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全球大混乱之际,美国低调宣布六代机重磅进展,20年差距又已拉开

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  最近这段时间,印度疫情、巴以冲突、纳卡冲突一波接着一波,夜空如白昼的加沙火箭弹攻防战吸引了全球的目光,以至于美国六代机的重磅进展都无人问津——美国通用电气公司的首台XA100变循环发动机已经完成测试。

  

  ◎通用电气XA100变循环发动机验证机

  首先来介绍一下变循环发动机。变循环发动机并不是什么新鲜概念,早在上世纪50年代美国就提出了变循环发动机这一概念,只不过受限于当时的航空技术和材料科学,当时变循环发动机工作模式相对简单一些,比如SR-71“黑鸟”侦察机搭载的J58就是涡轮-冲压组合式变循环发动机。

  变循环发动机中的“循环”指的是热力循环,以涡喷发动机为例,其热力循环分为四个阶段:压缩-加热-膨胀-放热,这是理想状态下的热力循环。涡喷发动机工作原理很简单,但是由于进入发动机的空气全部需要燃料混合加热,所以涡喷发动机的油耗很高,燃油经济性很差,低速性能也不好,但是高空高速性能很好。

  为了解决涡喷发动机的这一缺点,涡扇发动机应运而生。涡扇发动机的热力循环和涡喷发动机是一样的,也是压缩-加热-膨胀-放热这四个阶段,但是它与涡喷发动机不同的是,它多了一个风扇和一个外涵道,流经外涵道的空气不需要燃料混合加热,加热和膨胀这两个热力循环过程相比涡喷发动机要省油很多,因此其燃油经济性要比涡喷发动机好很多。但与此同时它的缺点相应也很明显,那就是功率低且高空高速性能差。民用飞机可以接受这两个缺点,但是军用飞机就不行了,于是带加力燃烧室的军用涡扇发动机就出现了。不过即便是带加力燃烧室的涡扇发动机,也无法各种工况下兼顾到高功率和低油耗,既然如此,那么为什么不把涡喷和涡扇结合起来呢?变循环发动机这不就来了。

  

  ◎XA100变循环发动机的主要特点图示

  理论上来说,改变发动机的涡前温度、增压比、进气流量以及涵道比都能改变发动机的热力循环,打造出一台各种工况下都有近乎完美表现的航空发动机,但就目前的航空科技和材料科学水平来看,还是改变涵道比最具可行性。

  如果涡扇发动机的涵道比能够根据飞行需求自如变化,那就相当于实现了涡喷和涡扇的优势互补,亚音速增加涵道比,追求低油耗,超音速减小涵道比,追求高功率,在涡喷和涡扇之间自如切换,实现发动机效率的最大化。这就是变循环发动机的基本原理。

  目前美国的通用电气和普惠的变循环发动机都走的是变涵道比路线,而且都是在传统的内外涵道基础之上增加了第三个流道,根据工况自适应调整涵道比和风扇压力,进而提高燃油经济性和推力性能。通用电气XA100变循环发动机测试的结果显示,该型发动机较目前最先进的涡扇发动机推力提高10%,燃油效率提高25%,航程增加30%,性能超出预期。

  

  ◎美军变循环发动机的发展路线图,核心机缩小之后可以用于F-15甚至F-16的升级

  根据美国空军此前的计划,XA100(GE)和XA101(PW)的胜者将成为美国空军六代机的动力选择。而由于尺寸与F135发动机相同,XA100甚至可以直接替换F-35战斗机目前使用的F135发动机,F-22、F-15以及F-16也可以在缩小核心机尺寸之后换装XA100。

  目前美国的军用航空发动机已经是世界一流水平,领先其他国家至少10年。如今美国又赶在其他国家之前率先完成变循环发动机的试验,无形之中又进一步拉开了与其他国家之间的差距,保守估计美国的航发技术已经领先20年。

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