美国航空发动机研发计划--跨时代的IHPTET和VAATE计划

机工

　导言：

　　2005年，美国终于结束了时长17年，耗资50亿美元(平均每年经费3亿美元)的宏伟工程——综合高性能发动机技术计划(IHPTET)。IHPTET是一项包括了发展先进涡扇/涡喷、涡轴/涡桨和短寿命发动机技术的全面的发动机研发计划。在IHPTET结束后，凭借其取得的成果美国继续开展低成本的VAATE计划——即多用途、经济可承受的先进涡轮发动机计划。在这项国家级的发动机发展工程中，美国进一步确立了其在二十一世纪前半叶的发动机技术绝对优势地位。

　　综合高性能涡轮发动机技术计划(IHPTET)

　　INTEGRATED HIGH PERFORMANCE TURBINE ENGINE TECHNOLOGY

　　一、IHPTET计划立项背景

　　上世纪80年代末，为了在21世纪取得军事和商业竞争的优势，美国国防部实施了一项由空军、海军、陆军、国家航空航天局(NASA)、国防部预研局(DARPA)和工业界共同参与的国家级战略性发动机技术预研计划，即综合高性能涡轮发动机技术(Integrated High Performance Turbine Engine Technology ，IHPTET)计划。

　　IHPTET项目主要包括了三个部分的项目：

　　先进涡轮发动机燃气发生器ATEGG、联合技术验证机发动机JTDE

　　——针对涡扇/涡喷发动机

　　联合涡轮先进燃气发生器(JTAGG)

　　——针对下一代战区运输机和下一代直升机的涡轴/涡桨发动机技术

　　联合短寿命涡轮发动机概念(JTTEC)

　　——针对导弹上的UAV/短寿命发动机

　　二、IHPTET计划三阶段发展目标及成果调研

　　IHPTET计划从1988年开始实施，原计划2002年结束，后延迟到2005年结束，总的目标是到21世纪初使航空发动机的能力较1988年的水平提高1倍。具体指标是推重比提高100%、耗油率降低40%、成本减少35%｡该计划所面对的最主要的技术挑战是增大发动机的总压比、提高发动机的最大循环温度、提高部件的效率、研究耐久性更好的高温材料和减轻发动机部件的重量。

　　图表：IHPTET技术三阶段发展的总目标

　　资料来源：美国空军研究实验室(AFRL)

　　IHPTET计划成果在现役或在发动机上的应用

　　IHPTET计划验证的技术能提高现役发动机的性能，改善其耐久性，降低使用和维护成本。具体地讲，这些技术能延长部件寿命，降低耗油率，提高安全性。目前，IHPTET计划验证的先进技术已经被移植到F136、F135、F119、F414、F100、F110等军用发动机和XTL187/SEI验证机与通用发动机计划的发动机上，取得了明显的效果。改进后的F119发动机和F135发动机可能使F-22和F-35战斗机具有超声速巡航和先进的短距起飞垂直降落(STOVL)能力。

　　三、IHPTET计划对全球航空发动机领域的影响

　　IHPTET以及后续的VAATE计划都是时间长达20年的三步走发展计划，以现在人类的技术革新，准确把握20年后科技发展的脉搏，了解20年后下一代发动机技术的需求是非常困难的，这也反映了美国军方和NASA的未雨绸缪和长远目光，不断地寻求突破也是美国之所以那么强大的根本性原因。

　　IHPTET计划之所以能够成功，其有一个很关键的因素——它整合了美国全国的力量——军方、宇航局、军工企业以及著名高校都参与进了这两个宏伟的发动机发展计划，这种集中力量办大事的方法也是IHPTET迅速取得突破并且100%完成极高任务指标的最大原因。

　　另外，美国在下一代发动机发展中，没有盲目地追求最高新的科技，而是稳中取胜，只选取目前已经技术成熟的部分装机，成功保证了新式发动机的可靠性，F119-PW-100也成为了美国有史以来最长无故障运转间隔的发动机。而螺旋式升级也保证了美国的发动机技术能够不断应用新技术达到新的指标，从而总是能够在涡轮发动机上压制国际上的竞争对手整整一代。

　　多用途、经济可承受的先进涡轮发动机计划(VAATE)

　　THE VERSATILE AFFORDABLE ADVANCED TURBINE ENGINES

　　一、VAATE计划的目标

　　作为IHPTET计划的延续，VAATE 计划的本质为发展、验证和转移先进的多用途涡轮发动机技术，同时，该计划也进行了拓展，组织结构进行了重组与优化，将工作重点由IHPTET 计划的只提高推进系统的综合能力调整为开发和验证先进技术、改善经济可承受性和实现通用性三个方面。

　　因此，VAATE 计划的一个重要性能指标是经济可承受性指标CCI(Cost Capability Index)，即发动机能力(推重比除以耗油率)与成本(研制、生产和维护成本之和)之比。

　　VAATE 计划的实施时间为 2003至2017 年，分三个阶段进行，各阶段的结束时间点为 2009，2013和 2017 年。计划的目标是使现役、在研和未来的军、民两用推进系统的经济可承受性较基准推进系统(如F119发动机)在2017年提高 10 倍，具体到大型涡扇/涡喷发动机的目标是推重比增大200%，耗油率降低25%，费用降低60%。

　　图表：VAATE对四种类型发动机的CCI目标

　　资料来源：美国空军研究实验室(AFRL)

　　二、VAATE计划进展现状调研

　　第一阶段

　　VAATE计划的第一阶段到2009年结束，在此期间罗罗公司和威廉姆斯公司在高速涡轮发动机验证计划(HiSTED)下发展导弹用马赫数4以上的短寿命涡喷发动机。特里达因公司则发展高效小型推进系统计划(ESSP)下发展亚声速导弹发动机。霍尼韦尔公司对小型重油发动机计划(SHFE)下发展大幅降低涡轴发动机燃油消耗和成本的技术。普惠公司进行结构紧凑的高效升力发动机(CEDLE)的研究。

　　在大型发动机领域，通用电气公司和普惠公司正在发展两种涡扇发动机验证机。由于经费限制，这两种验证机以F135和F136发动机为基础。经过验证的成熟技术将引入JSF发动机，并成为适应性多用途发动机技术(ADVENT)计划的起点。

　　第二阶段

　　VAATE计划的第二阶段的主要项目是ADVENT，罗罗公司和通用电气公司在ADVENT计划下发展具有可变循环能力的适应性循环发动机，同时这两家公司继续发展高效嵌入式涡轮发动机(HEETE)。

　　另外，美国陆军航空应用技术部对评估先进经济可承受的涡轮发动机(AATE)的投标进行评估，该计划将对单位燃油消耗率减少25%、功重比提高80%、生产和维护成本降低35%的2237千瓦功率的涡轴发动机进行试验验证。

　　图表：AATE计划的目标

　　资料来源：美国空军研究实验室(AFRL)

　　第三阶段

　　VAATE计划的第三阶段接续第二阶段下所进行的，包括自适应通用发动机技术(ADVENT)和高效嵌入式涡轮发动机(HEETE)的演示证明的工作。由于要在VAATE阶段II/III下再继续，GE和PW在自适应发动机技术发展项目(AETD)下为下一代、高推力、高燃料效率的战斗机发动机成熟技术。

　　另外，在VAATE第三阶段美军启动了改进涡轮发动机项目(Improved Turbine Engine Program，ITEP)，该项目承接了AATE计划的工作。另外，为提高美军现役的重型直升机提升性能，美军启动了未来经济可承受涡轮发动机(Future Affordable Turbine Engine，FATE)技术预研计划。并且为预计2017年开始的下一个验证发动机确认和遴选先进技术，该验证机是FATE的后续计划替代概念发动机(Alternative Concept Engine)。

　　图表：美军涡轴发动机预研项目发展路线

　　资料来源：National Guard Association of the United States

　　2013年7月，美国空军研究实验室(AFRL)发布了针对VAATE第三阶段的广议告示书(BAA)中对下一轮的项目承包商需具备的技术能力进行了要求，其中包括成熟的自适应循环技术、先进的能源和维持技术、先进的燃料技术、先进集成控制技术、先进推进集成技术、短寿命高效亚音速和超音速发动机技术、集成电源和热管理技术等。

　　图表：VAATE第三阶段项目承包商需具备的技术能力

　　资料来源：美国空军研究实验室(AFRL)

　　三、VAATE计划成果应用

　　VAATE研究计划所有3个关键领域开发和验证的发动机技术，也将直接且广泛地应用在民用飞行器上。在多用途核心机领域开发的技术，将使军、民用飞行器保持更大的通用性，进而通过数量效益来降低费用。在智能发动机领域开发的故障预诊和健康维护技术和在耐久性领域开发的很多技术，将直接惠及所有的民用飞行器。在耐久性领域开发的使军用发动机质量减轻、维修时问缩短和零件数量减少的技术，也可以直接用于民用航空产品上;开发的先进发动机热管理技术，可以直接用于优化民用发动机热力循环和改善其燃烧特性，以全面地降低其燃料费用和污染排放。