未来的可变发动机

万磁王

　　这六个粗大的管子叫涡轮旁路管道，它们起自 J58 的第四级与第五级压气机之间，终于涡轮后面、加力燃烧室之前。在活门的作用下，这些涡轮旁路通道使得 J58 得以在涡喷和冲压发动机模式之间转换。下面根据一张 J58 的剖视示意图来具体谈谈这个变循环是如何实现的：

　　上图中发动机上方的管路就是涡轮旁路通道（Compressor Bleed Air Bypass Turbines）。这个通道在第四级和第五级压气机之间与发动机通过内部排气活门（Internal Bleed）连接、然后终止于加力燃烧室（Afterburner Section）。在内部排气活门（Internal Bleed）后面的外部排气活门（External Bleeds），其作用是调节涡轮旁路通道中的气压。
　　当黑鸟在低速飞行时，内部排气活门关闭，压气中所有气流进入主燃烧室，以典型的涡轮喷气方式工作。
　　当黑鸟以三倍音速飞行时，内部排气活门开启，前四级压气机中的一部分气流通过内部活门进入涡轮旁路通道，直接进入加力燃烧室。这些经前四级压气机压缩的空气在加力燃烧室中为加力燃烧室喷出的燃料提供燃烧的氧气，从而使 J58 以压气机辅助冲压发动机方式工作。

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　这种变循环方式能否在未来继续发展呢？
　　PW 在 J58 基础上，有两个发展方案：继续使用涡轮旁路通道和可变流控制。
　　下图是继续使用涡轮旁路通道的方案示意图：

　　这应该是在 J58 基础上进一步提高冲压模式效率的努力，因为涡轮旁路通道处于所有压气机之后，使得进入加力燃烧室的进气有更高的压力。
　　值得注意的是图中特别在左下角注明了可变压气机（Variable geometry compressor），这也是ACE适应性循环发动机非常重要的变循环手段。
　　下图是可变流控制方案：

　　这个方案把一根一根管状的涡轮旁路通道用一个结构简单的外涵道代替，而且直接在外涵道设置了燃烧室。这个外涵道燃烧室在图中用右起第二组文字注明为低排放涵道燃烧室（Low-emissions duct-burner）。
　　同样值得注意的，是图中特别在左下角注明了可变风扇（Variable fan），这仍然是 ACE 适应性循环发动机非常重要的变循环手段。
　　我对这两个方案的看法，可以用四个字来概括：锦上添花。
　　首先，上述两个方案完全可以在现有发动机技术上开发出来，使现有发动机有更广的速度范围。毕竟可变风扇/压气机在现有发动机技术水平也是成熟的，虽然变化的范围不大；

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　　其次，ACE 适应性循环的关键技术：大幅度可变的风扇/压气机，也可以大规模地扩展上述两个方案的使用范围。而在 ACE 的基础上或者象方案一那样加涡轮旁路通道，或者象方案二那样直接用涵道燃烧室，都是使 ACE 进一步拥有向冲压发动机转换能力的途径。
　　目前基于常规涡轮风扇发动机的 F119，可以使 F-22 以大于一点五倍音速巡航；以 ACE 适应性循环发动机为动力的下一代超音速飞机大概可以高达二点四倍音速的速度巡航。如果采用上面介绍的方案，是否能使飞机在更高的速度巡航呢？
　　J58 的咆哮推进着黑鸟在几十年后的今天仍然保持官方速度记录，J58 的咆哮也鼓舞着 PW 在涡轮+冲压的道路上继续前进。但随着二十一世纪的来临，J58 的咆哮终于等到了回声——火神的回声。
　　火神是下面概念图所示高超音速飞行器的两套接力式动力装置之一：

　　图中的高超音速飞机正在大气层的边缘飞行。超高音速的气动加热使飞机外表成红热状态。
　　这种高超音速飞机有两套接力式动力装置：一是火神，负责把飞机从跑道静止加速到四倍音速以上；二是超音速燃烧冲压发动机（以下简称超燃冲压），把飞机从超过四倍音速加速到高超音速。超燃冲压要把飞机加速到多高速度？美国的计划是先实现六、七倍音速，但最终很可能要实现十倍音速以上。本文只谈这个接力的第一段——火神，因为这正是 J58 几十年的咆哮得到回声的所在。

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一，火神出现之前
　　甚至在 2005 年以前，J58 所开创的涡轮+冲压仍在高超音速飞机的第一接力段有非常重要的地位。毕竟黑鸟用这个方案在几十年前就以超过三倍音速持续飞行，采用新技术用类似的方案把飞机加速到四倍音速以上又有什么大的困难？
　　美国人因此以包括 J58 技术在内的一揽子技术为基础，发起了革命性涡轮加速器计划（RTA， Revolutionary Turbine Accelerator），如下图所示：

　　上图是 2005 年以前一个高超音速飞机动力系统的示意图，上方的标题是涡轮-超燃冲压组合发动机（Turbine-Scramjet Combination Engine）；图左下方的文字是：低速（Low-Speed），超音速 RTA（0 倍音速到 4+倍音速）（Supersonic RTA (Mach 0-4+) ），革命性涡轮加速器（Revolutionary Turbine Accelerator）；图中右下方的文字是：高速（High-Speed），超染冲压发动机（4 倍音速到 15 倍音速）（Hypersonic Scramjet (Mach 4-15)）。

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二，火神来临
　　但是这个中规中矩的革命性涡轮加速器计划在 2005 年被终止了，因为另一种动力概念可以至少比 J58 代表的亚音速燃烧冲压发动机有 20% 到 30% 的效率提升。这个动力概念就是 CVC 恒定容积燃烧概念。CVC 是 Constant Volume Combustion，即恒定容积燃烧的缩写。
　　无论涡喷、涡扇、还是冲压发动机，都是以恒定压力燃烧的方式工作。CVC 恒定容积燃烧发动机却是以恒定容积燃烧。具体的细节我现在也没弄明白，如果诸位有知道的，希望能够指点。我在本文只是指出两种主要 CVC 恒定容积燃烧发动机，并简要介绍其中一种极可能率先投入使用的发动机。
　　两种主要 CVC 发动机是：PDE 脉冲爆燃发动机；CDE 连续爆燃发动机。其中 PDE 脉冲爆燃发动机是技术挑战相对小一些并极可能率先投入使用的 CVC 发动机。
　　下图是 PDE 脉冲爆燃发动机的一个基本工作循环示意图：

　　图中的管子状物就是 PDE 发动机。发动机的右端是喷口，左端上方开口是空气进气口、下方开口是燃料喷口。
　　图中 1 是发动机内腔进行燃料和空气混合；2 是点火；3 是开始爆燃；4 是膨胀；5 是排出燃气；6 是用空气清洁内腔。图中右上方文字表示：这个循环每秒钟重复高达 40 到 80 次。图中下方黄框中文字表示：简单的基本循环，实用上非常具有技术挑战性。
　　美国决定以 CVC 恒定容积燃烧发动机和现有涡轮发动机一起，为高超音速飞机开发火神动力系统。RTA 革命性涡轮加速器计划终止，火神登场。

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三，火神简介
　　火神是基于现有发动机和 CVC 恒定容积燃烧发动机的组合。现有发动机指 F100、F414、F119 这些现役的两倍音速飞机的发动机。现有发动机把高超音速飞机加速到二倍音速以上后 CVC 启动，CVC 把飞机加速到四倍音速以上。这个 CVC 极有可能是 PDE 脉冲爆燃发动机，因为 PDE 是相对而言技术最成熟的 CVC 恒定容积燃烧发动机。
　　火神动力系统中现有发动机和 CVC 有两种总体布局方式：双流路方案和同轴方案。
　　双流路方案中现有发动机和 CVC 以平行的方式安装。它们共用进气口和喷口，但是进气道在共用进气口后面分成两路，一路接现有发动机、另一路接 CVC。现有发动机的喷管与 CVC 的喷管在喷口附近合成一个共用的喷口。
　　同轴方案是或者 CVC 同心地布置于现有发动机的外环，或者二者串接，或者是前二者的组合。其实J58某种程度上可以看作一种涡喷与冲压的串接。我个人倾向这种同轴方案，因为这可以避免平行方案中复杂的双进气道、双喷管；这也是将现有发动机与 CVC 高度融合为一种新发动机的途径。

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四，火神的未来
　　除了为高超音速飞机跑第一棒接力，火神将为飞行器提供在四倍音速以上持续飞行的能力。现有的简单涡轮风扇发动机使 F-22 以超过一点五倍音速巡航，正在开发的 ACE 适应循环发动机大概可以使飞机在高达二点四倍音速巡航，火神可以再进一步。
　　火神的另一个可能的发展是其 CVC 部分的继续完善，甚至完全代替火神中的现有涡轮发动机。
　　CVC 中，至少 PDE 脉冲爆燃发动机在零速度和低速时也可以有效工作。随着 CVC 技术的完善，火神中的现有涡轮发动机的作用会越来越小，CVC 的作用会越来越大，甚至可能不再需要现有发动机。