美軍研未來戰機發動機 採用增壓燃燒技術油耗降低15%

美國空軍目前正在進行先進推進系統的研發驗證項目，其重點是針對能量管理和應用於各個領域的發動機的「顛覆性」技術，其應用將涉及未來戰鬥機、直升機、高超聲速導彈和無人機等。例如，美國空軍實驗室（AFRL）的「經濟可承受的先進渦輪技術」（ATTAM）項目。自從該項目在2016年首次公布以來，AFRL一直在關注大量的先進技術領域，為第一階段研發做準備，希望在2018年1月發布項目需求意見書。

　　ATTAM是「經濟可承受多用途先進渦輪發動機」（VAATE）項目的延續，旨在為第七代航空發動機開發所需的技術，先進性和經濟可承受性是ATTAM項目的兩個重點。

　　ATTAM項目第一階段將持續到2026年，目標是將發動機的燃油效率在目前的基礎上增加10%~30%，從項目一開始就將動力和熱管理技術加以綜合考慮，通過增壓燃燒等技術將推進效率提升10%~25%，同時降低研發製造和維修支持成本。AFRL表示，根據美國空軍的未來推進系統發展計劃，ATTAM項目著重基礎和應用方面的研究，重點應對以下四大挑戰。

　　一、整合推進、動力和熱管理技術

　　在推進、動力和熱管理方面的新技術能夠提高系統的功率和熱管理效率，為多種型號的發動機創新奠定基礎。具體的技術目標之一是發展新型自適應發動機驗證機。

　　與GE公司的自適應發動機（AETD）項目和普惠公司的XA100/101自適應發動機項目採用三涵道方式改變外涵道低壓氣流循環不同，新型驗證發動機的理念是改變流經發動機核心機的高壓氣流。AFRL表示，最初的研發重點是發動機部件，同時注意降低核心組件研發風險以及發動機驗證機測試的風險。

　　這一領域還包括在現有自適應發動機的基礎上，評估先進渦輪發動機的系統整合與控制技術，評估先進亞聲速和超聲速發動機概念在一體化推進、動力與熱管理驗證計劃下的效能。技術整合的另一個關注點是推進、動力與熱管理中的電子技術研究，以及相應的熱管理系統研發項目。

　　二、中小型發動機技術

　　AFRL表示，小型和中型發動機技術包括渦軸、中小型渦噴和渦扇發動機，其級別是推力小於89kN的噴氣發動機或功率小於7500kW的渦軸發動機。相關技術應當提升發動機性能，能夠在多種飛行狀況和馬赫數下運轉，適應未來的導彈和空中作戰平台打擊時間敏感目標的任務需求。

　　這方面的主要計劃是「高效小型動力」（ESSP）項目，發展先進的發動機核心組件，製造推力4.5kN以下的噴氣發動機、功率約750kW的渦軸發動機；另外還將同步研究發展「高效中型動力」（EMSP）項目。

　　其他的中小型動力項目包括發展經濟可承受的亞聲速和超聲速渦輪發動機，亞聲速發動機方面主要是降低飛行和維修成本、提升性能，並使用新材料和塗層技術；而超聲速發動機方面將以渦輪衝壓組合發動機為主，但並不局限於此，要研發更好的熱管理系統、進氣口和噴嘴、潤滑系統，引入先進材料和製造工藝。

　　三、發動機裝備的經濟可承受性技術

　　相關研發目標包括增強經濟可承受性、裝備可用性和提升當前的、發展中的和未來空戰平台的作戰效能。新型推進技術要做到環保和高效費比，部件和發動機整體性能、可操作性、耐久性、故障診斷和預防、燃油和潤滑性能等都要提升。這方面的關鍵領域包括「先進發動機支持技術」（AEST）項目，關注點是安全、耐久性和降低成本，涉及的研究內容包括如何提升部件和塗層的耐久性、降低重量以及研究一整套預測分析和故障診斷方法，如新的物理模型、轉子動力學和健康預測管理。

　　相關項目如「目標壽命設計系統」（TLDS）將成為新型發動機的設計方法，更好地滿足全生命周期的維修支持需求。其他研究領域包括發展驗證下一代推力增強系統，提升現有加力燃燒系統的性能。實現這一目標要求美國空軍能夠創新研發體系結構，以及強化診斷和測試能力，使空戰平台的作戰包線更為寬廣。

　　在「戰場空間燃料計劃」（BF）之下，美軍還要研發和驗證先進的燃料系統，其技術領域包括提升飛機的燃料熱穩定性、實時監控燃料的健康狀況、解決高馬赫數飛行平台的燃料散熱問題、提升燃料的能量密度以解決飛行平台油箱容量受限的問題。

　　四、發展「革命性的技術」

　　AFRL表示，這些革命性的技術能夠從根本上提升發動機熱效率和推進效率、降低成本、縮短飛抵目標的時間，還能提升功率和熱管理的效率。例如，高馬赫數渦輪發動機技術可用於高超聲速飛機和導彈的渦輪基組合循環發動機；渦輪電力推進系統的研究將與相關軍用飛行平台整合，支持在未來的空戰平台上裝配定向能武器；而混合動力系統、混合動力控制和高效動力分配系統也都是重點研發領域。

　　在「極高效率發動機」項目（VHEE）之下，AFRL將進一步研究高壓比壓氣機、一體化動力與熱管理、自適應循環結構和先進軸承等。儘管沒有太多細節公布，但是這是AFRL近期完成的「高效嵌入式渦輪發動機」（HEETE）的後續項目，而HEETE目標是為推力級別為89~156kN的下一代亞聲速發動機研發高溫高壓壓氣機技術。

　　增壓燃燒技術是先進動力概念的另一核心技術，與脈衝爆震和旋轉爆震發動機技術同等重要，許多防務領域製造商都在加速進行該項技術研究。作為ATTAM概念的一部分，該技術在未來將有廣泛的應用領域。

　　與傳統的布雷頓循環發動機相比，增壓燃燒能夠提升潛在的熱效率和推重比，在燃燒室和發動機核心組件的燃燒過程中產生壓力增益，而不是壓力損失，能夠降低油耗15%。ATTAM項目研究將進一步整合與主推進、加速、主燃燒和發電相關的增壓燃燒技術。