美国新型无人僚机或使用韩华发动机，优势在哪里？

近期，美国洛克希德·马丁公司宣布，将与韩国韩华集团合作，共同推进研发其“Vectis”无人僚机项目，韩华集团将为该无人机提供HAF4500发动机。

“Vectis”无人机概念图

根据报道，“Vectis”项目初期的原型机使用FJ44-4A发动机，推力3600磅。而预期在2028年完成研制的HAF4500发动机，推力在4000至4500磅（约17.8至20千牛）级别，并提供100千瓦的电力输出。

尽管韩华集团尚未公布关于HAF4500发动机的其他信息，包括基本结构、部件级数等细节，但根据目前已公开的信息，基于韩国的工业基础能力，我们可以对该发动机的结构等细节进行一番推测。

从目前公开的目标性能来看，HAF4500发动机最突出的性能是相较于同推力级别的传统涡扇发动机，其发电能力要高出十余倍。

尽管随着电子电气技术的进步，在实现相同算力等性能指标的前提下，元器件和设备的单位功耗和发热是在不断下降的，但现实是，现代战术飞机对于算力和射频功率的需求几乎是无止境的，因此，尽管相比几十年前，现代战机的机载动力和电源管理系统的供/配电功率一直在不断提升，但从来没有真正意义上“够用”。尤其是机载激光系统等定向能武器，将来甚至可能成为重要的机载对空攻击手段，对飞机平台的供电能力提出了更高的需求。

FJ44发动机，常被用于公务机。

以美国威廉姆斯国际公司生产的FJ44-4A发动机为例，该发动机采用了传统设计，空中最大持续发电功率为8.4千瓦。核心机的高压压气机轴在特定位置设置伞齿轮来驱动塔轴，能实现机械功率的90度垂直分流输出。塔轴的末端会伸出发动机机匣外，连接到附件齿轮箱并驱动发电机发电。在现役先进涡扇发动机中，发电机也通常兼有起动机的作用。

但针对下一代发动机的电力需求，FJ-44A依然存在改进潜力不足等问题。从更广泛的意义上来说，这种外置化发电架构的发动机在电力需求上都难以满足未来要求。

CFM56-7上，启动电机用于驱动高压转子轴的伞齿轮—塔轴。

也就是说，新一代飞机对涡扇发动机的高供电要求，不仅远超传统型号能从发动机轴上提取的机械功率性能上限（同时还要不引发降转喘振停车），而且也超过了传统涡扇发动机供电结构布局实际工程设计所允许的极限。

因为基于“伞齿轮—塔轴”的转向传动机构已无法在合理的尺寸重量限制下，实现垂直方向的巨大机械功率输出。

从该角度来推测HAF4500的设计架构，该发动机大概率会直接将发电机整合到高压转子中，一方面使轴功率提取能力最大化，另一方面也能进一步减轻发动机的重量和尺寸，并简化附件结构，提升发动机的可靠性和维护性。该方向也是业界公认的新一代发动机设计方向。

但同时，高压转子区域整体温度很高。以小型涡扇发动机为例，当飞机在以马赫数0.8的速度巡航时，其高压压气机的入口区域，温度也能达到200摄氏度。因此，新的设计方向之下，最大的挑战就来自如何保持并提升发电机在高温环境下的作业能力——无论是电机本身的耐热工作能力，还是如何冷却集成在高压轴上的电机，都对发动机的热管理设计构成了很大挑战，这也是高压转子发电机设计工作付诸实用的最大障碍。

对于韩华集团来说，这些挑战也同样存在，未来重点攻关工作至少将包括以下问题：如何将高压转子电机的热量通过与滑油进行热交换等措施转移给燃油？如何在将电机温度降低到合理范围的同时，利用废弃热量对燃油进行预热，强化燃烧效率？

F-124发动机的结构非常具有代表性，已成为很多新型号研发设计时的重点参考对象。

在攻克这些问题之后，HAF4500其他方面大概率会采用成熟的设计元素组合。

参考FJ44-4A的尺寸规格（长1.34米，直径0.64米），HAF4500在不大于该机尺寸的情况下，其最可能采用的布局设计推测如下：

发动机整体采用双转子设计，以满足高低压旋转部件的不同转速需求，为较高的燃油效率提供基础保证。1至2级最末端的轴流式低压涡轮，用于驱动2—3级最前端的风扇叶片，风扇在为外涵道提供气流驱动作用的同时，也取代低压压气机，对内涵道实施主要的前级增压。1级轴流式高压涡轮，用于驱动高压压气机和整合式电机。其高压压气机采用轴流/离心混合式结构，前方的3—4级轴流叶片向前衔接风扇，向后衔接1级离心叶片。

在旋转部件级数的推测上，如果仅从推力指标考虑，随着气动力研究的深入与材料工艺的改善，HAF4500是有潜力仅依靠2级风扇、3级高压压气机轴流叶片，使发动机整体结构更为紧凑轻巧的。

但是100千瓦的发电要求，对高压转子轴的旋转施加了非常大的额外负载；这可能需要更大级数的高压压气机叶片进行分担，才能确保级间负荷仍然处于合理范围内。在高压转子的负荷大幅度上升以后，为了实现稳定可靠的低压/高压匹配衔接；也可能需要增大风扇级数，通过3级风扇和2级低压涡轮分担更大的负荷，并使压力梯度变得更为合理。

轴流式叶片

离心式叶片以及与其匹配的折返式空气流道

在涡扇发动机中，中、大发和小发在设计方向上差异巨大。由于不同直径级别叶片对转速承受能力的差异，叶片所需机械间隙占整机比例大小的差异，以及空气黏性/雷诺数的差异，单个小发旋转部件在亚跨声速区域的效率最优设计，是“超高转速+离心叶片”。

通常而言，在小发上单级高速离心叶片的效能，相当于3—4级轴流叶片。考虑到离心叶片导致的气流方向折返问题，以及HAF4500需要在马赫数0.85以上的跨声速区域仍保持良好的推力性能，对喷流速度要求较高；该发动机最合理的折衷妥协，是只在高压压气机末级设置离心叶片，气流折返后进入环形燃烧室，其余部分均为轴流结构。

现阶段HAF4500没有显著的超声速飞行需求，但对于发电功率要求极高，而且发动机长度非常短；可以断定该机的基本型没有加力燃烧室，现有推力指标是无加力推力。在仅采用1级离心叶片的前提下，如果该机未来衍生带加力版本的改型，仍有达到马赫数1.8—2.0的潜力。

但对于使用HAF4500发动机这个级别动力的无人机，要实现超声速飞行能力在技术上没有阻碍，但其综合性能提升与成本花费形成的比例往往是缺乏吸引力的。未来不一定有实际需求催生加力版HAF4500。

F-22战斗机的矢量喷口

目前尚不确定HAF4500是否具备矢量喷口设计。从Vectis目前追求通过成熟部件和设计快速完成研发演示，并将在未来通过持续迭代实现性能进化的总体规划看，基本型HAF4500未配备矢量喷口的概率比较大。

不过新一代无人机为了提升航程和隐身能力，大量使用飞翼类布局的无尾设计，俯仰控制能力普遍偏弱；矢量喷口带来的控制能力强化，能有效提升无人机的起降和机动性能。未来HAF4500出现矢量推力版本的可能性，应该会高于加力燃烧版本。 （候知健）