GE的野望——美国下一代战斗机发动机

万磁王

原作者：Armstrong


　通用电气（GE）航空集团是推动美国战斗机发动机未来发展的领头羊，该公司不仅是迄今为止唯一一家研制并演示自适应循环风扇发动机的公司，还是首家把陶瓷基复合材料（CMC）叶片安装在发动机上试车的公司。
　　因此，美国空军研究实验室（AFRL）在2012年与普惠和GE分别签订合同，发展具有三涵道和自适应循环风扇的“自适应发动机技术发展”（AETD）发动机也就不奇怪了。该项目旨在获得一种未来战斗机发动机的技术先导机，为批量生产做好准备。

GE的AETD发动机设计

　　然后再通过一项预计为期四年的自适应发动机过渡项目（AETP），自适应循环发动机将能够推进目前还在绘图板上的未来美国战斗机。奥巴马总统在2016财年向国会提交了AETP项目的申请预算，众议院军事委员会原则上批准。
　　目前美国的第六代战斗机还未见雏形，研制自适应循环发动机似乎有点为时过早。但是把战斗机和发动机集成起来以实现功能、性能和作战灵活性的最大化则需要花费很长时间，所以AFRL启动AETD和AETP项目的时机刚刚好。
　　GE航空集团下一代军机新项目和衍生项目总经理杰夫·马丁说：“在我们锁定技术并用这些技术开始为正确的飞机设计正确的发动机前，还有大量技术研发工作要做。”马丁负责与未来美国军用飞机项目相关的发动机设计研究工作，这些项目包括美国空军的FX和美国海军的FA-XX第六代战斗机。
　　他补充说：“未来五年可能是你确定发动机材料和架构的最后五年，而这些事情是你在启动EMD（工程、制造和发展）或‘里程碑B'项目之前都需要搞明白的事。”

万磁王

GE发动机自适应循环技术的背景

　　在GE于2012年获得AETD合同前，该公司在2007年成为与AFRL签订合同研制“自适应通用发动机技术”（ADVENT）发动机验证机的两家公司之一。在这个合同中，美国空军出资3.5亿美元，稍稍超过研发总成本的一半，剩下的要公司自己想办法。另一家公司是罗尔斯·罗伊斯。ADVENT项目是AETD的直接前身。
　　前年7月，GE航空成功试车了其全新的ADVENT发动机设计，成为唯一满足ADVENT项目所有目标的承包商。对发动机的三涵道和自适应循环风扇设计进行的全面测试，并满足AFRL设置的所有性能和耐久性目标。

GE的ADVENT发动机验证机

看起来GE的ADVENT发动机沿用了F110的尾喷管设计

GE的ADVENT发动机试车台

万磁王

　　在这些测试中，ADVENT发动机成功运行在其最高设计温度和压力上。与第五代战斗机发动机相比，发动机外涵道气流温度降低了65摄氏度以上。
　　GE的ADVENT设计还展示了被称为“冷却制冷空气”的热管理方法，就是利用由发动机自适应循环风扇产生的第三涵道气流驱动一个热交换器，让压缩机气流降到较低温度去冷却发动机的高压涡轮级。这意味着GE的ADVENT发动机热端部件需要的冷却空气更少，于是提高了发动机的总压比（OPR）。

这张图清楚显示了自适应循环发动机的技术特点

万磁王

　　在2013年对ADVENT核心机的一次测试中，GE记录下了喷气发动机史上联合压缩机和涡轮的最高工作温度，AFRL正式确认了这个纪录。
　　GE的ADVENT也是航空史上使用最多陶瓷基复合材料的发动机，这使发动机高压涡轮喷嘴前缘承受住了超过1648度的高温，而且GE让ADVENT核心机在达到或超过这个涡轮温度目标值的情况下持续运行了超过80分钟。

ADVENT发动机的完整压缩机

万磁王

GE的AETD项目现状

　　GE航空集团先进作战发动机项目总经理丹·麦考密克说，该公司对ADVENT设计进行成功演示意味着GE已经验证了发展AETD发动机所需的所有技术。他表示ADVENT的研究努力对帮助GE设计AETD来说“非常有启发性”。
　　因此，与普惠使用一台内部购买的F135发动机作为全尺寸核心机来测试全尺寸AETD自适应循环风扇设计不同，GE认为已经没必要在AETD研究期间进行全尺寸风扇测试。

GE的AETD发动机设计侧面图

AFRL对下一代战斗机发动机提出的目标：飞机战区滞留时间提高50%，耗油率降低25%，飞机航程增加35%

万磁王

　　在GE的AETD测试剩下的时间表上，还有大量政府工作人员参与的对发动机设计进行的细节测试，这些人不仅来自美国空军，还来自美国海军和美国航空航天局。
　　麦考密克说：“2015年4月30日，我们向AFRL做了正式汇报，然后他们给了我们审查报告。我想说我们得到的反馈是非常积极的，他们非常满意初始设计评审（PDR）的深度以及我们分析和设计工作的深度……而且也非常满意于该设计的性能。”

GE向政府工作人员展示ADVENT发动机的关键部件

万磁王

　　他还透露，尽管原先3.5亿美元的投资协议仍然有效，AFRL仍然正在考虑一个提议：“为GE的AETD合同增加额外的设计工作，我想普惠也得到了同样待遇.”
　　到2015年5月，AFRL仍在研究这个额外设计工作的方案征求书（RFP），还没有下达任何合同或规定资金额度。麦考密克认为这个额外AETD设计合同将是“5000万-1亿美元规模”。
　　他说，这个额外设计工作将“将集中在各方面都认为仍存在持续风险水平的一些地方，工作的重点是降低项目在初始设计评审后的风险水平……降低AETD项目的风险将有助于把自适应循环技术推向成熟。”

降低AETD项目的风险将有助于把自适应循环技术推向成熟

万磁王

GE和AETP项目

　　根据麦考密克的说法，赖特-帕特森空军基地的美国空军寿命周期管理中心（LCMC）将负责管理AETP项目，军方仍在与GE和普惠讨论项目的潜在严研究范围和时间表。AETP项目将把AETD的研究成果转化为较大规模的工程发展项目，为批量生产的一种或多种自适应循环发动机铺平技术道路。
　　麦考密克说：“我们与他们密切合作，他们发下RFP草稿，我们提供反馈意见。他们的目标是到六月底发布最终RFP（实际上一直拖延到2015年8月）。我们正非常积极地参与这些讨论，AETP将接过AETD的接力棒。AETP项目肯定会包含更多设计工作，需要为详细设计评审（DDR）来完善设计，我们还想制造几台全尺寸发动机进行测试。”
　　根据麦考密克的说法，DDR阶段将是美军自适应循环发动机研制工作的下一个正式设计里程碑，投资将从“2016财年的相对少量开始，这种资金投入状况会持续整个五年财年防务计划（一直持续到2020财年），然后研究资金的投入量会显著增加。”
　　GE航空集团认为，如果国会通过了奥巴马总统的AETP预算要求，该公司将能在AETP阶段参与到自适应循环发动机的研制工作中去。麦考密克说：“LCMC说他们计划发出两份AETP项目合同，一份给GE一份给普惠。如果该项目能够在预算挑战面前生存下来并继续前进的话，我们期望能获得AETP合同。”
　　LCMC正与这两个AETD承包商密切协商，麦考密克补充说：“LCMC要求我们为项目制定一个计划来定义AETP的研究范围。他们要求我们对自己眼中的项目提出建议，如我们将会在设计制造组件、装配和发动机测试上怎么做。我们已经向他们提供了AETP之后EMD项目的概念图，我们认识到现在还没有开始EMD的时候。”

万磁王

GE的FLADE技术

　　无论GE还是普惠都不会制造出一台全尺寸AETD发动机，但在这个研究项目中两个承包商都必须把多种设计提炼成一个。AFRL对发动机尺寸做出了限制，两家公司的AETD需要在尺寸上与F135相同，也就是说能装进与F-35战斗机的机身。
　　AFRL紧守两家公司AETD发动机架构细节的秘密，但实际上两家公司的设计都具有自适应循环风扇和第三涵道这两个特点。其中第三涵道气流是对其核心和旁路气流的补充，意味着这两种发动机都具有可变几何特征，这是因为发动机不仅需要产生第三涵道气流，还需要把气流引导向发动机内部的不同区域，必须可变。
　　麦考密克证实了GE的AETD设计具有可变几何机构，也就是该公司称之为“FLADE”的技术。“FLADE”这个术语是“叶片上的风扇”（fan-on-blades）的缩写。
　　GE在2003-2005年间向美国专利局提交了一系列专利申请，描述了多种具有自适应循环第三涵道和FLADE技术的发动机设计，GE在2007年获得了这些专利。在2005年4月21日的US  005/0081509号专利申请描述中，这种FLADE发动机构型极有可能表示GE的AETD在主要外函道和发动机核心之外还有第二个外部涵道。

GE专利中描述的第三外涵道与FLADE风扇

万磁王

　　第二个环形外涵道也被称为FLADE涵道，允许第三涵道的冷空气在发动机壳体和主外涵道间流动。FLADE涵道流出的空气被可变几何机构根据发动机需要进行分流，实现增强涡轮冷却、或提高推力、或增强其他性能的目的。
　　FLADE涵道通过风扇壳体内侧但位于第一级风扇叶片外侧的环形进气口进气，进气口内部有一排或者两排FLADE导向叶片，位置在一二级主风扇定子之间。导向叶片可以偏转调节，也可以完全打开或关闭进气口，从而调节FLADE涵道的进气量。

在整体叶盘外圈增加的FLADE风扇

FLADE风扇叶片的细节