成飞六代机涡轮基冲压组合发动机全解

  我国成飞和沈飞的两款六代机相继试飞，如同两声嘹亮的号角，震撼了世界军事舞台。原本预想中的中美之争，怎就演变成了成飞、沈飞这两家军工企业的“内部切磋”了呢？

  我们知道，第6代战斗机扩展飞行包线已是必然。全球航空界一致认为第6代战斗机将装备自适应变循环发动机，最大速度提高到3马赫以上，巡航速度提高到1.5马赫以上，甚至超过2马赫。飞机作战任务既需要超视距作战、超声速突防，同时又需要更长时间超声速巡航、更长的航程和更大的作战半径等。但这些任务需求对发动机的性能要求是相互矛盾的，那么成飞“银杏叶”标新立异的3台发动机是如何支撑其长时间的2马赫巡航，3马赫极速，3万米升限以及3000千米作战半径的呢？

  正所谓一代动力、一代飞行器。从涡喷发动机、涡扇发动机、亚燃冲压发动机、自适应变循环发动机、超燃冲压发动机到爆震发动机，再到涡轮基组合循环发动机等多种形式的新型组合动力，吸气式空天动力一直向着更高速、更紧凑、更宽域、更经济的方向不断发展。

  世界上第一种实用的喷气式战斗机梅塞施密特Me-262“燕式”，采用了两台8级轴流式涡喷发动机Jumo 004，不过其原型机在机鼻上还安装了一台Jumo 210活塞发动机。在1942年3月25日的一次试飞中，备用的Jumo 210发动机在两台涡喷发动机同时熄火时，把原型机从失速的险境救出。Me-262最高时速870千米，比当时一般战机的时速快100~150千米。同时其还可携带R4M火箭炮，从盟军轰炸机编队侧面接近，在轰炸机机枪的射程外齐射火箭弹后迅速脱离，以躲避护航的战斗机。一两枚火箭弹就足以击落以坚固而闻名的B-17轰炸机。德军飞行员驾驶Me-262取得了击落509架盟军飞机的战绩，面对二战后期占绝对数量优势的盟军战机，仅自损了约100架，充分体现了对螺旋桨飞机的速度代差优势。

  二战后的50-60年代，世界航空工业蒸蒸日上。美苏全球争霸表现在航空领域，就是以能携带核弹的超音速战略轰炸机进行速度对决。于是凭借二战德国遗留下来的涡喷发动机技术，美国人相对领先打造了一系列战略轰炸机。包括喷气式高亚音速B47同温层喷射机、B52同温层堡垒和超音速B58盗贼战略轰炸机。对应苏联从仿制B29的图4开始，也先后推出喷气式高亚音速图16和米亚4野牛轰炸机、超音速米亚西舍夫M50和图-22等各型战略轰炸机。

  在苏联广布的防空雷达和超过2倍音速的截击机的联合威胁下，试图对苏联本土的凌空核轰炸任务是不可能成功的。时任美国战略空军司令部司令的李梅将军早在1955年就开始幻想拥有一种既有B52的庞大的载弹量和航程，又有远超B58的超音速性能的3马赫的超级轰炸机。但要把B52重量级的轰炸机推动到超过音障所需要的推力，对50年代犹如鶸的涡喷发动机来说就是一个几乎不可能完成的任务。

  于是康维尔公司将B36“和平缔造者”战略轰炸机丧心病狂的改装成了核动力飞机验证机NB-36H。其携带一台通用动力的“直接循环式航空推进喷气发动机”上天，核心是16吨重的1MW的风冷试验核反应堆。冷空气吸入发动机经过反应堆一回路的热交换器的加热，膨胀做功推动涡轮旋转提供推力。但因为这项技术与生俱来的巨大危险性，肯尼迪总统上任后不久就取消了该计划。老对头苏联，也试验了类似的4台铅冷核能涡桨发动机驱动的图119技术验证机，最终也于1969年取消了该核能航空发动机计划。

  所以最大起飞重量达250吨，极速3马赫的XB-70还是采用了对称放置的6台通用电气YJ93-GE-3加力涡喷发动机，使用添加了硼化合物的有毒的JP-6专用燃料，其能量比普通航空煤油高40%，加力燃烧推力为14.5吨。巨大的两侧进气道内有可变壁装置和旁通门，以保证从200~300千米时速的起降到超过3马赫的超音速飞行的宽速域的进气效率。特别是3马赫的来流条件下，进气道精心设计的外部斜面产生的四条激波会被完美反射至进气道喉部，气流减速到1.6-1.8马赫。进气道喉部会促进收窄，以加强斜激波减速效果。3马赫的来流会减速到0.4马赫，总压恢复系数可以依然保持在80%以上。不过鉴于强大的激波阻力，XB-70每小时需耗掉约27吨燃料。所以女武神虽然载油量高达136吨，但航程却只被局限在9000公里左右。另外不幸的是，在1966年6月8日的一场空中定装照拍摄中，XB-70二号机与伴飞的F-104N星式战斗机发生了空中相撞意外。加之XB-70不包含研制费用的原型机造价就高达令人咂舌的7.5亿美元，相当于现在 67.73亿美元。XB-70虽然验证了没用现代数字飞行控制管理系统与发动机工况管理计算机的情况下进行长时间3马赫飞行的可行性，但其还是陷入了典型的美式科研陷阱，花费巨资提出了精妙的解决方案，可靠性和实用性却败给了苏联平平无奇的整体设计和技术整合。

  1964年首飞的苏联米格25的机体由钛合金与镍基合金钢构成，是世界上最早突破3马赫的高空高速战斗机，曾创下牢不可破的3.3马赫的战斗机速度纪录与37250米的升限纪录。其采用两具土曼斯基R-15BD-300加力涡喷发动机，单台最大后燃推力10.2吨。在米格系列飞机中首次采用两侧矩形二元进气道，通过水平调节斜板进行调节。超声速飞行时为降低发动机的来流温度，米格25会向进气道喷射水和甲醇的1∶1混合溶液，借此拓展发动机的工作速域。

  中国涡喷发动机的故事始于1954年4月沈阳黎明发动机制造厂对克里莫夫VK-1发动机的仿制，这就是世界第一代喷气发动机，采用离心式加力涡轮的涡喷5，其技术渊源实际上起于英国罗罗公司。而中国首型轴流式单转子带加力燃烧室的涡喷6则是对对米格19的苏制Pд-9Б喷气发动机的仿制。其是产量最大国产航空发动机，总产量高达29316台，大多数都用在歼6系列和强5系列国产战机。1967年6月，仿制于米格21F配套R-11F发动机的涡喷7定型。之后为了给歼8提供配套发动机而要提升涡喷7的推力，提高涡轮前温度就是最有效的办法。涡轮前温度每提升100℃，其他条件如果不变的情况下，发动机的最大推力就能提高8~10%。为解决涡轮叶片的耐高温问题，其最佳途径就是将当时的涡轮实心叶片改为空心叶片，用强制气冷提高叶片耐高温性能。中国高温合金研制的开路先锋、时任北京航空材料研究所副总工程师的荣科，当着众人立下军令状：若无法在一年之内研制出空心涡轮叶片和新的高温合金，甘愿把自己的脑袋挂在沈阳航空发动机设计所的大门上示众。1966年9月中国研制成功铸造9孔空心涡轮叶片，成为继美国之后第二个掌握空心铸造叶片技术的国家。装备空心叶片的涡喷7甲发动机，推力相比原涡喷7提高了11%，耗油率降低14%。

  在涡喷发动机充当战机高速飞行绝对主角时，人们发现如果在涡喷发动机压气机前端开环缝，让一部分空气从热端外侧流过，这部分增压空气会形成高速喷射的气流，产生额外的推力，显著改善了发动机的燃油经济性。这便萌发了最初的涡轮风扇概念。20世纪60年代投入到正常的使用中的罗罗“康威”发动机变成全球上第一种量产涡扇发动机，其最初计划是给“勇士”Mk.2轰炸机配套。采用双转子设计，涵道比只有0.3，配备16级压气机和3级涡轮，推力7.9吨，是一款经济性非常优越的动力系统。

  而前苏联什韦措夫发动机设计局的D-30可能是冷战时代最重要的涡扇机之一。在苏联空军飞行员维克多·别连科于1976年驾米格25叛逃日本后，米格25的衍生版米格31的动力升级为两台D-30-F6低涵道比加力涡扇发动机。其后燃推力达15.5吨，大幅度改善了米格25的低空性能、高速稳定性和耗油量。其低空速度达到1.23马赫，高空最大速度2.83马赫，能以2马赫的速度在高空巡航。而增大了涵道比和加装反推装置的D-30K系列发动机也被运用在伊尔76重型运输机、伊尔62和图-54等机型上。我国的空警2000，运20A和轰6部分型号也使用D-30KP-2发动机。

  中国涡扇发动机的故事始于涡喷6的基础上改进而来的涡扇5。但真正投入实用的是代号“秦岭”的涡扇9，由西安航空发动机公司制造，改进自英国罗罗公司的斯贝发动机。其装备于歼轰-7上，最大加力推力9.305吨，最大军用推力5.557吨，净重1.842吨，推重比5.05，采用轴流式压缩机。1977年，王震副总理为了抓斯贝发动机试制，特聘请荣科和中科院著名工程热物理学、航空发动机专家吴仲华作为技术顾问，和外商谈判，殚精竭虑。直至2003年7月17日，完全国产化的涡扇9经过近30年奋斗终于通过国产化工程技术鉴定，获准投入批量生产。

  与此同时，采用冲压发动机进行3马赫飞行的技术也日益成熟。洛克希德于1964年12月22日首飞的D-21无人侦察机，采用了当时世界最先进的整体式冲压发动机，将固体助推火箭与巡航用液体燃料冲压发动机组合成为一个整体，两者共用一个燃烧室。火箭把D-21加速到超音速后，启动冲压工作模式。进气锥会形成激波，空气被激波剧烈压缩并减速至亚音速，无需压气机的压缩就可以直接点燃。再通过收敛扩张超音速喷嘴，把燃烧产生的热量转化为动能，形成推力。因为没有压气机的存在，所以也不需要有涡轮机来推动压气机了，这极大幅提高了发动机热机效率，远超于涡喷和涡扇发动机。D-21的速度高达3560公里/小时，升限高达30000米，航程5600公里。其所有侦察任务都是针对中国罗布泊试验场，不过全部四次任务全部失败。首次执行侦察任务经过尼克松总统亲自批准，1969年11月9日由一架B-52H轰炸机搭载，从加州的比尔空军基地起飞，经过1次空中加油12小时飞行后发射侦察。但最后踪影全无，其一路飞越中国新疆后，在距离南海5500公里外的苏联拜科努尔附近燃料耗尽而自毁。其第四次也是最后一次侦察飞行是在1971年3月20日，不过却因故坠毁在中国云南西双版纳的雨林中，成为比较完整的高价值战利品。

  而SR-71“黑鸟”高空高速战略侦察机号称从未失手。最危险的一次是1986年6月3日，6架米格31预先埋伏在进入巴伦支海的公海上空的黑鸟”侦察机的航线附近。当“黑鸟”出现后，这些米格31以惊人的爬升速率从不同方向逼近，同时打开火控雷达将其锁定。“黑鸟”只能加速到3.35马赫一路狂奔迅速逃离。显然普通涡喷循环难以适应长时间3马赫飞行。普惠公司于是在J-58涡喷发动机基础上增加了变循环旁路，变成全球上第一种投入到正常的使用中的TBCC串联涡轮基组合循环发动机，其最大推力接近15吨。采用了专门研发的低挥发性JP-7燃料，添加了铯化合物，用于帮助掩盖排气羽流的红外特征。“黑鸟”通过安装在半翼展位置的巨大发动机短舱，通过飞/发一体设计，将推进系统组合成为一个统一的整体，整个短舱结构包括整流罩、可移动的激波锥、可调的前后旁路活门、多孔式激波锥中心体附面层吸除系统和一套为控制内部激波位置及附面层流动而设计的喉道壁吸气系统。其中激波锥的最粗处，开了一圈网状吸气孔以把超音速流体的附面层吸出。在不同的飞行状态下激波锥还有不同的轴向位置，使不同速度下的圆锥尖端产生的激波面都可以被整个进气道包裹，以向处于不同飞行状态下的TBCC发动机提供最适宜的内流品质。自1.6马赫开始，进气锥会逐渐向后移动，依据皮托管静压测量、俯仰、滚转、偏航、迎角等信息，实时计算进气锥所需要的前后移动距离。飞行马赫数每增加0.1马赫，激波锥就向后移动4.13厘米，总行程为66.04厘米。

  J-58的加力燃烧会在整个飞行过程开启工作。而旁路放气系统则在飞行速度为2.2马赫以上时被打开，约占压气机进口20%的空气通过6根变循环管道立即进入加力燃烧室，缓解压气机堵塞问题，改善流通能力，发动机工作在压气机辅助冲压模式。随着速度增高，旁路放气越多。而当黑鸟在3马赫巡航时，绝大部分气流都经由变循环管道直接被注入加力燃烧室而不经压气机和主燃烧室，彻底变成一台冲压发动机。发动机短舱还采用了引射尾喷管设计，尾喷管上有一圈环形开口。通过主喷流引射作用在主喷管与外套管之间形成二次流，使排气流得以继续膨胀为超音速气流来增加推力。这些设计都极大幅提高了燃油效率，这也是为什么黑鸟在3马赫巡航时反而最省油。类似J-58这样的串联TBCC涡轮基组合循环发动机，相对于用在小型无人高超音速飞行器的超燃冲压发动机和爆震发动机，其在马赫数0~4范围内具有高比冲的显著优势，显然更适合水平起降有人高速长航时大型飞行器，而且其工程难度要远低于自适应变循环发动机。

  作为六代机标准动力的自适应变循环发动机，一般采用模式选择阀、变几何低压涡轮、可变面积后涵道引射器等变几何结构，可实现总增压比、等效涵道比的较大范围调节，以此来实现最大速度在3~4马赫工作。

  比如通用电气的XA-100号称世界上第一款三涵道自适应循环发动机，于2020年12月首次点火运行，推力达20吨。其装备的独特FLADE是在第二级风扇动叶外环上增加的一圈短的转子叶片，形成动叶上的风扇，并在发动机外围添加出来一个独立的第三外涵道：即FLADE涵道。由于FLADE涵道气流不与其他气流掺混，直接排出，对核心机内的空气流量及高压压气机转速基本没影响。而在FLADE的前、后都各有一圈可调导流叶片，用来调节FLADE涵道内的空气流量，从而控制发动机的进口总流量和等效涵道比。其通过导流叶片动态的改变气流路径，可以动态调整涵道比以获取更高的推力或者更高的燃油效率。加上额外的第三股气流提供的冷却，可以极大提高燃油效率和消散飞机热负荷。XA100相比美国现役最先进航发F135有质的飞跃，减少了25%的油耗，增加了10%的推力，发动机散热能力增加60%。美国预计在2030年之前为F35换装XA-100，其还将成为美国第六代战斗机的变循环推进系统。

  普惠公司研发的自适应变循环发动机验证机XA101，是基于F135发动机的深度改型，创新采用了自适应涡轮和自适应风扇技术，还重新设计了F135发动机的高压涡轮叶片和热障涂层，大幅度提高该发动机的涡前温度至2400K，比F135发动机足足提高了150℃。

  作为我国变循环发动机预研型号总师，中国工程院院士刘永泉早在2018年6月就表示，我国已经首次完成了变循环发动机特有的关键技术整机验证，构建了自适应发动机关键技术体系。推测在2023-2026年间，我国就有可能完成自适应变循环发动机研制工作，仅比涡扇15晚3~5年而已。其进度并不见得会比美国的XA100和XA101晚。但考虑到复杂的自适应变循环发动机还需要更加多的时间测试才能定型量产，当前试飞的”银杏叶“不太可能现在就装备这一最新型发动机。

  采用3台涡扇15可能是最平稳的方案，涡扇15的涵道比在0.23左右，最大推力能够达到18.5吨，3台发动机的推力储备极为充分，亚音速和跨音速飞行完全游刃有余，即便背负式DSI进气道在大迎角时会损失进气效率。不过在25000~30000米的高空中，空气密度仅是海平面的大概三分之一，涡扇发动机的进气量剧烈下降，发动机的压气机需要更高的压缩比才能将空气压缩到足够的压力。然而，随着压缩比的增加，压气机的效率将会下降。同时，过高的压缩比还可能引发压气机喘振等问题，逐步降低发动机的可靠性和性能。另外，涡扇发动机一旦超过2马赫，虽然精心设计的腹部可调加莱特和背负式DSI进气道可以通过激波把来流压缩降速至亚声速。但气流温度理论估算将超过300度。这么高温度的气流显然影响了气体流量，压气机也更难以进一步实施压气工作，发动机的燃烧效率自然十分低下。同时对比一下涡扇15和美国F135发动机的燃烧后的高温度高压力气流进入涡轮机之前的温度，F135涡轮前温度为1800度左右，而涡扇15的涡前温度在1650度左右，涡扇15的热效率还是略低一些。不过，60年前的米格21正是通过向进气道喷射水和甲醇的1∶1混合溶液，降低发动机的来流温度，从而拓展发动机的工作速域和升限。这种射流预冷技术成熟度很高，实施成本低，可用于快速集成于进气道中，推测可将现货涡扇15的最大工作速度扩展至2.8~3.0马赫，只是综合效能并不高。而我国在高超声速飞行器中更是早就取得了强预冷技术的突破。陈懋章院士团队通过紧凑快速强换热技术，在0.01~0.05秒内，将飞行器高超飞行时发动机进口超过1000摄氏度的高温气流，降低至发动机可靠高效工作时候的温度区间。这项技术如果下放到”银杏叶“上，3台涡扇15有可能达成”银杏叶“的战技指标。

  不过早在2019年，成飞王海峰总师就透露国产TBCC涡轮基组合循环发动机已经由成飞完成试飞验证，表明国产TBCC发动机已完成发动机研制阶段，进入飞行器/发动机一体化设计阶段，例如进气道与发动机一体化设计、飞行器/进气道一体化设计等等。我们大家可以大胆推测“银杏叶”更可能采用了史无前例的2台涡扇15并联1台大型亚燃冲压发动机的组合方案。

  其中，两台涡扇15采用了可调加莱特进气道，利用两个压缩斜板的激波相互干扰完成对空气的压缩。同时与苏57类似在进气道前部可能设置了一个可调的斜板结构，在低速情况下，斜板收起，而在超音速状态下，斜板则放下调整激波反射，以便实现对不同速度来流的有效减速和压缩。另外，基于飞行器/进气道一体化设计，“银杏叶”机头下部直至后掠的加莱特进气口进行一体化设计，组成了一个突出于腹部的楔形前缘，在超音速飞行中产生的激波沿着三角翼下前缘分布。一方面使激波滞后的高压区域大部分作用于机翼下表面，这部分压力就转化为所谓的压缩升力。另外一方面类似XB-70进气道的设计，这部分掠过加莱特进气口边缘的激波还可以对气流进行外压缩，然后斜激波再被反射至进气道喉部进行内压缩。

  在0-2马赫区间，中间的亚燃冲压发动机不会启动。背负式DSI进气道的气流减速后，可以被导流到腹部的加莱特进气道，进而提高涡扇15的进气效率和燃烧效率。如果觉得这样会引入高压导流装置，增加了系统复杂度，背负式DSI进气道的气流也可完全仅提供主动射流的气源，同时对发动机和尾焰起冷却作用。这对于涡扇15的热管理，以及降低整机红外特征也是极为有利的。

  速度超过2马赫时，强预冷技术仍旧能让涡扇15维持较佳的工况，避免产生组合循环发动机的推力陷阱。同时亚燃冲压发动机满足启动条件，可调DSI进气道可以把2马赫以上的来流减速至亚音速，并完成来流的压缩。或者即便为了可靠性和减重，采用固定DSI进气道，也可以专门为2马赫以上的高速飞行做充分优化，而不必特别考虑亚音速和跨音速性能。同时，超高空飞行时，主要以超音速平飞为主，背负式进气道的进气效率不会受影响。如果这样，“银杏叶”的DSI进气道将是世界上首次用于冲压发动机。我们大家都知道，采用头部进气的冲压发动机，因没有附面层气体，往往采用激波锥进气道。如果是像流星空空导弹那样的双下侧进气道，同样是需要留出附面层隔道的。而DSI进气道没有激波锥或附面层隔道的死重，和轻量级的冲压发动机搭配可以说是相得益彰。

  我们知道，现代冲压发动机由于没有压气机、涡轮等旋转部件，在2-3倍音速时，推重比高达20左右，在速度达到3马赫左右的时候效率最佳。而高性能的加力涡扇发动机的推重比仅10~12，自适应变循环发动机的推重比也不过15。同时，与涡扇15最大海平面推力18.5吨相当的亚燃冲压发动机的重量仅800多公斤，仅为涡扇15重量1.61吨的一半。更不用说，在高空高速下，涡扇15的性能还会出现显而易见地下降，而亚燃冲压发动机则正处于经济的最优工况。有理由相信，“银杏叶”爬升至25000米以上高空，在涡扇15和亚燃冲压发动机一同推动下，能够以2马赫的最经济的速度巡航，必要时，亚燃冲压发动机可以轻松加速至3马赫以上，实施隐身闪电式突防或者摆脱敌方攻击，50吨级的机体可完全实现3000公里有效作战半径。

  等到自适应变循环发动机列装，只需要替换涡扇15即可，2马赫以下速度区间，基于变循环发动机自身的热管理，结合背负式DSI进气道的额外冷却气流，有望大幅度降低尾焰的红外特征。超过2马赫时，调整自适应变循环发动机和冲压发动机的接力速域区间，有望逐步提升超音速巡航速度和航程。同时3台发动机澎湃的动力为更强大的机载相控阵雷达，机载电子对抗和机载定向能武器提供了坚实的基础。

  杨伟提过：“以前我们总是看别人怎么做，人家做了我们才敢跟着做。现在不同了，我们已有自己的突破。虽然我们用到的科学原理、技术基础和制造技术都和大家一样，但我们的需求和路线是独一无二的。这就从另一方面代表着，现在别人得研究我们下一步会怎么走。这本来也是我的一个目标，要让对手觉得研究我们是有价值的。如果连对手都不研究我们，那我们还有什么竞争力可言？”

  当我们步入“自由王国”这个新阶段，眼前没有了现成的石头可以借鉴，那么中国未来战机的研发该往哪里去？既然我们已明确了战略需求和未来战争的模式，那我们就得用我们的装备，按照我们的方式来准备。军工领域的标准制定权不是固定不变的，我们干吗只满足于听别人讲故事呢？为什么咱们不可以设定更高的目标，让未来的战机标准由我们中国来决定？”