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美军研未来战机发动机 采用增压燃烧技术油耗降低15%

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爱不可及 发表于 2018-2-11 16:17 | 显示全部楼层 |阅读模式

美军研未来战机发动机 采用增压燃烧技术油耗降低15%





美国空军目前正在进行先进推进系统的研发验证项目,其重点是针对能量管理和应用于各个领域的发动机的“颠覆性”技术,其应用将涉及未来战斗机、直升机、高超声速导弹和无人机等。例如,美国空军实验室(AFRL)的“经济可承受的先进涡轮技术”(ATTAM)项目。自从该项目在2016年首次公布以来,AFRL一直在关注大量的先进技术领域,为第一阶段研发做准备,希望在2018年1月发布项目需求意见书。

  ATTAM是“经济可承受多用途先进涡轮发动机”(VAATE)项目的延续,旨在为第七代航空发动机开发所需的技术,先进性和经济可承受性是ATTAM项目的两个重点。

  ATTAM项目第一阶段将持续到2026年,目标是将发动机的燃油效率在目前的基础上增加10%~30%,从项目一开始就将动力和热管理技术加以综合考虑,通过增压燃烧等技术将推进效率提升10%~25%,同时降低研发制造和维修支持成本。AFRL表示,根据美国空军的未来推进系统发展计划,ATTAM项目着重基础和应用方面的研究,重点应对以下四大挑战。

  一、整合推进、动力和热管理技术

  在推进、动力和热管理方面的新技术能够提高系统的功率和热管理效率,为多种型号的发动机创新奠定基础。具体的技术目标之一是发展新型自适应发动机验证机。

  与GE公司的自适应发动机(AETD)项目和普惠公司的XA100/101自适应发动机项目采用三涵道方式改变外涵道低压气流循环不同,新型验证发动机的理念是改变流经发动机核心机的高压气流。AFRL表示,最初的研发重点是发动机部件,同时注意降低核心组件研发风险以及发动机验证机测试的风险。

  这一领域还包括在现有自适应发动机的基础上,评估先进涡轮发动机的系统整合与控制技术,评估先进亚声速和超声速发动机概念在一体化推进、动力与热管理验证计划下的效能。技术整合的另一个关注点是推进、动力与热管理中的电子技术研究,以及相应的热管理系统研发项目。

  二、中小型发动机技术

  AFRL表示,小型和中型发动机技术包括涡轴、中小型涡喷和涡扇发动机,其级别是推力小于89kN的喷气发动机或功率小于7500kW的涡轴发动机。相关技术应当提升发动机性能,能够在多种飞行状况和马赫数下运转,适应未来的导弹和空中作战平台打击时间敏感目标的任务需求。

  这方面的主要计划是“高效小型动力”(ESSP)项目,发展先进的发动机核心组件,制造推力4.5kN以下的喷气发动机、功率约750kW的涡轴发动机;另外还将同步研究发展“高效中型动力”(EMSP)项目。

  其他的中小型动力项目包括发展经济可承受的亚声速和超声速涡轮发动机,亚声速发动机方面主要是降低飞行和维修成本、提升性能,并使用新材料和涂层技术;而超声速发动机方面将以涡轮冲压组合发动机为主,但并不局限于此,要研发更好的热管理系统、进气口和喷嘴、润滑系统,引入先进材料和制造工艺。

  三、发动机装备的经济可承受性技术

  相关研发目标包括增强经济可承受性、装备可用性和提升当前的、发展中的和未来空战平台的作战效能。新型推进技术要做到环保和高效费比,部件和发动机整体性能、可操作性、耐久性、故障诊断和预防、燃油和润滑性能等都要提升。这方面的关键领域包括“先进发动机支持技术”(AEST)项目,关注点是安全、耐久性和降低成本,涉及的研究内容包括如何提升部件和涂层的耐久性、降低重量以及研究一整套预测分析和故障诊断方法,如新的物理模型、转子动力学和健康预测管理。

  相关项目如“目标寿命设计系统”(TLDS)将成为新型发动机的设计方法,更好地满足全生命周期的维修支持需求。其他研究领域包括发展验证下一代推力增强系统,提升现有加力燃烧系统的性能。实现这一目标要求美国空军能够创新研发体系结构,以及强化诊断和测试能力,使空战平台的作战包线更为宽广。

  在“战场空间燃料计划”(BF)之下,美军还要研发和验证先进的燃料系统,其技术领域包括提升飞机的燃料热稳定性、实时监控燃料的健康状况、解决高马赫数飞行平台的燃料散热问题、提升燃料的能量密度以解决飞行平台油箱容量受限的问题。

  四、发展“革命性的技术”

  AFRL表示,这些革命性的技术能够从根本上提升发动机热效率和推进效率、降低成本、缩短飞抵目标的时间,还能提升功率和热管理的效率。例如,高马赫数涡轮发动机技术可用于高超声速飞机和导弹的涡轮基组合循环发动机;涡轮电力推进系统的研究将与相关军用飞行平台整合,支持在未来的空战平台上装配定向能武器;而混合动力系统、混合动力控制和高效动力分配系统也都是重点研发领域。

  在“极高效率发动机”项目(VHEE)之下,AFRL将进一步研究高压比压气机、一体化动力与热管理、自适应循环结构和先进轴承等。尽管没有太多细节公布,但是这是AFRL近期完成的“高效嵌入式涡轮发动机”(HEETE)的后续项目,而HEETE目标是为推力级别为89~156kN的下一代亚声速发动机研发高温高压压气机技术。

  增压燃烧技术是先进动力概念的另一核心技术,与脉冲爆震和旋转爆震发动机技术同等重要,许多防务领域制造商都在加速进行该项技术研究。作为ATTAM概念的一部分,该技术在未来将有广泛的应用领域。

  与传统的布雷顿循环发动机相比,增压燃烧能够提升潜在的热效率和推重比,在燃烧室和发动机核心组件的燃烧过程中产生压力增益,而不是压力损失,能够降低油耗15%。ATTAM项目研究将进一步整合与主推进、加速、主燃烧和发电相关的增压燃烧技术。

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