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日志

 
 

引用 融入3D打印技术的变循环引擎,美国战机发动机又甩中国一大截   

2015-10-02 23:17:28|  分类: 国防军事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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未来战机的心脏-变循环引擎

随着通用电力公司在巴黎航展上高调发布的次时代战机变循环发动机,变循环引擎首次进入人们的视线。可变循环引擎到底是什么?和常规航空发动机相比,其又有什么优势?今天 就让我们来解析一番。

融入3D打印技术的变循环引擎,美国战机发动机又甩中国一大截 - 逍遥客 - 逍遥客

 

融入3D打印技术的变循环引擎,美国战机发动机又甩中国一大截 - 逍遥客 - 逍遥客

 

通用电力变循环引擎外观

 

说到航空发动机,恐怕没有公司比世界航空引擎三巨头之一的通用电力更有经验。从美国第一台喷气引擎 GE I-A 到F86佩刀的GE J47,到F4鬼怪的GE J79, 再到F14熊猫,F15鹰, F16隼的F110和F18大黄蜂的F404及后续的F414,从史上最畅销民用引擎CFM-56(737)到GE90(777)到GEnX(787)再到未来的GE9X(777x),不管是军用引擎还是民用引擎,通用电力都有充分的设计及建造经验。而这次的变循环发动机,正是通用电力对其民用引擎技术和军用引擎技术结合的产物。

 

融入3D打印技术的变循环引擎,美国战机发动机又甩中国一大截 - 逍遥客 - 逍遥客

 

 波音777所使用的GE90引擎

融入3D打印技术的变循环引擎,美国战机发动机又甩中国一大截 - 逍遥客 - 逍遥客

美国第四代战机(俄罗斯划分方式)广泛使用的F110引擎 

 

喷气式引擎的运作原理大家是再熟悉不过了,但实际上喷气式引擎还分为主要的三大类,涡扇式,涡轮式和涡桨式。绝大多数喷气式引擎的刨面图,都是上述的涡轮式引擎,而实际上涡扇式引擎才是最常见的航空引擎。主要原因在于涡轮式引擎是最早研发出来的喷气式引擎,同时也是现役几乎所有战机的引擎类型。涡轮式引擎利用引擎前部数级涡轮叶片把空气悉数加压进入燃烧室燃烧,排出高温气体后通过尾部涡轮再度带动前部涡轮压入空气。涡轮式引擎借助高温气体产生强大的推力,通常可以数倍于引擎自身的重量。但有利也有弊,巨大的推力造就了涡轮式引擎极大的燃油消耗量,远高于传统的活塞式引擎的消耗。对于追求大推力的战斗机来说,涡轮式引擎的高油耗可以通过携带外挂油箱并在作战前抛弃来弥补,然而对于不追求超大推力的大型飞机来说,如此之高的油耗显然不划算。

 

融入3D打印技术的变循环引擎,美国战机发动机又甩中国一大截 - 逍遥客 - 逍遥客

涡轮式引擎刨面图

 

 

对于轰炸机,运输机和客机这类需要长距离飞行的飞机来说,涡轮式引擎的高油耗将迫使他们携带更多的燃油。但更多的燃油意味着飞机重量的增加,由于油耗油的增加,携带过多的燃油反而会缩短飞机的航程。喷气时代早期依然大量服役的活塞式引擎运输机和客机便是最好的证明。哪怕客机进入喷气时代,早期长途飞行依然需要中途降落以补充燃油,大大降低了运输效率。新的引擎设计势在必行,涡扇式引擎应运而生。

 

融入3D打印技术的变循环引擎,美国战机发动机又甩中国一大截 - 逍遥客 - 逍遥客

 

涡扇式引擎刨面图

 

与涡轮式引擎不同,涡扇式引擎在涡轮式引擎外围套了个大罩子,并在引擎前部安装了巨大的涡扇,罩子和引擎之间的空隙叫做函道。和涡轮式引擎将全部气体压入燃烧室不同,涡扇式引擎仅将一部分气体压入燃烧室燃烧排出,通过后部涡轮驱动引擎前部涡扇高速旋转,压入更多气体的同时巨大的涡扇也加速函道内气流通过函道高速排出,产生不逊色于涡轮式引擎的推力。尽管巨大的涡扇增大了迎风面,使得涡扇式引擎气动阻力增大,降低了极速,但由于只是部分空气与燃料混合,油耗被大幅度降低。涡扇式引擎也因此很快被大型飞机所采用。随着科技发展,函道和前部涡扇做的更大(函道比更高),更少的气体被压入燃烧室,使得燃料的消耗更少。波音777能完成十余个小时不间断长途飞行,高达9:1函道比的GE90引擎功不可没。

 

融入3D打印技术的变循环引擎,美国战机发动机又甩中国一大截 - 逍遥客 - 逍遥客

 

GE90引擎刨面图,可见其空气加压舱(compressor)只占引擎整体的一小部分。前部巨大的涡扇(Fan Blade)才是其推力的主要来源。

 

不难看出,涡轮式引擎和涡扇式引擎各有利弊,涡轮式引擎推力于加速度占优,而大函道比涡扇式引擎则油耗占优,而取长补短的答案便是变循环引擎。通用电力公司此次展出的引擎,是其第二代作品。早在1980年代末F-22/23战斗机引擎竞标时,通用电力公司就拿出了YF120变循环发动机与普惠F119竞标。

 

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YF120引擎,外观上其于传统引擎无异,但内在却大相径庭。

 

YF120采用小函道比设计,在战机以亚音速巡航时,引擎把气流主要导入函道,进而利用涡扇式引擎的优势在相同推力与速度下减少油耗。当战机需要加速或者超音速巡航时,引擎会把气流主要导入燃烧室,进而利用涡轮式引擎的优势大幅度提升整体推力。同时外围函道的高速气流亦可冷却引擎喷口的高温气体,降低战机的红外特征。然而不知是对YF120的能力持有怀疑还是担心其所需的超越时代的数控及材料技术并不成熟,美国空军最终放弃了YF120转而选择传统涡轮式F119引擎作为F22的心脏。

 

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变循环引擎内部构造。红色为加压燃烧气流,绿色及蓝色为引擎内函道气流,其中蓝色气流可用于降温。

 

尽管竞标失利,通用电力公司并没有放弃变循环引擎的开发。随着21世纪先进科技的日渐成熟,3D打印技术和复合碳纤维材料让变循环引擎涡扇叶片有了保障,引擎数控技术的提升亦让分配导入气流更为高效。变循环引擎得以重见天日并一跃成为第六代战机的心脏。由于通用电力于美国空军科研实验室合作开发,此次新亮相的变循环引擎参数还不为人所知。通用电力声称和过去引擎相比,变循环引擎增加50%的滞空时间,35%的作战半径,减少25%的燃油消耗,以及由于函道冷气降温效应减少60%的热量释放。这意味着战机可以更隐秘的飞行,携带更多的弹药,同时减少对机场或加油机的依赖。

 

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采用复合碳纤维材料的GE90引擎涡扇叶片

 

 

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3D打印的航空引擎燃油喷口

 

毫无疑问集诸多优秀性能于一身的变循环引擎,将会成为未来战机强而有力的心脏,助其厮杀于属于他们的天空。而在这新引擎的背后,是无数科研成果及科技创新一点一滴的汇聚,中国航空引擎的开发绝无捷径,任重而道远。

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歼-20装备后是用俄系发动机还是太行发动机尚不了解.

逍遥客祝福朋友幸福、快乐!

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