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1、自适应循环发动机ACE 意为王牌，但 ACE 也是 Adaptive Cycle Engine 的缩写，意为自适应循环发动机。这是美国空军研究实验室（Air Force Research Lab，简称 AFRL）的一个研究项目，用于推动变循环发动机。在原理性的 ACE 计划之后，AFRL 进一步推动 ADVENT（Adaptive Versatile Engine Technology，意为自适应灵活发动机技术）计划，研究变循环发动机的实用化问题。现在 AFRL 更进一步，启动 AETD（Adaptive Engine Technology Development，意为自适应发动机技术研发）计
2、划，要求通用电气、罗尔斯罗伊斯和普拉特惠特尼提交实用级变循环发动机，基准推力和几何尺寸以 F-35 发动机为参考。现代战斗机通常采用涡扇发动机。涡扇发动机在涡喷发动机的基础上增加了风扇，风扇压缩空气后，一部分通过核心 发动机，和燃料混合燃烧后，膨胀产生压力，形成高温高压燃气，向后喷射而出，形成推力；另一部分从与核心发动机同心的环道绕过核心发动机，直接和核心发动 机喷出的高温高压喷气混合，形成合成的推力。同心环道成为外涵道，核心发动机就成为内涵道，外涵道和内涵道的空气流量之比成为涵道比，也称流量比或者旁通 比。涡桨相当于涵道比无穷大的涡扇。外涵道的旁通空气流量是涡扇的全部奥秘所在。涡扇发动机的典
3、型结构图涡扇发动机的推力可以表示为：F=（m _核心发动机+m _燃油 ）V_核心发动机+m _风扇 V_风扇-m _进气 V_进气其中 F 为推力，m _核心发动机为核心发动机的空气流量，m _风扇为风扇排气流量，m _进气为进气空气流量，m _燃油为燃油流量，V_核心发动机为核心发动机喷气速度，V_风扇为风扇排气速度，V_进气为进气速度。如果不考虑进气的动能，则有：F=（m _核心发动机+m _燃油 ）V_核心发动机+涵道比m _核心发动机 V_风扇其中涵道比为 m _外涵道/m _核心发动机。涵道比为零的话，涡扇就退化为涡喷。在一定的燃烧条件下，完全燃烧时空气和燃油是有固定比例的，可以看
4、作常数，如果油气比为 m _燃油/m _核心发动机，那样就有：F=(1+油气比) V_核心发动机+涵道比V_风扇 ) m _核心发动机换句话说，推力和涵道比成正比，增加涵道比可以大幅度提高推力，民航涡扇发动机的涵道比动辄达到8以上。另一方面，油耗为：油耗=m _燃油/F=油气比/(1+油气比) V_核心发动机+涵道比V_风扇 )也就是说，油耗和涵道比成反比。油耗或者推力与喷气温度和速度的关系就不那么直观。但是间接地看，涡扇使得喷气温度降低是增加涵道比的结果，喷气温度也是一样，而涵道比增加使得推力增加、油耗降低。实 际情况要更复杂，还有进气动能的问题。随着速度的提高，进气本身的 m _进气 V_
5、进气提高，导致发动机实际推力下降。最终的喷气速度为：V_喷气=(（m _核心发动机+m _燃油 ）V_核心发动机+m _风扇 V_风扇)/m _喷气由于 m _风扇+m _核心发动机=m _进气， V_喷气=V_进气的时候，除了抛射相当于燃油质量产生的反作用力外，发动机不再产生推力。也就是说，此时涡扇发动机相当于火箭发动机。不幸的是，增加涵 道比将降低喷气速度，限制了涡扇对高速飞机的使用。另外，增加涵道比需要增大风扇，这增加了发动机的迎风阻力，也有害于高速飞行。所以战斗机涡扇发动机通 常都采用低涵道比。1968 年开始研制的普拉特惠特尼 F100 是第一代成功的低涵道比涡扇发动机，采用了单元体
6、、单晶叶片等先进技术，1969 年 7 月验证机首次运转，1970 年 4 月获得美国空军的选用，1972 年 7 月 24 日，装用 F100 发动机的 F-15 首飞，1976 年 1 月开始作战使用。由于冷战军备竞赛的压力，F-15 战斗机需要抢先投入使用，扭转苏联米格-23 等新一代战斗机投入使用后对中欧美国空军造成的压力，F100 没有经过适当的成熟化就投入使用，早期 F100 的可靠性十分糟糕。F-15 曾经大面积停飞，严重影响了战斗力。与此同时，单发的 F-16 也选用 F100 发动机，是美国空军对发动机可靠性问题更加忧心。但普拉特惠特尼处于事实垄断的地位，成为美国空军高低两端
7、第三代战斗机发动机的唯一供应来源。在军方拨款不到位的情况下，普拉特惠特尼对美国空军关于改善可靠性和增加推力的要求百般推托。1979 年，美国国会在密集听证之后，决定拨款启动第二发动机供应来源，指令通用电气在 B-1 轰炸机的 F101 涡扇的核心发动机基础上，研制 F101 涡扇发动机。F100-PW-100 发动机在 F-15 服役后，尾喷管整流片被全数拆除以简化维护B-1B 使用的 F101-GE-102 涡扇发动机结构图通用电气在和普拉特惠特尼竞争 F-15 的发动机时落选，但研制的 F101 涡扇发动机成为一代经典，其核心发动机不仅成为 F110 的基础，也成为民航世界中高度成功的 C
8、FM56 的基础。在美国的两大发动机公司之间，普拉特惠特尼比较善于短平快，用较低风险抢先推出适用的高性能发动机；而通用电气走豪华路线，追求技术完美和超前，技术风险较大，也经常后发一步。从 80 年代初开始，通用电气开始在 F-16 上进行装用 F101 的试验，试验数据大量用于改进设计，这就是后来高度成功的 F110。CFM56系列民用发动机是当今世界销量最好的发动机通用电气的 F110 发动机在 1985 到 1990 财年之间，美国空军在通用电气 F110 和普拉特惠特尼 F100 之间竞争招标。F-15 从 F-15E 开始，可以和 F100 或者 F110 相容，但美国空军所有的 F-
9、15 上统统使用 F100，只有韩国和新加坡的 F-15E 使用 F110。F-16 从 Block 30 开始，可以和 F100 或者 F110 相容，发动机大战主要围绕 F-16 的发动机进行。1985 财年，美国空军订购了 160 台发动机，其中 F110 为 120 台，F100 为 40 台，通用电气占 75%；1986 财年，F110 为 184 台，F100 为 159 台，通用电气占 54%；1987 财年，F110 为 205 台，F100 为 160 台，通用电气占 56%。普拉特惠特尼从事实垄断一变为屡居下风，直到 1988 财年之后才扭转，F110 为 147 台，F1
10、00为 181 台，普拉特惠特尼占 55%；1989 财年，F110 为 100 台，F100 为 159 台，普拉特惠特尼占 61%；1990 财年是发动机大战的最后一年，F110 为 39 台，F100 为 70 台，普拉特惠特尼再占上风，为 64%。6 年中，通用电气夺取 51% 的订单，普拉特惠特尼 49%。美国总审计署估计，竞争节约了 30% 的累计采购费用，并节约了 16% 的累计运行和支援费用。全寿命成本降低则为 21%。在 ATF 时代，洛克希德 YF-22 和诺斯罗普 YF-23 竞争，普拉特惠特尼 YF119 也和通用电气 YF120 竞争。竞争结果是洛克希德 YF-22
11、和普拉特惠特尼 YF119 获胜，成为 F-22 战斗机和 F119 发动机。说起来，一贯追求技术先进的美国空军在 ATF 竞标中选择了技术风险较低的选手，而不是技术上更加超前的 YF-23 和 YF120。普拉特惠特尼 YF119YF120普拉特惠特尼 F119 尽管采用了大量最先进技术，但还是常规的低涵道比涡扇发动机。为了降低迎风阻力和提高高速推力，F119 采用了很低的涵道比，实际上使得高亚音速巡航不具有多少油耗上的优越性。F-22 的加莱特进气口也是为超音速巡航而优化的。通用电气 YF120 是更加先进的变循环发动机。如前所述，涡扇由于外涵道的气流降低了喷气的温度和速度，提高了热效率，
12、能产生更大的推力和获得更低的油耗，对于起飞、巡航、 待机和亚音速加速尤其有利。但在超音速飞行时，即使不考虑涡扇迎风阻力较大的问题，降低的喷气速度也使得有效推力降低，涡喷对超音速飞行就比较有利。理想 的战斗机发动机应该在低速时体现涡扇的特性，在超音速时体现涡喷的特性，这就是所谓变循环，YF120 正是第一台实现了这样理想的战斗机发动机。YF120 是第一台变循环的战斗机发动机YF120 采用活门控制，可以打开外涵道，实现涡扇功能；或者关闭外涵道，实现涡喷功能。有意思的是，YF120 有两组活门，一组把低风扇的排气分流一部分到外涵道，另一组把高压风扇的排气分流一部分到外涵道。这是一个很巧妙的设计。
13、常规涡扇只有低压风扇，采用尽可 能大的外涵道。这不光使得迎风面积增大，还使得驱动低压风扇的低压涡轮承受极大的载荷。如果低压涡轮妥善设计，这本没有问题，问题出在变循环发动机的低压 涡轮需要在涡扇状态把喷流的动能大量转换成驱动风扇的机械能，而在涡喷状态尽量少吃掉喷流动能，只转换足够驱动低压压气机的机械能。这样截然不同的工作状 态使得低压涡轮的设计十分纠结，需要采用复杂的变距低压涡轮来适应高度变化的负荷情况。但高压涡轮分担一部分转化为机械能的任务的话，可以为低压涡轮卸 载，有利于简化设计。另外，高压风扇引出气流增加外涵道压力，可以等效为增加外涵道面积，提高涵道比。YF120 有两组旁路活门不过 YF
14、120 在涡喷状态时，高压风扇后引出的主外涵道关闭，但低压风扇后引出的可调外涵道并不完全关闭，而是维持一股很小的气流。这是十足通用电气特色的“漏气涡喷”，外涵道气流不产生实质性的推力，只是用于冷却核心发动机的机匣。通用电气 YJ101 就是这样一种“漏气涡喷”，由 YJ101 发展而来的 F404 也保持了这个特色。F404 是 GE 的经典之作通用电气 YF120 的具体技术指标一直没有公布过，但一般认为推力、油耗等关键性能优于普拉特惠特尼 YF119，但技术上过于超前，风险较大。为了控制 ATF 的风险没有选用是正确的，继续研发作为 F-35 的第二发动机来源也是正确的，不仅有利于充分利用
15、已经研发的先进技术，促进竞争，也有利于保持航空工业基础。1996 年，美国以 YF120 为基础，开始研发 F136，通用电气和英国罗尔斯罗伊斯负责研发。通用电气的 F136 在 1995 年到 2009 年之间共得到 24 亿美元拨款，其中 17 亿用于 2005-2009 年的 SDD 阶段。从 1997 年开始，F136 得到全额拨款，进入全速研发。F136 预计从 2011 年开始，装上 F-35 试飞。研发预计在 2013 年完成，计划在普拉特惠特尼 F135 投产的 4 年后投产，形成择优采购的格局。1999 年，美国国防部明确了“直接换装”的要求，要求 F135 和 F136 在
16、外形尺寸和安装要求上完全统一，可以不需更改直接换装 F135 或者 F136。由于和 STOVL 相关的部分（升力风扇、滚转臂喷口、三段式转向喷管、传动轴和离合器等）在 F135 和 F136 之间共用，这部分投资都算入 F135 计划，F136 因此投资相应减少，发动机样机制造数量和测试量也相应减少。F136 结构图在 2006 年，布什政府提议中止 F136 的研发，被美国国会驳回。此后连续 5 年，美国国防部每年都要求终止研发 F136，都被美国国会驳回，强令继续研发。在 2008 年金融危机后，财政拮据对国防预算造成空前压力，奥巴马和盖茨都强烈反对继续研制 F136 的计划，奥巴马甚至威胁，要是国会强加 F136 拨款，将否决整个国会拨款案。在 2010 年和 2011 年的预
