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国外下代战机、高超声速飞行器15年内或投入使用
发布日期:2015-06-23 来源:中国航空报 字号: [ ]

  近年来,随着美、欧、俄等世界航空发达国家和地区的新一代作战飞机、新一代远程轰炸机、无人作战系统、未来旋翼机以及高超声速飞行器的不断探索发展,其技术特征已经基本明晰,下一代军用航空动力技术的需求也应运而生。目前,以变循环发动机、高效嵌入式涡轮发动机、超燃冲压发动机、先进涡轴发动机、组合循环发动机、非传统新能源动力等为代表的新型航空动力技术正在开展试验验证,有些技术已经取得实质性进展和突破。
  
    国外下一代军用航空动力技术重点领域研究进展
  
    从目前国外军用航空动力技术研究现状来看,目前下一代航空动力技术主要有以下几个方面:

  变循环发动机技术

  通过改变发动机部件的几何形状、尺寸或位置来优化热力循环,在各种飞行条件和工作状态下提供良好的性能。自适应发动机技术是在变循环发动机的基础上增加自适应控制后的进一步发展。美国已经突破自适应发动机技术的概念验证和关键技术,原计划到2014年完成整机试验,但尚无报道证实。

  高效嵌入式涡轮发动机技术

  以嵌入式安装的8900~15575daN(1daN=10N)推力的小型涡扇发动机,与基准机相比耗油率降低30%,推重比提高60%,待机时间延长2倍,功率提取达到400千瓦,可满足未来的中高空情报、监视和侦察(ISR)平台的无人作战飞机和运输机的超强耐久性和超长航程需求。2013年,罗罗公司已经完成了压比超过70的压气机试验,计划到2019年试验高效涡轮发动机整机。

  先进涡轴发动机技术

  目前美国正在实施多项先进涡轴发动机研究计划,包括小型重油发动机(SHFE)、先进经济可承受涡轮发动机(AATE)、改进涡轮发动机项目(ITEP)、未来经济可承受涡轮发动机计划(FATE)、替代概念发动机(ACE)计划、先进变速动力涡轮(AVSPOT)计划等,改进和替换现有发动机,探索新概念涡轮发动机技术,为下一代和未来涡轴发动机的型号研制打下基础。

  超燃冲压发动机技术

  超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机,具有结构简单、重量轻、成本低、比冲高和速度快(马赫数6~25)的优点。美国是目前超燃冲压技术研究的主力,开展了多项超燃冲压发动机演示验证活动。其中具有典型意义的是美国X-51A项目,已经验证了采用碳氢燃料超燃冲压发动机的技术可行性。

  组合循环动力技术

  采用涡轮发动机和双模态冲压发动机的涡轮基组合循环动力系统(TBCC)是在大气层内飞行的空天飞行器的一个很好的选择,而基于火箭技术的火箭基组合循环(RBCC)发动机则适合于跨大气层飞行的空天飞行器。涡轮基组合动力技术由于其在下一代高超声速ISR/打击平台的应用前景,近年来研究更为活跃,而火箭基组合动力技术的研究成果并不明显。美空军在规划中仍将组合循环动力作为其高超声速飞行器推进的重要解决方案。

  爆震发动机技术

  脉冲爆震发动机是众多爆震推进概念中最受关注的,也是探索时间最长、研究最深入、最接近实用的爆震发动机,具有热效率高、比冲大以及结构简单等特点,是目前惟一能以双模式工作的发动机概念,被视为未来军用和航空航天运输领域最有前途的新概念发动机之一。国外已在脉冲爆震技术的研究方面投入了大量的人力和物力,并已验证了实际应用的可行性。

  非传统新能源动力技术

  燃料电池可以直接将氢转化成电和热,无排放、噪音小,不但节省了燃料,对环境也没污染。燃料电池的效率是内燃发动机的两倍以上。目前,国外采用液氢燃料电池推进系统的高空长航时无人机已经进行了飞行试验。太阳能动力飞机是以太阳辐射为推进能源的飞机,目前许多国家都在进行相关技术的研究,发展以太阳能为能源的高空长航时无人机,从而大幅提高续航时间,并已实现夜航,将实现环绕地球飞行。

  满足下一代航空装备需求的关键动力技术

  从当前国外政府和企业重点发展的航空动力技术研制项目来看,未来将围绕新一代航空平台,将重点发展如下关键动力技术:

  自适应发动机技术将是美国下一代战斗机和轰炸机的重要动力形式

  自适应发动机可满足下一代战斗机、轰炸机、战术飞机、超声速客机和高超声速飞行器等多种军民用飞行平台的动力需求,将引发航空推进领域的一场新变革。美国2012年启动“自适应发动机技术发展”(AETD)项目,将研制全尺寸的自适应发动机技术验证机,验证能够用于第六代战斗机、未来轰炸机和其他战术飞机的低油耗发动机技术,为2020年后下一代作战飞机的研制做好准备。2014年美国空军预算披露,未来将投资15亿美元加速该技术的成熟。

  新能源动力技术可大幅提高未来长航时无人机的耐久性

  长航时无人机推进系统的类型包括涡扇发动机、涡轮-活塞组合发动机,以及燃料电池和太阳能动力等。为大大提高“全球鹰”级飞行器的耐久性,国外对各种替代推进系统进行了大量研究。随着氢燃料、燃料电池和太阳能电池系统的逐步成熟,长航时无人机的耐久性预计可提高10倍。

  变转速涡轴发动机是未来旋翼机动力的重要方向

  变转速涡轴发动机可以大幅提高发动机效率、降低油耗和增加航程,与美军未来旋翼机的需求十分吻合,而变转速涡轴发动机的关键技术在于变转速动力涡轮。因此在ACE计划中变转速动力涡轮是潜在的技术发展途径之一,而且AVSPOT计划将专门研究这一关键技术,争取把其融入到JMR旋翼机的先进发动机中。

  涡轮基组合循环发动机是未来高超声速飞行器关键技术

  国外正在加紧研制适应高超声速的动力装置,涡轮基组合循环动发动机是其中一个重要方向。2013年洛克希德·马丁公司公布SR-72高空无人机侦察机就将采用这种动力系统。同时,“三合一”组合高超声速推进系统、以定容燃烧(CVC)发动机为基础的组合循环方案等新型涡轮基组合动力方案也不断涌现。

  下一代航空动力技术对航空装备研制的影响分析

  下一代动力技术的应用可行性分析

  根据技术成熟度评估(TRA),整体来看,目前国外在自适应发动机技术、氢燃料动力技术、涡轮基组合循环发动机技术等先进航空动力技术领域正处于研究和验证阶段,预计到2020年前完成验证机验证,达到TRL6级,能够用于下一代航空动力系统的研制,并支持下一代战斗机、轰炸机、无人机和高超声速飞行器在2030年前投入使用。而变转速涡轴发动机技术等要到2020年以后才能成熟,要用于JMR旋翼机仍需加速技术验证和工程化应用。

  下一代航空动力技术对航空装备研制的影响

  提升下一代航空装备的性能水平。美空军在2010年发布的《技术地平线》中认为,下一代高效燃气涡轮动力是运用非常广泛的技术,可大幅提高下一代作战飞机、远距离打击和长航时ISR系统等的燃油效率。超燃冲压发动机、组合循环动力技术的成熟和应用使全球精确打击、快速全球机动、低成本可重复使用入轨系统成为可能。高效太阳能电池、燃料电池以及综合电力管理系统技术使全球一体化ISR能力大幅提高。
  催生新型航空平台和武器的产生。无论是发展军用远程打击和侦察系统,还是未来民用航空动力的应用,超燃冲压动力技术都将扮演重要的角色。近期超燃冲压发动机的技术成果最直接而明确的应用方向是全球打击武器(HSSW)项目,正在发展能够实施精确打击的高超声速巡航导弹。远期来看,超燃冲压发动机技术必将为ISR/打击平台的发展奠定基础,使平台能常规起降,巡航马赫数达到4,同时能够在无通信和卫星支持的情况下实现对禁入区域的渗透。
  国外下一代航空动力技术研究将重点提高发动机的经济可承受性,采用自适应、变转速等手段,以自适应循环发动机、多电发动机、变转速涡轴发动机及涡轮基组合循环发动机技术等为主要方向,充分利用预研计划、技术开发阶段工作开展部件、核心机和整机验证,逐步提升技术成熟度,降低型号研制风险,满足下一代战斗机、远程轰炸机、ISR飞机、旋翼机及高超声速飞行器的动力需求。(李东海)


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