21世纪的航空发动机

21世纪的航空发动机超高速飞行器用发动机超高速飞行器是指飞行马赫数大于4以上的飞行器。由于中低空空气密度大，飞行器高速飞行时空气与其机体产生的气动加热问题难于解决，所以其一般只在高空或高高空（飞行高度大于30公里）飞行。在这种高空高速工作状况下，燃气涡轮发动机已失去优势，必须依靠其他动力形式或与其他动力形成组合动力。超燃冲压发动机这是一种燃料可在超声速气流中进行燃烧的冲压喷气发动机（目前航空发动机的燃料都是在亚声速气流中进行燃烧的，故被称为亚声燃烧）。采用超声速燃烧的优点是：能减少气流压缩和膨胀的损失；降低气流温度和压力；减轻发动机的结构负荷。发动机采用液氢或碳氢燃料后，可在马赫数6〜25的范围内工作，并可将飞行高度延伸到大气层边缘（50〜60公里）。与火箭发动机相比，这种发动机无需自带氧化剂，使有效载荷大大增加，可作为高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨的空天飞机的动力装置。按燃烧形式，超燃冲压发动机分为扩散燃烧（燃料和氧化剂边混合边燃烧）和爆震燃烧（燃料和氧化剂预先混合后再燃烧）；按流动方式分为内部燃烧和外部燃烧。典型的型式有：亚燃／超燃双模态冲压发动机、亚燃／超燃双燃烧室冲压发动机、与飞行器机体一体化的超燃冲压发动机、组合式超燃冲压发动机等。早在上世纪50年代，国外就投入大量的人力物力进行超燃冲压发动机的研究。从90年代开始，超燃冲压发动机的研究重点转向高速巡航导弹用发动机。目前，美国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、印度、意大利等国都在发展马赫数4〜8、采用碳氢燃料、射程1000公里以上的巡航导弹用超燃冲压发动机。预计到2010年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹就将问世；到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速空天飞机有可能投入使用。在超燃冲压发动机的发展方面，俄罗斯在世界居领先地位。1991年，俄罗斯的亚燃／超燃双模态冲压发动机首次进行了飞行试验，迄今共完成了5次飞行，飞行马赫数最高达65。美国由NASA主持，在1986〜1994年，开展了X-30“国家空天飞机(NASP)”计划，进行了空天飞机的概念研究、方案设计及主要关键技术的机理研究、模型试验和数值模拟。1995N2002年，NASA在NASP计划的基础上，又开展了X-43A“高超声速-X”计划，进行空天飞机的缩比模型、飞行试验和超燃发动机飞行测试，共制造了3架试验机。该飞行器长约3.6米，首次飞行于2001年6月进行。X-43A由B-52搭载起飞，利用改进的“飞马座”运载火箭加速至马赫数3；然后由自身的冲压发动机工作5-10秒，加速至马赫数7〜10，飞行高度大于3万米。美国空军从1995年开始实施“高超声速技术计划”(HyTech),目标是一次性使用或重复使用的高超声速军用飞行器。这种导弹飞行马赫数4-8，射程1400公里；其发动机为采用液体碳氢燃料的双模态冲压发动机。最近，该计划更名为HySET(高超装置)，预计于2006年开始飞行试验，2007年完成飞行试验。从2001年开始，美国国防高级研究计划局和海军联合开展了“高超声速飞行验证计划”，为期4年。目标是发展最高巡航马赫数6、射程1110公里的巡航导弹；其发动机为采用普通碳氢燃料的超燃冲压发动机。该计划目前正在进行不同飞行状态(马赫数6.5、3.5和4)的地面试验，预计2005年完成飞行试验。法国从1985年开始液态碳氢燃料超燃冲压发动机的研究。1992年，法国政府制定了高超声速超燃冲压发动机研究计划——PREPHA计划。目的是通过地面试验，验证马赫数4-8的超燃冲压发动机的性能。该发动机的发展目标是单级入轨的航天飞机。为期6年的这项计划在相当马赫数6的速度下进行了多次试验。1999年，法国武器采购局决定延长PREPHA的研究工作，开始了为期5年的*****EE研究计划，以探讨碳氢燃料亚燃／超燃双模态冲压发动机作为一种空射型导弹动力的可行性。该计划主要研究M数18〜8的可变几何亚燃/超燃双模态冲压发动机技术。目前，M数7.5的试验已结束，正进行一个全尺寸模型的设计。1995年，法国与俄罗斯开始联合研制M数3-12的可重复使用发射器(RLV)和空间飞行器用双燃料(煤油、氢)双模态超燃冲压发动机;2000年，开始首次试验。澳大利亚昆士兰(Queensland)大学从1999年领导了一项国际合作的氢燃料超燃冲压发动机飞行试验计划——HyShot计划。2002年7月，该计划的飞行试验实现了超声速燃烧，试验马赫数达到7.6。日本从1984年开始研究超燃冲压发动机技术，已建成可模拟飞行高度35公里、飞行速度M数8的高超声速自由射流试验台，并作了大量高马赫数模拟试验。目前，日本已制定了以超燃冲压发动机为动力的单级入轨空天飞机(sso)计划。它是一种有人驾驶可像普通飞机一样起飞和着陆的能载10人的民用飞机，计划到2005年结束。此外，德国和印度也在超燃冲压发动机技术上作了大量基础性研究。印度国防部正在实施先进吸气式跨大气层飞行器(AVATAR)计划，将采用涡扇/超燃冲压发动机组合动力。超燃冲压发动机的关键技术与技术难点主要有：♦燃料的喷射、掺混、点火和燃烧；♦燃烧室的设计和试验技术；♦发动机与机体(弹体)的一体化设计；♦耐高温材料和吸热燃料。根据需要把几种发动机组合起来使用，比如：涡轮喷气＋超燃冲压发动机该发动机以冲压发动机为外壳，内置一台涡轮喷气发动机。当飞行器起飞和低速飞行时，涡喷发动机进气口打开并工作；飞行器加速到一定速度后(如马赫数大于2)，进气口关闭，此时整个涡喷发动机相当于冲压发动机的进气锥，气流绕过其外壳进入冲压发动机的燃烧室，进行超声速燃烧，冲压发动机开始工作，并将飞行器加速到更高的速度；减速时工作程序则相反。该发动机既可实现高超声速飞行，又可覆盖现有喷气发动机的大部分飞行包线，是未来大气层内以吸气式发动机为动力的高速飞行的理想动力装置。超燃冲压＋火箭发动机为了达到更高的飞行速度和高度，飞行器将在大气层与外层空间的边缘处飞行(高度50~100公里)。此处空气极其稀薄，氧含量极低，完全依靠吸入外部空气中的氧气来维持工作已十分困难，必须采取吸气式发动机与火箭发动机的组合动力装置。装备该动力的飞行器除携带燃料外，还需携带部分氧化剂。当飞行器在大气层内飞行时，以冲压发动机为动力，完全利用吸入的空气与燃料掺混燃烧；随着飞行高度的提高，吸入的氧含量越来越少，将根据需要补充部分氧化剂，发动机转为吸气＋火箭发动机的混合工作模式；随着飞行高度的进一步升高，在飞出大气层后，发动机将由吸气式转为完全的火箭发动机工作模式，为飞行器在外层空间的运动提供动力。这时必须使用高热值液氨燃料，在提供给发动机的同时，还将其用于冷却高温机体和热端部件。氧化剂既可完全依靠自带，也可利用大气层内的飞行过程，吸收并储存大气中的氧气，供外层空间飞行时使用。这种形式的发动机可实现大气层内外的往返自由飞行，是天地往返式可控飞行的优选动力方案之一。变循环涡扇发动机+冲压发动机20世纪90年代，针对高超声速运输机的动力需求，美、英、法、俄、日等国单独或合作研究了多种方案：如涡轮涵道发动机、外涵燃烧风扇发动机、超声速通流风扇发动机、变循环发动机和涡扇一冲压组合发动机等。1989~1999年，由日本政府主持、日本三家发动机公司和四家国立实验室以及美、欧四家著名发动机公司参加，共投资3亿美元，实施了超声速和高超声速推进系统研究计划(HYPPO,取得重大突破。在此基础上，又进行了一项新的计划，以为下一代马赫数5的高超声速运输机研发动力装置。这是一种组合循环发动机(CCE),由变循环涡扇发动机(VCE)和以甲烷为燃料的冲压发动机组合而成，海平面静态推力*****公斤力。装机对象是300座4发的高超声速客机。其最大起飞重量440吨；巡航速度为马赫数5，巡航高度28.3公里；航程*****公里，从东京到纽约仅3个小时，只有目前飞行时间的1／5左右。该机在起飞和着陆时，VCE的涵道比增加以降低噪声；在马赫数3以下巡航时，VCE的涵道比减小以使燃料消耗最少而具有大的单位推力：在马赫数3以上巡航时，冲压发动机取代VCE投入工作。这种高超声速客机预计2030年左右进行试飞。多(全)电发动机这是一种采用大功率整体起动／发电机、主动磁浮轴承系统、分布式控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新技术及系统的新型航空发动机(图十二)。由于取消了传统的接触式滚动轴承、滑油系统、功率提取轴、减速器和有关机械作动附件，从而大大减轻了重量，降低了成本，减小了发动机迎风面积，改善了可靠性和维修性；并能减小振动，对叶片间隙进行主动控制等。主要技术包括：整体起动／发电机多电发动机的整体起动／发电机装在风扇轴上，为飞机提供所用的大量电力。它利用电机的可逆原理，在发动机稳定工作前作为电起动机工作，带动发动机转子到一定转速后喷油点火，使发动机进入稳定工作状态；此后，发动机反过来带动电机，成为发电机，为飞机用电设备供电。采用整体起动／发电机，取消了功率提取轴和减速器，减小了发动机重量和迎风面积；所产生的电功率由两根以上的发动机轴分担，能够重新优化燃气发生器，有利于控制喘振和扩大空中点火包线，改善发动机的适用性；易于获得大的电功率。主动磁浮轴承主动磁浮轴承(AMB)是利用电磁力使轴承稳定悬浮起来，且轴心位置可由控制系统控制的一种新型轴承它包括位移传感器、控制器、功率放大器和电磁作动器。位移传感器用于监视轴的位置，并将信息传入控制系统；由其确定必要的控制信号，并送入功率放大器，转变为电磁作动器的增大电流，使旋转轴位于轴承作动器的中心。主动磁浮轴承具有无磨损、无需润滑、寿命长、转速高、无噪声、无污染、运行成本低、安全性高和振动小等许多优点。用主动磁浮轴承系统代替传统的接触式滚动轴承、润滑系统和机械（液压、气压）,作动系统，能够大大减少发动机的零件数，从而大大减轻系统的重量（预计大型航空发动机可减重10%〜15%）,降低复杂性，改善可靠性和维修性，降低成本，免除普通发动机滑油带来的着火危险；由于磁浮轴承能承受更高的温度（550〜600度），因此可设计得离燃烧室或涡轮更近，使发动机的结构更紧凑；另外，采用主动磁浮轴承可以减少振动，改善发动机的转子动力学特性。磁浮轴承不仅可进行主动振动控制和叶尖间隙控制，还可进行状态监视。图十三为美国为多电发动机发展的高温主动磁浮轴承。由于高温主动磁浮轴承是机电一体化的高新技术产品，涉及机械技术、电子技术、传感技术、控制技术和计算机技术等多个技术领域，存在很多技术难点，因此是国外多电发动机技术发展的重点。分布式控制系统目前航空发动机所用集中式全权限数字电子控制系统（FADEC）的所有控制处理和计算以及输入输出信号的滤波和处理，都通过一个FADEC装置实现。多电发动机分布式控制系统的数据总线与系统中多个灵巧作动器或传感器相连。每个灵巧作动器或传感器都具有一定的处理功能，可执行当地的功能。采用分布式控制能大大减轻航空发动机的重量；提高其可用性；改善故障隔离特性；减少寿命期成本；减轻驾驶员的工作负荷；改进发动机的控制等。采用分布式控制系统的大型民用发动机，预计重量可减轻50公斤左右；维修成本可减少20%〜30%。电动燃油泵电动燃油泵是多电发动机的重要部件。目前航空发动机的主燃油泵均为固定排量的齿轮泵。这种燃油泵可靠性很高，但由于齿轮泵转速与发动机转速直接相关，因此在有些飞行状态下，齿轮泵所提供的燃油远远高于发动机所需的燃油量。为解决这个问题，大量的燃油要重新流回燃油箱。结果是燃油的温度升高，必然对其进行冷却，以防止燃油系统超温。由于具有智能控制器的电动燃油泵转速与发动机转速不相关，因此可根据发动机的需要调整转速，提供其所需燃油且无需燃油流回。这样可减轻系统的重量。电力作动器电力作动器也是多电发动机的重要部件之一。因传统航空发动机所采用的液压作动器始终有泄漏，故当发动机系统性能下降时，总难以判断是否液压作动器的泄漏造成。采用电力作动器则很容易进行故障识别。这是因发电机和功率电子设备都传递自己的信号。此外，传统机械液压作动器的拆除非常麻烦；而电力作动器的拆除非常简单，只需断开电路，拧下与作动器连接的螺栓即可。鉴于多（全）电发动机的优越性，美国和欧共体在20世纪90年代先后实施了多（全）电发动机计划。美国主要在多（全）电飞机（MEA）计划和发动机IHPTET计划下组织实施。NASA刘易斯研究中心和陆军研究实验室还有一项专门的多（全）电燃气涡轮发动机计划。欧共体五国（英、法、德、奥地利和瑞士）在1998年启动了航空涡轮机主动磁性轴承（AMBIT）计划。特种用途的超微型发动机特种用途发动机主要是指微型无人机用的超微型发动机，包括微型活塞式柴油发动机、以燃油或氢为燃料的微型涡喷发动机、微型线性电动机等。这些微型动力大多基于微机电技术（MEMS）、纳米技术、量子技术制造。其共同特点是：小巧紧凑；功率密度大；转速高；重量一般不超过10克；尺寸在几毫米至十几毫米之间；功率为几瓦至数十瓦（推力十几克），主要装备尺寸在15厘米以下的各种微型飞行器。微型动力被广泛用于远距离传感、通信中继、电子干扰、检测生化武器以及近距离作战等。美国于1997年开始实施微型飞行器(MAV)计划，先后进行了“黑寡妇”、“克里卜里”、“微星”、“微船”等微型飞行器的开发。其中动力开发重点是超微型涡轮喷气发动机。超微型涡轮喷气发动机是一种基于微机电技术(MEMS)、纽扣大小的燃气涡轮发动机。它利用半导体制造技术，由多层硅片叠堆而成，包括压气机、燃烧室、涡轮、喷管等几大部件。其工作原理与传统的燃气涡轮发动机相同。两者最大区别是：尺寸特别小；转速特别高；燃烧时间短；设计、加工制造比较困难。超微型涡轮喷气发动机除用于超微型飞行器动力外，还可用于机翼和环流主动吹风控制器、射流控制器、便携式电源、微型空调以及电子设备等。据报道，美国麻省理工学院(MIT)于1994年开始这种发动机的研究；2000年首台验证机地面台架运转；2001年基准微型涡喷发动机进行了地面试验和空中试飞。该微型发动机由6层硅片叠堆而成。压气机和涡轮均为径向离心式。轮缘切线速度为500米／秒，转速高达每分钟240万转(常规发动机转速只有每分钟*****〜*****转)。发动机外径12毫米，长3毫米，和一颗衬衫纽扣大小差不多。发动机进口空气流量为0.15克／秒(相当116毫升／秒左右)，比正常人一次呼吸吸入的空气量还少。其燃烧室出口温度高达1600K；功率输出16瓦；推力12〜13克力；重量1克；燃油消耗量为7克／小时。该发动机计划用于美国国防部预研局研制的翼展127毫米、重量50克、飞行速度57〜114公里／小时、航程60〜120公里的微型无人机上。俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)也在研制“象指甲盖大小的超微型涡轮发动机”。由于小尺寸流动机械的气动损失和传热问题很大，燃烧时间过短零件的加工制造困难，因此会带来一些技术难题：♦燃烧问题；♦空气轴承和转子动力学；♦内部传热；♦制造；♦发动机部件的连接技术。新能源航空发动机无需空中加油使飞机在空中长时间飞行是航空师的一大梦想。为此，有两种途径可供选择：一是利用高能燃料替代传统的航空煤油；二是利用电能、核能、太阳能等新能源。这些新型能源具有环保无污染、储量充足等优点。以该类能源为动力的飞行器能不着陆长航时不间断巡航飞行；人员与物资的转运、补充则通过短距转运飞行器实施；从而形成重要城市及洲际的环球定期航班；并可作为高空无限航时的侦察、通信中继、环境监测、气象观察等军民用飞行器的动力装置，部分代替卫星的功能。若在一些关键技术和原理上取得突破，新能源动力发动机很有可能在本世纪航空动力技术上占据重要的一席之地。目前各国陆续开展的多种新能源航空发动机的研究主要有：氢燃料发动机氢燃料按重量计热值是煤油的2.78倍，且燃烧时不产生碳氧化物和烟尘，氮氧化物比煤油燃烧时少2／3。因此，用液氢作航空燃料具有热值高、飞行时间长或有效载荷大、环保性能好等优点，特别适用于运输机和民航旅客机。缺点是液氢密度小（为煤油的1／12）、体积大、工作温度低（-253度）、成本高、运输和储存困难。对此，美、俄、西欧已进行了多年研究，目前正在半商业性试验。据欧洲空客公司预测，2004年欧洲生产的飞机将大规模采用液氢燃料。液态天然气燃料发动机全球的天然气储量比石油大（可开采100-200年）。液态天然气燃烧时产生的碳氧化物、氮氧化物和烟尘比煤油少，而沸点和密度比液氢高，由低温和容积引起的技术难题比液氢容易解决。因此，液态天然气可作为一种过渡性燃料。太阳能发动机是利用太阳能电池组，将光能转变为电能并通过电动机带动螺旋桨使飞机在高空飞行的动力装置。目前美国正在研制的太阳能无人机“太阳神”号，以二次高能电池和太阳辐射能为动力该机机翼和安定面上装有*****片硅太阳能电池；共有14个推进器，在理想的阳光照射下输出功率达到40千瓦。“太阳神”号于2001年7-8月进行了试验飞行。其最大飞行高度29公里，留空时间18个小时。燃料电池电动发动机燃料电池可将燃料的化学能直接转变为电能，再通过电动机驱动螺旋桨或旋翼。燃料电池由燃料、氧化剂、电极、电解液四部分以及控制等系统组成。燃料主要有烃类、天然气、氢、甲醇等。燃料电池的工作原理与一般电池类似，都是通过电极上的“氧化一还原反应”使化学能转变为电能。它们的区别在于：一般电池的反应物质是预先放在电池内的，一旦这些反应物消耗尽，电池就不能继续供电；而燃料电池的反应物质是在电池之外的，当燃料和氧化剂连续输入电池时，就可源源不断地发出电来。由于电动飞机不依赖石油燃料，没有一氧化碳和二氧化碳排放，红外辐射极小，无污染、无噪声，有利隐身。2002