biāo)一直沒有公布過,，但一般認(rèn)為推力、油耗等關(guān)鍵性能優(yōu)于普拉特?惠特尼YF119,，但技術(shù)上過于超前,，風(fēng)險(xiǎn)較大。為了控制 ATF的風(fēng)險(xiǎn)沒有選用是正確的,，繼續(xù)研發(fā)作為F-35的第二發(fā)動(dòng)機(jī)來源也是正確的,，不僅有利于充分利用已經(jīng)研發(fā)的先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)競(jìng)爭(zhēng),，也有利于保持航空工 業(yè)基礎(chǔ),。1996年，美國以YF120為基礎(chǔ),，開始研發(fā)F136,，通用電氣和英國羅爾斯·羅伊斯負(fù)責(zé)研發(fā)。通用電氣的F136在1995年到2009年之 間共得到24億美元撥款,，其中17億用于2005-2009年的SDD階段,。從1997年開始，F(xiàn)136得到全額撥款,，進(jìn)入全速研發(fā),。F136預(yù)計(jì)從 2011年開始，裝上F-35試飛,。研發(fā)預(yù)計(jì)在2013年完成,，計(jì)劃在普拉特?惠特尼F135投產(chǎn)的4年后投產(chǎn)，形成擇優(yōu)采購的格局,。1999年,，美國國 防部明確了“直接換裝”的要求，要求F135和F136在外形尺寸和安裝要求上完全統(tǒng)一,，可以不需更改直接換裝F135或者F136,。由于和STOVL相 關(guān)的部分（升力風(fēng)扇、滾轉(zhuǎn)臂噴口,、三段式轉(zhuǎn)向噴管,、傳動(dòng)軸和離合器等）在F135和F136之間共用，這部分投資都算入F135計(jì)劃,，F(xiàn)136因此投資相 應(yīng)減少,，發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)制造數(shù)量和測(cè)試量也相應(yīng)減少,。
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在2006年，布什政府提議中止F136的研發(fā),，被美國國會(huì)駁回,。此后連續(xù)5年，美國國防部每年都要求終止研發(fā)F136,，都被美國國會(huì)駁回,，強(qiáng)令繼續(xù)研 發(fā)。在2008年金融危機(jī)后,，財(cái)政拮據(jù)對(duì)國防預(yù)算造成空前壓力，奧巴馬和蓋茨都強(qiáng)烈反對(duì)繼續(xù)研制F136的計(jì)劃,，奧巴馬甚至威脅,，要是國會(huì)強(qiáng)加F136撥 款,，將否決整個(gè)國會(huì)撥款案,。在2010年和2011年的預(yù)算案中,，美國國會(huì)終于同意在預(yù)算中取消F136的研發(fā)撥款。美國國防部在2011年4月25日正 式中止了F136的研發(fā),。通用電氣和羅爾斯·羅伊斯提出用公司資金繼續(xù)研發(fā)，但2011年12月1日,，通用電氣和羅爾斯·羅伊斯聯(lián)合決定停止公司自費(fèi)研 發(fā),。至此,，F(xiàn)136已經(jīng)制造了6臺(tái)樣機(jī),，累計(jì)運(yùn)行了1200小時(shí),。

美國國防部不是從一開始就反對(duì)F136的研制的,，改變主意是和F-35計(jì)劃在總體上遍體鱗傷相連，實(shí)在是不需要增加一個(gè)傷口了,。更多傷口不是F136本身 的過錯(cuò),。盡管F136是和F135可以直接換裝的,，F(xiàn)136還是需要通過所有主要的試飛項(xiàng)目，以驗(yàn)證性能和可靠性、可維修性等要求。即使STOVL部分和 F135共用,，可以減少測(cè)試項(xiàng)目，也還是需要選擇幾個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目測(cè)試驗(yàn)證,。這使得F-35本來已經(jīng)大大拖延的測(cè)試進(jìn)度進(jìn)一步拖延,，研發(fā)成本相應(yīng)增加,。另一方 面，F(xiàn)136的好處并沒有那么顯著,。要完成研發(fā)和建立第二條生產(chǎn)線,，需要繼續(xù)投資,，這對(duì)已經(jīng)大大超支的F-35計(jì)劃是不可承受之重,。但競(jìng)爭(zhēng)帶來的采購成本 下降要到很多年后才能體現(xiàn)出來,。美國總審計(jì)署估計(jì)，要是完成平行研制F136,，將需要另外追加45-57億美元（通用電氣和羅爾斯·羅伊斯認(rèn)為只要追加 18億美元）,，只有競(jìng)爭(zhēng)使發(fā)動(dòng)機(jī)單價(jià)下降至少10.1-12.6%，才有可能在整個(gè)項(xiàng)目的全壽命里回收平行研制的成本,。

$ q! @& {% l/ i從用戶的角度來說,，采用兩種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)也有后勤支援上的問題,，需要兩套平行的采購,、備件,、維修和訓(xùn)練體系,。這個(gè)問題對(duì)于美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)來說尤為重 要，航母和兩棲攻擊艦上空間有限,，同時(shí)支持兩套不同的發(fā)動(dòng)機(jī)保障體系幾乎是不可能的,。F136的優(yōu)點(diǎn)在于可以同時(shí)在渦噴和渦扇之間靈活轉(zhuǎn)換,，但側(cè)重點(diǎn)在超 音速性能,，而超音速性能對(duì)F-35并不重要,，F(xiàn)136性能再好,，F(xiàn)-35粗短的氣動(dòng)外形造成的超音速阻力也將扼殺超音速飛行性能,，F(xiàn)136增加的機(jī)械復(fù)雜 性并不一定能帶來可以實(shí)現(xiàn)的性能改善。正是用戶的冷漠，最終使得通用電氣和羅爾斯·羅伊斯決定中止自費(fèi)研發(fā),，盡管通用電氣對(duì)F136的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)控制,、進(jìn)度 控制和預(yù)算控制有十足的信心,。
1 Y1 n# u. J* z$ a. l
' P2 _9 U& B% R. @- x6 g但變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的故事并沒有完。AFRL正在推動(dòng)AETD計(jì)劃,。AETD采用很特別的三涵道結(jié)構(gòu)。AETD和ADVENT的技術(shù)細(xì)節(jié)還在保密之中,，從有限 的ACE資料來看，內(nèi)涵道相當(dāng)于傳統(tǒng)的核心發(fā)動(dòng)機(jī),，在渦噴狀態(tài)下,，所有推力來自內(nèi)涵道；中涵道相當(dāng)于傳統(tǒng)的渦扇外涵道,，由低壓風(fēng)扇和高壓風(fēng)扇供氣,，具有活 門控制；外涵道則是獨(dú)特的,，常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)沒有相應(yīng)的結(jié)構(gòu),。另外，ACE的尾噴管也采用了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上很少見的兩層環(huán)道加中心錐的結(jié)構(gòu),。

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, z. l1 g. d9 d9 _' L. N& RGE的早期變循環(huán)方案
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6 H  n- ~8 A2 T# G- z, {0 }ACE方案

如果不考慮外涵道,，只考慮中涵道和內(nèi)涵道的話，在前旁通活門打開時(shí),，ACE的前一半和典型的低涵道比渦扇沒有太大的不同,。后旁通活門打開使得中涵道氣流和 核心發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣混合后噴出,，不過是從尾噴管的外環(huán)道噴出,。外層噴管的外壁像傳統(tǒng)可調(diào)噴口一樣,，可以收縮,、擴(kuò)張以控制流道面積,，實(shí)現(xiàn)收斂-擴(kuò)張控制。內(nèi)層 噴管的外壁也是外層噴管的內(nèi)壁,，同樣是可以收縮、擴(kuò)張的,，所以外噴管的收斂-擴(kuò)張控制要和內(nèi)噴管協(xié)調(diào)進(jìn)行,。

- o7 a, y; I$ W* m4 I2 vACE最獨(dú)特的地方在于外涵道和內(nèi)層噴管,。外涵道包絡(luò)在中涵道之外，但和傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道后端開放,、直接和核心發(fā)動(dòng)機(jī)噴流混合的做法不同,，ACE的外 涵道后端封閉,，但支撐發(fā)動(dòng)機(jī)外壁的厚葉片形支柱徑向是空心的，外涵道氣流通過支柱內(nèi)部的通道，穿過核心發(fā)動(dòng)機(jī)和中涵道的噴流,，匯入內(nèi)層噴管，從內(nèi)側(cè)向外和 核心發(fā)動(dòng)機(jī)的噴流混合。如前所述,，內(nèi)層噴管的外壁是可調(diào)的,，用于內(nèi)層噴管的收斂-擴(kuò)張控制,。溫度較低的外涵道排氣反而從內(nèi)層噴管排出,，這似乎舍近求遠(yuǎn)，但 這使得溫度較高的核心發(fā)動(dòng)機(jī)排氣呈環(huán)形,，不僅和較冷的環(huán)境空氣混合,，還和內(nèi)層噴管的較冷空氣混合，有助于迅速降低噴氣溫度,，改善紅外隱身,。如果深究的話， 葉片形支柱實(shí)際上相當(dāng)于熱交換器,，外涵道冷空氣穿越核心發(fā)動(dòng)機(jī)噴流時(shí),，已經(jīng)帶走一部分熱量，降低排氣溫度,，而外涵道氣流升溫后在內(nèi)層噴管中形成更高壓力,， 起到增推作用。另外,，中心尾錐和內(nèi)層噴管有效地遮擋了渦輪,，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的后向雷達(dá)隱身大有改善。

! b1 P* {- a; A& I這只是外涵道奧秘的一半,。ACE不僅有常規(guī)的低壓風(fēng)扇,，還有高壓風(fēng)扇，中涵道和內(nèi)涵道在高壓風(fēng)扇后分家,，在這之前是共享的,。但兩級(jí)的低壓風(fēng)扇中，第一級(jí)在 內(nèi)涵道/中涵道工作,，第二級(jí)風(fēng)扇不僅在內(nèi)涵道/中涵道工作,，還通過環(huán)形密封圈的連接，延伸到外涵道工作,。這一圈低壓風(fēng)扇葉片的功用和暴露的葉片長度不成比 例,，對(duì)于旋轉(zhuǎn)的葉輪，葉尖附近的葉片段的線速度最高,，推進(jìn)效率也最高,。相反，圓心處的線速度為零，實(shí)際上沒有推進(jìn)作用,，如果沒有轉(zhuǎn)軸的存在,，甚至?xí)�造成�?流倒流。和YF120不同的是,，外涵道和內(nèi)涵道/中涵道是不相通的,。外涵道內(nèi)低壓風(fēng)扇的“葉片環(huán)”之前有一圈可調(diào)的導(dǎo)流片，用于控制外涵道流量,。增大開度 可以增大外涵道流量,，提高涵道比，改善中低速推力和油耗,；降低開度則可以減小外涵道流量,。這個(gè)能力使得ACE的外涵道的作用超過了發(fā)動(dòng)機(jī)本身，甚至解決了 進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的兩個(gè)傳統(tǒng)難題,。

進(jìn)氣道設(shè)計(jì)及與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配是一個(gè)復(fù)雜的問題,，F(xiàn)-15曾有嚴(yán)重的進(jìn)氣道匹配問題，加上早期普拉特·惠特尼F100發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性問題,，曾是早期F-15 大面積趴窩,。超音速戰(zhàn)斗機(jī)的進(jìn)氣道需要做三件事：1、把進(jìn)氣速度降低到M0.5-0.6,；2,、分離邊界層；3,、控制進(jìn)氣流量,。超音速飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣依然 是亞音速的，這是因?yàn)檫M(jìn)氣速度超過音速的話,，風(fēng)扇,、壓氣機(jī)的葉片也要受到音障的影響，阻力急劇增加,。進(jìn)氣道把進(jìn)氣有效地減速增壓,，相當(dāng)于預(yù)壓縮，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 的有效工作十分關(guān)鍵,。這對(duì)ACE也一樣,。邊界層則是空氣的粘度造成的�,？諝獾恼扯仍诟咚亠w行的時(shí)候變得顯著,，粘度造成的摩擦阻力使得貼近機(jī)體表面的氣流速 度較低，形成所謂的邊界層,。對(duì)于進(jìn)氣道來說,，就是中間的進(jìn)氣速度高于貼近管壁的進(jìn)氣速度，不均勻的氣流速度影響風(fēng)扇的有效工作，需要在空氣進(jìn)入進(jìn)氣道之 前,，把邊界層分離排泄掉,。ACE的外涵道在低壓風(fēng)扇低功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，正好可以把邊界層拉動(dòng)起來,，使的進(jìn)氣的速度分布平直化，改善總壓恢復(fù),。另一方面,，起飛和 加速時(shí)，進(jìn)氣流量需要很大,；巡航時(shí),，進(jìn)氣流量需求較低。常規(guī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)中,，需要在進(jìn)氣口后開設(shè)放氣門或者孔陣,，使過剩空氣流量有一個(gè)出路,。對(duì)于ACE來 說,，合理匹配低壓風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和可調(diào)導(dǎo)流片的話，有望通過外涵道的旁通流量來補(bǔ)償進(jìn)氣流量要求的變化,，降低泄放過�,？諝庠斐傻淖枇�和開口或者孔陣造成的隱身 損失。ACE的外涵道可以和進(jìn)氣道內(nèi)壁邊界層排放所需要的流量相匹配,。這使得進(jìn)氣口設(shè)計(jì)可以專注于總壓恢復(fù),，極大地簡化了進(jìn)氣口設(shè)計(jì)，降低阻力,，提高進(jìn)氣 口-發(fā)動(dòng)機(jī)的體系效率,，也取消了排放過剩進(jìn)氣所需要的機(jī)體表面開口，改善隱身,。
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中涵道有兩個(gè)“進(jìn)氣口”,，一是第二級(jí)低壓風(fēng)扇之后，另一個(gè)在高壓風(fēng)扇之后,。第二級(jí)低壓風(fēng)扇在內(nèi)涵道/中涵道相當(dāng)于傳統(tǒng)的風(fēng)扇,，其后的旁通活門用于控制旁通 氣流的流量。內(nèi)涵道在高壓風(fēng)扇前由前伸的唇口再次引出隔道,，高壓風(fēng)扇像低壓風(fēng)扇一樣,，通過隔道壁上的環(huán)形密封圈的連接，延伸到隔道內(nèi),。隔道內(nèi)有可調(diào)導(dǎo)流 片,，在低速飛行可以增大開度，利用較大涵道比增加推力、降低油耗,，但即使在高速飛行時(shí),，依然留出一個(gè)很小的開度，保持少量冷卻氣流的流動(dòng),，起到“漏氣渦 噴”的作用,。

這是一個(gè)高度復(fù)雜但也高度精巧的設(shè)計(jì)，不僅在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)循環(huán)方面尋求最優(yōu),，還借助發(fā)動(dòng)機(jī)解決了進(jìn)氣道設(shè)計(jì)中的傳統(tǒng)難題,，甚至對(duì)后向的雷達(dá)和紅外隱身也 有周密考慮。不過發(fā)動(dòng)機(jī)控制將高度復(fù)雜,，還有機(jī)械復(fù)雜性和可靠性問題,。此外，雙層環(huán)形噴管結(jié)構(gòu)使得推力轉(zhuǎn)向的實(shí)現(xiàn)更富挑戰(zhàn),。軸對(duì)稱的三維推力轉(zhuǎn)向幾乎不可 能實(shí)現(xiàn),，矩形的二維推力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也將高度復(fù)雜，好象百葉窗一樣一層又一層,。

% c5 W" z# a  Z( Z* [6 V: ^美國2012年5月《航空周刊》的簡短消息里提到,，AETD的第三個(gè)涵道將用于更加有效的熱能轉(zhuǎn)換和更好的熱力學(xué)負(fù)荷分配，將降低安裝阻力和改善進(jìn)氣口恢 復(fù),。三言兩語中,，包含了海量的玄機(jī)。ADVENT和AETD將根據(jù)ACE的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì),，一旦研制成功,，這將是戰(zhàn)斗機(jī)動(dòng)力的一個(gè)飛躍。AFRL要求 通用電氣,、羅爾斯·羅伊斯和普拉特?惠特尼在2012年5月31日前提交方案,，方案評(píng)估在2013年2月完成，然后選取兩家研制樣機(jī),。壓縮機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)預(yù)計(jì) 在2014年進(jìn)行,，風(fēng)扇和核心發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)預(yù)計(jì)在2015年進(jìn)行，完整的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)預(yù)計(jì)從2016年開始,。通用電氣在變循環(huán)方面領(lǐng)先,，不僅有YF120的經(jīng) 驗(yàn)，而且從2007年就開始ADVENT方面的工作,，第一臺(tái)全尺寸ADVENT發(fā)動(dòng)機(jī)將在2013年開始運(yùn)轉(zhuǎn),。普拉特·惠特尼對(duì)三涵道結(jié)構(gòu)不贊同，認(rèn)為除 非飛行速度高于M2.6,，否則這是不必要地復(fù)雜,，但AFRL要求提交方案必須采用三涵道,，普拉特?惠特尼沒有選擇，只有照辦,。

* C- e( u, O) ]7 F) W2 n' T0 UAETD的目標(biāo)是節(jié)油25%,，增加航程30%。負(fù)責(zé)國防研發(fā)和采購的國防部副部長埃希頓·卡特要求在2020年完成研發(fā),，成為達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的F-35備選 發(fā)動(dòng)機(jī),。即使實(shí)際上推遲幾年，F(xiàn)-35的生產(chǎn)計(jì)劃持續(xù)到2035年,，新發(fā)動(dòng)機(jī)還是有足夠的時(shí)間形成對(duì)F135的威脅,。美國空軍每年使用超過24億加侖燃 油，折合為740萬噸JP5燃油,。JP5的典型價(jià)格比汽車汽油高2-3倍，即使算入規(guī)模采購的折扣,，這也是每年近200億美元的巨額開支,，節(jié)油25%是很 有吸引力的目標(biāo)。AETD會(huì)成為F136轉(zhuǎn)世嗎,？美國空軍部負(fù)責(zé)采購的副部長辦公室軍事助理詹妮特·沃芬巴格中將在美國參議院作證時(shí),，明確指出AETD的 意圖不是復(fù)蘇F-35備選發(fā)動(dòng)機(jī)，而是ADVENT計(jì)劃的自然延伸,，為未來戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)研制和升級(jí)做技術(shù)準(zhǔn)備,。F136來自側(cè)重超巡的YF120，變 循環(huán)可謂用錯(cuò)了地方,。AETD不僅可以省油30%,，還有通過較高涵道比大幅度提高起飛或者STOVL推力的潛力，對(duì)F-35的吸引力不是沃芬巴格中將一句 話就可以否定的,。第二次發(fā)動(dòng)機(jī)大戰(zhàn)或許不會(huì)在F-35的試飛和生產(chǎn)啟動(dòng)塵埃未定之前爆發(fā),，但不等于不會(huì)爆發(fā)。但最重要的是,，AETD一旦完成技術(shù)研發(fā),，進(jìn) 入生產(chǎn)準(zhǔn)備，這將是戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的又一個(gè)里程碑,，不僅在渦噴狀態(tài)下確保高速性能,，還在渦扇狀態(tài)下極大地降低油耗和增加推力，同時(shí)降低進(jìn)氣口設(shè)計(jì)的要 求,，使得超音速巡航和高亞音速巡航成為戰(zhàn)術(shù)選擇,，而不是技術(shù)局限的不得已。

2 S5 D4 w, G+ z, f) X. ]( @. ^

林霸赫

變循環(huán)引擎,，好久沒看到相關(guān)的文件了,。謝謝！{:soso_e179:}

yantouchang

LZ是搞這東西的嗎,？,？

猛龍C

yantouchang 發(fā)表于 2012-9-5 08:33
1 @5 |5 M1 [8 ]7 }LZ是搞這東西的嗎？,？

7 Y0 @# T: ^  Y- y7 K( X不是
! k9 x& e6 x4 v0 P0 y+ ~

huawei-hw

期待我國的大發(fā)啊,。

Top璀璨

高級(jí)東西，學(xué)習(xí)了

林霸赫

60年前論變循環(huán)引擎,，好東東啊,，黎明等沒做出來。

bianmingxingsss

幼稚一下 好文章 我在玩游戲CF 是 (CROSS FIRE) 打第一名的就是ACE 就是王牌�,。,。∑谕�祖國早日ACE啊 @——@

quanmin.wu

學(xué)習(xí)