GE的野望——美国下一代战斗机发动机

万磁王

　　在两排导向叶片间，还有一排外侧FLADE风扇叶片呈放射状连接在第二级主风扇叶片上，这就是“叶片上的风扇”这一名称的来源，进气经过FLADE风扇的压缩加速后再进入FLADE涵道。

US 005/0081509号专利申请中GE绘制的发动机剖面图

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可变几何设计的特点

　　环形FLADE涵道包裹着发动机核心和主涵道，此外还配备了可变截面的FLADE气流喷嘴来控制进入主涵道末端的第三涵道气流。
　　FLADE发动机还具有其他可变几何特点，如可变截面风扇定子，可变截面旁通引射门，以及一个“单边膨胀斜面引射器”，控制着风扇段和主涵道的气流进入尾喷管。
　　GE航空使用FLADE可变几何风扇设计在其ADVENT发动机内部产生第三涵道气流，并且在发动机其他地方也采用了FLADE可变几何设计。该公司一份内部白皮书中确认FLADE设计在控制核心气流和外涵道气流比例上面能满足所有性能目标。
　　GE表示在其ADVENT发动机中，FLADE设计已被证明“在高速飞行条件下能有效保持流量（不溢出任何发动机-进气口进气）”，这种发动机有很宝贵的超巡应用潜力，“在整个飞行包线内，较冷的气流能使发动机不受限制地运行。”而且，第三涵道气流是“冷却喷管硬件，从而增强部件耐久性的源泉。”
　　麦考密克指出：“AETD的FLADE设计由于受到AETD的尺寸限制会有所不同，但从技术的角度看，AETD和ADVENT的FLADE具有相同的概念和基本特征。”
　　如同其ADVENT发动机一样，GE的AETD也会把FLADE技术使用在“风扇的其他级上，在其他方面帮助完成自适应循环。”

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其他方面设计

　　GE的AETD发动机有三级风扇，这点和该公司的F136相同，但相同点也就仅此而已。麦考密克说，不仅自适应循环风扇能产生第三涵道气流，而且“AETD核心机是全新的，如果你仔细端详AETD发动机的核心机，就会发现它和F136的核心机大为不同。”这种AETD发动机的压缩机“与LEAP涡扇的压缩机有很大渊源，虽然派生自LEAP压缩机的一种早期版本，但与前者同属高总压比压缩机家族中的一员。”

GE的F136发动机原型机

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　　他补充说：“AETD的压缩机经过了修改并且为战斗发动机循环所需的压缩比进行了优化，同时还要考虑到与军用相关的方面，如间隙。由于为军用环境设计的发动机与商用发动机截然不同，因此，虽然AETD的压缩机与LEAP的属于同一家族，但的确为军用发动机循环做了优化。”

LEAP发动机的压缩机

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　　AETD发动机的压缩机不像LEAP那样有10级。麦考密克说：“级数比这少，但我们不能透露细节或具体级数。与传统军用发动机相比，这种压缩机的压缩比更大。”
　　他还证实了压缩机会采用叶盘设计（转子叶片和轮盘设计成一个整体），“不仅仅在GE，今天对大多数人来说叶盘已经不稀奇了。我们发动机的多数压缩机级都采用了整体叶盘。”

GE AETD设计的正面

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陶瓷基复合材料

　　麦考密克表示，GE航空集团在其AETD设计中的静态和旋转部件上都采用了陶瓷基复合材料（CMC）。“目前在旋转部件上，CMC材料仅限于使用在第二级低压涡轮（LPT）叶片上。”
　　GE是所用厂商中第一个决定使用CMC制造旋转叶片的。2014年12月，GE给一台F414验证发动机（F/A-18E/F“超级大黄蜂”和EA-18G“咆哮者”的发动机）的第二级LPT旋转级装上了CMC叶片并进行了成功测试。
　　GE让验证发动机在模拟推力更大的F135发动机运行压力下进行了500次耐久循环。在耐久测试结束后，GE发现CMC叶片完全承受住了高压力测试。这种叶片无需冷却，而且重量仅仅是镍合金叶片的1/3。

GE制造的CMC叶片

GE制造的CMC硬件

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　　麦考密克说：“CMC叶片成熟后才能满足要求，但我们已经证明了旋转CMC叶片的性能，这是一个重要里程碑。”
　　GE航空集团很可能在其AETD设计的高压涡轮（HPT）喷嘴上也使用了CMC材料。杰夫·马丁说：“在发动机上，找不到比高压涡轮喷嘴要承受更大温差的部件了，而且我们在ADVENT和台架试验上已经获得了许多成功。我们计划在即将问世的新一代商用发动机上采用HPT喷嘴，就像GE9X一样。ADVENT采用了一个全CMC材料制造的定子，在其HPT喷嘴上，我们在需要控制温度的表面进行气膜冷却。”

ADVENT低压涡轮上安装的CMC叶片

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　　马丁透露：“当时我们并不确定CMC喷嘴能否经受住考验，于是在ADVENT上进行了一次台架试验。我们在那次台架试验中无意犯了一个错误，居然在喷嘴前缘没有任何冷却措施的情况下让发动机运行了一个多小时……测试结束后CMC材料看起来仍是崭新的。虽然前缘的所有陶瓷涂层都融化了，但材料本身看起来毫发无伤。因此，这些测试和数据确认CMC材料是非常强壮的。”

CMC材料的应用范围

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第六代战斗机的发动机

　　没人知道日后美军会不会把自适应循环发动机装在F-35上。麦考密克承认，对老式发动机进行升级早已被证明是战斗机生产中逐步改进的成功之道。不过他表示，AFRL希望未来发动机在航程、加速性和热管理方面的“改变程度”可以使战斗机在整个飞行包线中不受操作限制，这就必须研制三涵道气流自适应循环发动机，而且这种发动机还可能安装在未来的F-35生产型上。

F-35换发后性能将有所提高

　　麦考密克说洛克希德·马丁公司已经“评估了在F-35上安装我们的AETD发动机”，并给予GE“极高评价……我们能够满足他们对于发动机推力、燃油效率和热管理能力的预期要求。”
　　但是，包括美国空军和海军在内，没有人能确切知道对F-35战斗机的未来作战要求。只有在GE和洛克希德·马丁公司证明了自适应循环发动机“足以改变游戏规则”后，他们才会有动力为F-35换装这种发动机。
　　麦考密克说，在未来军用甚至是超音速民用飞机上使用自适应循环发动机的一个重要考虑是“自适应循环发动机的架构和核心机尺寸可伸缩性非常大。”
　　“目前，F-X和F/A-XX项目的许多研究正在进行中，这两种飞机很可能采用双发而不是单发布局，这将意味着需要一台尺寸更小的发动机……我们已经在AETD上做了一些研究，研究如何缩放我们的核心机。”
　　“我们打算在AETP项目中做更多的工作来研究发动机的尺寸可伸缩性，特别是在核心机上面。”

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飞机与发动机集成

　　马丁表示，通常说来，第六代战斗机发动机的设计和技术取决于“飞机将要做什么。”无论是未来飞机要“在干推力下飞得很快还是开加力才能飞得快，这将决定发动机的架构。”
　　不过，“已经明确的是，第六代具有上一代战斗机所不具备的一个特点，那就是第六代战斗机的推进系统要与飞机高度集成。”，其中包括喷管。

在未来，推进系统将与飞机高度集成起来

　　“从电力系统和热管理系统角度看，与过去相比，所有的这些系统都必须和推进系统更加集成，因为你已经买不起一种系统分立设计的飞机了。”
　　因此，未来美国战斗机上的所有系统设计都将要密切集成起来。马丁指出：“我们认为现在飞机上由不同子系统实现的许多功能存在成本和重量问题。发动机是飞机上最高效的能量发生器，那么，为什么不用它来满足飞机所有的能量需求呢？”
　　“我们认为下一代飞机将是兆瓦级功率需求，所以需要弄清楚如何做到这一点，我们正在努力提出解决方案。”
　　根据马丁的说法，GE拥有一个良好的开端，“我们的ADVENT发动机已经展示出相当巨大的热容量。根据设计要求，AETD发动机的热容量将比ADVENT少一点，但仍相当可观。”
　　他补充说：“在冷却发动机的制冷空气方面，要用到第三涵道的气流，而且第三涵道气流也增加了额外的热容量，有助于降低飞机的热负荷。但冷却飞机系统所需的设计肯定是复杂的。”
　　“你可以想象一下，你正在强大推力的推动下以中等马赫数的速度飞行，电子设备的工作在70度的环境中，进气口温度270度，此时你就面临着极端的热管理问题……我们在这方面持续进行了大量研究。”
　　“我认为真正的突破口将是系统集成，但是这需要去更好地去了解如何实现……一旦成功，推进系统将是高度集成化。”
　　“我已经向业界的家伙们鼓吹了四年这个观点，我说我们真的需要坐下来一起开始研究如何去设计一架集成化的飞机。”
　　AFRL已经认识到了这方面的需求。所有迹象都表明该机构下一阶段自适应循环发动机研究的重点将集中在——寻找把机身和系统与自适应循环发动机集成起来的最佳方法，这些研究包括AETD、AETP，以及一项可能的新项目——“空中优势自适应推进技术”（ADAPT，GE认为该项目的目标是使新技术进一步成熟起来）。