輕型低成本渦扇：中國航發要彎道超車了_風聞

近來流傳一箇中科院工程熱物理研究所所長朱儁強在2023年7月29日格致論道第99期上的公開科普視頻，透露研製成功：

1、 超音速輕型渦噴

2、 高升限低油耗輕型渦扇

3、 高效費比輕型單轉子渦扇

已經形成400、750、1000公斤推力級的產品系列，並交付軍方。

戰鬥機和民航客機的大推力發動機更加抓眼球，但隨着無人機、巡航導彈的高速發展，小推力發動機的重要性急劇增高。比如，“戰斧”巡航導彈的威廉姆斯FJ44渦扇就是1000公斤級，美國空軍正在研製的“忠誠僚機”XQ-58用的也是1000公斤級的渦扇；C-802和RBS15反艦導彈用的TRI60渦噴則是400公斤級，JASSM-ER隱身巡航導彈用的特里達因CAE J402渦噴則是700公斤級。

小推力發動機並不是大推力發動機的簡單縮小。小推用於公務機、支線客機、教練機等，更多地用於可消耗的場景，如靶機、巡航導彈等，特別注重低成本。

具體到工程熱物理所的這三個新型發動機，它們既是獨立的成就，又是循序漸進的。

渦噴發動機簡單輕巧，迎風阻力小，要麼用於低成本場合，要麼用於超音速場合。由於低成本問題已經通過更加省油的新型單轉子渦扇解決，新型渦噴注重超音速，高截面推力和多電是關鍵詞。

典型發動機有突出於機匣的附件系統，增加迎風面積和阻力

噴氣發動機都有附件。從啓動/發電機到燃油泵、滑油泵和散熱系統，都佔有一定的體積和重量。超音速發動機還需要收斂-擴散噴口，作動機構傳統上是液壓的，也需要液壓系統。傳統做法是發動機通過機械方式帶動啓動/發電機和燃油泵、滑油泵以及液壓泵。但附件不僅增加重量和體積，也必須安裝在機匣之外，增加迎風面積和阻力。

加力式小渦噴示意圖，注意，這裏的壓氣機是離心式的

全電化後，啓動/發電機整合到中軸上，不再佔用迎風面積，這已經是先進發動機的通行做法了。但附件全電化是領導潮流的，這大大降低了附件的體積、重量和成本。

在解決加力啓動時壓氣機的穩定工作問題和加力燃燒室的可靠點火問題之後，新型小渦噴成為國內第一台超音速小渦噴，可用於超音速無人機、靶機、巡航導彈。

高升限小渦扇則是針對高空無人機的，需要在20000米高空穩定工作。高空長航時無人機在軍事上有特殊重要性。巡航高度越高，作為偵察-監視平台，偵察-監視的斜距越大；作為通信中繼平台，中繼通信距離越大；作為打擊平台，對地攻擊導彈和滑翔炸彈的射程越大。高空巡航還可以避免主打中低空的野戰防空系統的攔截，只有高空遠程防空導彈才能威脅到高空無人機。

作為高空適用的發動機，低壓、低氧環境的可靠點火是個問題，但從低空到高空所有空氣密度條件下壓氣機的可靠和高效工作。

壓氣機主要分軸流式和離心式。軸流式壓氣機好比多級串聯的電風扇，空氣流量大，迎風面積小，但每一級的增壓有限，進氣壓力較低時增壓比尚可，但進氣壓力較高時增壓比就不給力。好在多級串聯後依然可以達到很高的增壓比，但結構複雜，製造和維修成本高。

離心式則是單一的“火山形”葉輪，當然山尖指向進氣方向。葉片和流道沿徑向展開，進氣在離心力的作用下向蝸殼甩出，達到增壓。離心式壓氣機結構簡單輕巧，製造和維修成本都低，增壓比更高，但空氣流量小，迎風阻力大，兩級串連還行，多級串聯效率急劇下降。

軸流式（左上）vs離心式（右下）

由於離心式壓氣機的增壓在徑向進行，所以也稱徑流式壓氣機。軸流式壓氣機的增壓當然就是在軸向進行。在兩者之間，其實還有斜流式，特點在兩者之間，設計也比兩者更加複雜。但在現代計算流體力學的幫助下，斜流式壓氣機正在得到重視，可以在相對於軸流式來説流量損失不大的情況下，大體保持相對於離心式的高增壓比的優點。工程熱物理所的高空小渦扇正是利用了斜流式壓氣機。

小渦扇有用軸流式壓氣機的，更多的是用軸流-離心式壓氣機，用簡化的軸流式壓氣機先初步增壓一下，然後用離心式壓氣機進一步增壓到規定的壓力。工程熱物理所的新型高空渦扇正是用軸流-斜流式壓氣機。

從常見的軸流-離心式（左）改為先進的斜流-離心式，壓氣機效率和穩定性大大提高

斜流比軸流的增壓比高，S形的彎管貌似損失很大，實際上在彎曲擴容中減速增壓，損失並不像直觀的那麼大。發動機進氣道的作用就是對進氣減速增壓，最後都有某種S形的擴容增壓段。

離心式壓氣機最後形成的是“環形”高壓氣流，但發動機燃燒室並不在中軸線上，而且不是單一的，是沿着周長環形佈置的多個“燃燒罐”。所以從離心式壓氣機的蝸殼邊緣分段彙集高壓氣流，分別注入燃燒室，來得正好。相比之下，軸流式壓氣機的高壓氣流是中軸線上的“柱形”，需要分流、分配進入各個燃燒室，反而囉嗦。

由於離心式壓氣機的這些好處，早期噴氣發動機多有采用，如有名的用於米格-15的羅爾斯-羅伊斯“尼恩”。只是推力要求增加後，空氣流量要求增加，迎風阻力的問題增大，軸流式壓氣機才成為主流。

採用斜流後，穩定裕度不變的情況下，負荷提高90%，極大改善了壓氣機的運作。

在這些關鍵技術的支持下，新型單轉子渦扇發動機應運而生。

噴氣發動機是靠動量守恆產生推力的，向後“甩出”的空氣流量越大，推力越大。渦噴用燃燒的熱能產生膨脹，而壓氣機在前面“頂住”燃燒室產生的壓力，膨脹只能向後，產生推力。但高温高速燃氣的熱力學效率較低。按照熱力學第二定律，最高的推進效率是從略高於環境空氣的温度、速度中獲得的。

渦扇將部份高温燃氣的能量轉化為機械能，驅動風扇推動空氣，產生推力，所以比渦噴省油。風扇推動的空氣流經外涵道，參與燃燒和產生高温燃氣的空氣流經內涵道，外涵道與內涵道的空氣流量之比稱為涵道比，涵道比也是外涵道與內涵道的推力之比。高涵道比渦扇最為省油，所以先進民航科技的發動機都有十分粗大的外涵道。

但風扇和低壓壓氣機需要低速運轉，高壓壓氣機需要高速運轉，一般渦扇用高速轉子套低速轉子的雙轉子結構解決不同速度的問題，相應地也需要高壓渦輪和低壓渦輪驅動高速和低速轉子，結構複雜，製造和維修成本高。

簡單粗暴的單轉子渦扇是有的，如法國“幻影2000”戰鬥機的M53發動機，就是從“阿塔”渦噴直接加風扇構成的渦扇。當然，效果也比不上同時代的美國雙轉子F100發動機。

但是思路改一下，用斜流式壓氣機，配以複合掠風扇，轉速就可以統一了。

採用複合掠風扇葉片和斜流式壓氣機的新型單轉子渦扇

斜流式壓氣機的轉速比軸流式的低壓壓氣機更高，但比高壓壓氣機低。這裏既可能是如圖所示的單級斜流式壓氣機，也可能是打了個馬虎眼，實際上是高空小渦扇的斜流-離心式壓氣機，取決於推力水平和增壓要求。

在風扇葉片方面，需要一方面作為壓氣機的預壓縮，需要葉片逐漸增加後掠角度，以補償逐漸增加的線速度，提供均勻的進氣速度和壓力；另一方面作為外涵道的推力風扇，採用前掠角度，同樣補償逐漸增加的線速度，但更加有利於葉片的受力。仔細匹配後掠-前掠角和轉速的話，可以用較高的轉速依然得到很高的風扇效率。

這樣，單轉子渦扇依然可以獲得很高的效率，而不再是歷史上簡單粗暴的單轉子渦扇，但重量降低20-30%。附件全電化進一步將重量降低20%，成本降低30%。

工程熱物理所還用下先進的陶瓷基複合材料作為渦輪材料，提高了耐温能力，在渦輪前温度提高200C的情況下，還減少了15%的冷卻空氣，不但提高了推力，還把油耗降低10%。

在這些先進技術基礎上，新型單轉子渦扇比同級渦噴的油耗降低28.5%，比傳統雙轉子渦扇的零部件數減少2/3，成本降低80%。

發動機是巡航導彈成本的重頭戲。威廉姆斯FJ44不僅用於巡航導彈，也用於飛機。飛機級的FJ44需要大大提高可靠性和耐久性，成本在200-230萬美元一台。“戰斧”Block V的單價約200萬美元，所以巡航導彈級FJ44的成本肯定要低，但依然佔“戰斧”成本中的顯著部份。將發動機成本降低80%的作用無疑是顯著的。

已知工程熱物理所的先進小推已經批量生產和交付，這也是獲得國家進一步支持、建立輕型渦輪動力全國重點實驗室和航空發動機領域第一個國家重大科技基礎設施的本錢，實驗條件可以在0-30000米高度、0-6馬赫速度裏任意變化，還將具有堪比“發動機全身CT”的全域間隙長的實時動態測量系統，可以展開單涵道、雙涵道、三涵道、變涵道比的研究，還可以針對對轉轉子、進氣道畸變、強預冷、間隙控制、燃燒室-渦輪氣熱耦合、高超音速變姿態進氣道-發動機匹配等問題進行研究。

單涵道就是渦噴，雙涵道是典型渦扇，三涵道是最近渦扇，第三涵道既可在低空低空下提供額外推力，也可在高空高速下提供冷卻氣流，解決機上系統的熱管理難題。這不光對隱身飛機很重要，對民航客機也同樣重要，降低冷卻和循環空氣進氣減少蒙皮開口和阻力損失。

變涵道比則是下一代戰鬥機的關鍵技術，在低空低速到高空高速之間達到最優涵道比，在起飛推力和高空阻力之間全域自適應。

轉子葉片帶動空氣在旋轉中前進，軸向流動時需要的，但轉動就是損失。一般需要定子（固定的導流片）將旋轉的氣流理順，以便下一級葉片有效工作。但轉子-定子這麼來回扭轉、矯直帶來損失，對轉轉子減少定子損失，但在機械、氣動、熱力學方面也大大複雜化了。

強預冷是新穎的空天動力技術，通過強預冷將空氣中的氫和氧液化冷凍分離出來，然後液氫作為燃料，液氧作為氧化劑，同時兼做冷卻介質。這將對準軌道、大氣層邊緣的飛行動力有巨大意義，但技術挑戰也是不言而喻的。

發動機葉片熱脹冷縮。發動機內温度並不均勻，重力、機動過載都對葉片形變有影響。葉片預機匣的間隙控制十分關鍵，過小會造車蹭刮和過熱，嚴重時造成斷裂和起火；過大則易於使得後級向前級“漏氣”，損失氣動和熱工效率。發動機間隙控制是技術機密所在，普拉特-惠特尼的PW1000G齒輪渦扇和F135渦扇都有間隙控制問題，這也是中國航發繞不過去的難關。

燃燒室繞發動機周長設置，這造成渦輪進氣端温度不均勻，對應於燃燒室的部份温度高，對應於燃燒室之間空隙的部份温度低。這樣的温度不均勻對渦輪前氣動和熱工狀態有很大影響，需要研究。

高超音速飛行時，組合循環發動機（如渦噴-亞燃衝壓-超燃衝壓）的模式切換與過渡、進氣道-發動機匹配、複雜姿態下發動機的穩定工作都是基本發動機研製成功到發動機-飛機組合實用化之間必須越過的難關。

在更小的層面上，直升機上的渦軸發動機還是軸流-離心式壓氣機為主，因為推力要求相對較低，也對迎風阻力不敏感。工程熱物理所在斜流式壓氣機方面的突破相信也會對中國渦軸是有用的技術拉動。

陶瓷基復材在先進發動機裏開始得到使用，但通過無人機、巡航導彈上的小推積累經驗，對未來應用到戰鬥機和民航客機發動機上具有極大的鋪墊意義。

中國航發正在進入自由王國，但這不是通過跟在先行者後面追趕就能達到的，還需要在突破性發展方面“有所為、有所不為”。工程熱物理所正在有所為的路上迅猛前進。