渦扇15還未上天 美國第五代多模式發動機即將試車

一：F119發動機與渦扇15工作模式單一，耗油率高

F22在進行1.4到1.6倍音速飛行時，擁有非常優良的持續飛行能力和航程；因為它不需要打開加力燃燒室，不受加力的高溫（會帶來時間限制）和極高的耗油率帶來的負面影響。特別大的超音速航程，能使戰鬥機在空戰中獲得非常大的性能優勢。這也是為什麼第四代戰鬥機的高速性能，著重強調超音速巡航能力，而不是最大極限速度。

圖：F22的性能優化針對高速阻力和機動性，但航程效率不好。

但在只能通過亞音速飛行來獲得的最大航程上，F22的表現很差，帶滿副油箱也飛不到3000公里——作為重型戰鬥機，它帶的燃油可不少。F22航程缺陷的關鍵之一，在於F119發動機相較於上一代產品，比如F100、F110（裝備於F15、F16），沒有在基本結構和原理上出現大的改變；發動機的工作模式很單一，能顧及高速推力，就照顧不了低速時的燃油消耗優化。

F119的問題，同樣將困擾我國的渦扇15發動機。根據公開資料的披露，我國渦扇15發動機在基本設計的取向上接近於F119；這樣做雖然面臨耗油率等方面的問題，但技術風險相對比較低。考慮到太行發動機的一貫表現，我國在渦扇15上的保守是非常明智的。

二：發動機在高速狀態下沒有辦法省油

根據動量守恆定律，噴氣發動機要增加推力，就要使噴出去的氣流在動量（質量 x 速度）上增加。但從消耗能量的角度上來說，推力同樣增大到原來的十倍，增大噴流質量的發動機只要燒原來十倍的油；而增大噴流速度的發動機，那就要燒到原來的一百倍。

所以在亞音速的客機發動機上，我們能看到它的發動機特別粗大。這是它們在設計時，就從燃燒過程中抽出很大的功率用來驅動前面的大直徑風扇和壓氣機，壓入更多的空氣參與到噴流里。燃油的能量儘可能少的浪費在噴流溫度與速度增加上，而都用在噴流的質量最大化上；有效實現了少燒油、多增推的效果。

圖：施奈克瑪和GE公司推出的客機用CFM56-7B大涵道比發動機科普動畫，藍色代表低溫氣流，橘紅色代表高溫燃氣。空氣在進入最前端的大風扇以後，分為兩路，中央的一路進入內涵道的燃燒室參與燃燒；而外側的則流過外涵道。

圖：可以看到外涵道的比例非常大，該發動機吸入的80%空氣都是從外涵道流過的。100%的發動機噴流，只有20%需要燒油，這就是客機發動機省油的秘訣。

這就是為什麼相同技術水平下，渦輪風扇發動機比渦輪噴氣發動機省油，而且推力大，但是高速性能卻不如渦噴好的原因。渦扇發動機其實就是在渦噴發動機這個核心的內涵道外面，再套上一層用風扇往裡面壓氣的外涵道。客機發動機的外形，就是把外涵道擴大到畸形比例的結果。

圖:F119發動機剖面，可以看到它燃燒室外側的外涵道非常小，基本和渦噴沒區別了

而在超音速飛行時，發動機必須儘可能提高噴流的速度——不然噴流速度和飛機速度都差不多了，發動機進氣和排氣上的動量差距都拉不開了，那還推個什麼勁。因此發動機只能盡量提高燃燒溫度、把燃燒的能量儘可能全部傳遞給質量最少的噴流；因此F119採用了低壓縮比、低涵道比、高渦輪前溫度等設計，說是渦扇發動機，其實更接近渦噴發動機。

三：美國新一代發動機具備多種工作模式，能兼顧高低速油耗

要讓發動機既具有高速時的大推力，又能兼顧低速時的燃油消耗；那就只有一個辦法，讓發動機具備變循環的工作特性；低速時多吸入空氣，靠加大噴流質量來提高推力；高速時少吸入空氣，靠噴流速度來增加推力。F22在研製時曾經有兩種發動機競爭備選，GE公司的F120發動機就採用了變循環設計；但美國空軍被F100發動機當年故障頻發，導致F15群體趴窩的經歷嚇得不輕，最終以技術不成熟、風險過大而拒絕了F120。

圖：GE公司在宣傳動畫中公布的外形

美國GE公司推出的最新一代發動機，在F120發動機的基礎上又出現了幾個方面的重要變化。最重要的變化來自於它除了傳統的內外涵道以外，又加入了一個第三涵道。這個涵道的氣流，來自於飛機內部的熱循環空氣；空氣在冷卻了雷達等電子設備、以及包括武器發射留給飛機的熱量在內的機身結構熱量以後，被吸入發動機參與工作。

圖：GE公司宣傳動畫，注意發動機的好幾層殼子組成了三個涵道，最外面的一個涵道，就是吸入機身廢熱空氣的第三涵道

這個設計堪稱一舉三得：首先優化了飛機的散熱，提升了飛機的可靠性，減低了故障率；其次更有利於抑制飛機的紅外熱信號，強化了隱身性能；最後這些大量的廢熱，又能轉化為發動機噴流的溫度和速度，實現了推力的增加。可以說這個設計，是發動機與飛機設計系統化、一體化上的重大突破。

其次它採用了大量的高新技術，比如陶瓷基複合材料，能夠承受的最大溫度比傳統金屬材料出現了巨大的提升。這些材料和工藝上的進步，使它的各種部件比F119和F120更輕、而且工作效率更高。目前GE公司宣稱，這款新發動機，能夠實現推力增加10%、耗油率降低25%、使飛機航程增加30%的性能提升。

結語：我國對於變循環發動機已經展開探索工作

雖然我國目前的主要精力還放在渦扇10太行發動機的成熟優化，以及渦扇15的工程研製上；但是對於變循環發動機，也已經進入了先期的探索研究階段。在2012年的珠海航展上，中航發動機副總裁張健向外界透露，中國已經在研究國產變循環發動機，有著相應的計劃來研究未來先進發動機