可消耗无人机设计促使航空喷气发动机转型

中国航空报讯：据美国《航空周刊》网站报道，目前“可消耗”飞机正在受到越来越多的关注。美空军正在重新审视传统的喷气发动机设计原则，期望能设计一种介于一次性和完全重复使用之间的推进系统。

2019年3月，威廉姆斯国际公司的FJ33涡轮风扇发动机为克拉托斯公司XQ-58无人机的首飞提供了动力。但这家位于密歇根州的小型涡轮风扇发动机制造商表示未来该领域将充满竞争。

今年8月，罗罗公司自由工厂宣布，完成了面向军用一次性和可消耗需求设计的小型发动机的台架试验。出于同样的目的，普惠公司在2019年宣布开发FJ700系列小型涡轮风扇发动机。2019年3月，克拉托斯公司收购了曾获得空军研究实验室（AFRL）合同的佛罗里达涡轮技术公司，以设计“低成本、高性能、可消耗”涡扇发动机的低压部分。

美国的国防企业都期望在“数字化百系列”倡议下开发一系列低成本无人机。先进有人战斗机虽性能优异，但数量较少，空军希望能够通过配备数百架甚至数千架成本在200万至2000万美元之间的可消耗无人机，重建作战机队的数量和打击能力。

航空发动机的成本一般为飞机总成本的15%左右。如果将这一原则应用于可消耗飞机，那么新型可消耗发动机的价格可能在30至300万美元之间。然而，美国空军研究实验室希望可消耗发动机的价格能够打破15%的比例。

AFRL负责“经济可承受任务的先进涡轮技术”（ATTAM）倡议的经理丹尼尔·汤姆森（Daniel Thomson）说：“我认为有很多方式可以降低成本。”ATTAM倡议包括可消耗发动机研发。

可消耗飞机的定义是：成本既要足够低以便允许在任务中被消耗，又能在必要时重复使用多个架次。汤姆森承认，这对发动机制造商提出了一个棘手的设计要求。“人们认为只要降低对发动机寿命的要求就能降低成本，这种说法并不完全正确。”例如，在发动机燃烧室后的第一级涡轮定叶处（发动机最热的地点之一），温度通常超过1000摄氏度，只有少数昂贵的材料能够长期承受这样的高温。

汤姆森说：“高温环境对发动机的设计和材料都提出了要求，有时甚至就是为了提高几秒钟的耐温时长。这些基本上决定了发动机的固有寿命，可能会比其在使用中真正需要的寿命更长。更重要的是用发动机来做什么，而不仅仅关注服役寿命。因此，当我们谈论目标寿命时，我们真正要做的是将服役寿命与其他同等的需求进行耦合。”

如果使用成本更低、耐高温性能更差的材料不能完全解决可消耗发动机设计所面临的问题，AFRL还有其他选择。2020年，AFRL采用新工艺为可消耗无人机制造了一个3.35米长的S形发动机进气涵道。AFRL没有将复合材料预浸料手工铺设至钢制芯轴，而是使用自动化系统将干纤维铺设在形状记忆聚合物芯轴。由于复合材料预浸料必须在高压罐中固化，但干纤维在真空辅助树脂转移模塑（VARTM）过程中被注入了低成本环氧树脂，因此可以降低制造成本。

另一种选择是剔除制造过程中耗时的工序。有人机喷气发动机需要不断地进行适航审查，任何服役过程中发生的新的事故都有可能增加生产过程的时间和成本。

汤姆森说：“每当有事故发生，我们就要在生产过程中增加一个新的步骤，或者新增试验和分析流程。对于可消耗性发动机，我们可否在一开始就摆脱某些繁琐的流程？因此，并不是说输入一个数字设计系统就会给出结果，而是要确定目标是什么，然后进行设计权衡以达到目标。”

中国航空报讯：据美国《航空周刊》网站报道，目前“可消耗”飞机正在受到越来越多的关注。美空军正在重新审视传统的喷气发动机设计原则，期望能设计一种介于一次性和完全重复使用之间的推进系统。

2019年3月，威廉姆斯国际公司的FJ33涡轮风扇发动机为克拉托斯公司XQ-58无人机的首飞提供了动力。但这家位于密歇根州的小型涡轮风扇发动机制造商表示未来该领域将充满竞争。

今年8月，罗罗公司自由工厂宣布，完成了面向军用一次性和可消耗需求设计的小型发动机的台架试验。出于同样的目的，普惠公司在2019年宣布开发FJ700系列小型涡轮风扇发动机。2019年3月，克拉托斯公司收购了曾获得空军研究实验室（AFRL）合同的佛罗里达涡轮技术公司，以设计“低成本、高性能、可消耗”涡扇发动机的低压部分。

美国的国防企业都期望在“数字化百系列”倡议下开发一系列低成本无人机。先进有人战斗机虽性能优异，但数量较少，空军希望能够通过配备数百架甚至数千架成本在200万至2000万美元之间的可消耗无人机，重建作战机队的数量和打击能力。

航空发动机的成本一般为飞机总成本的15%左右。如果将这一原则应用于可消耗飞机，那么新型可消耗发动机的价格可能在30至300万美元之间。然而，美国空军研究实验室希望可消耗发动机的价格能够打破15%的比例。

AFRL负责“经济可承受任务的先进涡轮技术”（ATTAM）倡议的经理丹尼尔·汤姆森（Daniel Thomson）说：“我认为有很多方式可以降低成本。”ATTAM倡议包括可消耗发动机研发。

可消耗飞机的定义是：成本既要足够低以便允许在任务中被消耗，又能在必要时重复使用多个架次。汤姆森承认，这对发动机制造商提出了一个棘手的设计要求。“人们认为只要降低对发动机寿命的要求就能降低成本，这种说法并不完全正确。”例如，在发动机燃烧室后的第一级涡轮定叶处（发动机最热的地点之一），温度通常超过1000摄氏度，只有少数昂贵的材料能够长期承受这样的高温。

汤姆森说：“高温环境对发动机的设计和材料都提出了要求，有时甚至就是为了提高几秒钟的耐温时长。这些基本上决定了发动机的固有寿命，可能会比其在使用中真正需要的寿命更长。更重要的是用发动机来做什么，而不仅仅关注服役寿命。因此，当我们谈论目标寿命时，我们真正要做的是将服役寿命与其他同等的需求进行耦合。”

如果使用成本更低、耐高温性能更差的材料不能完全解决可消耗发动机设计所面临的问题，AFRL还有其他选择。2020年，AFRL采用新工艺为可消耗无人机制造了一个3.35米长的S形发动机进气涵道。AFRL没有将复合材料预浸料手工铺设至钢制芯轴，而是使用自动化系统将干纤维铺设在形状记忆聚合物芯轴。由于复合材料预浸料必须在高压罐中固化，但干纤维在真空辅助树脂转移模塑（VARTM）过程中被注入了低成本环氧树脂，因此可以降低制造成本。

另一种选择是剔除制造过程中耗时的工序。有人机喷气发动机需要不断地进行适航审查，任何服役过程中发生的新的事故都有可能增加生产过程的时间和成本。

汤姆森说：“每当有事故发生，我们就要在生产过程中增加一个新的步骤，或者新增试验和分析流程。对于可消耗性发动机，我们可否在一开始就摆脱某些繁琐的流程？因此，并不是说输入一个数字设计系统就会给出结果，而是要确定目标是什么，然后进行设计权衡以达到目标。”