通用的经济可承受的先进涡轮发动机研究计划的主要特点

梁春华

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 1 10015）

通用的经济可承受的先进涡轮发动机研究计划的主要特点

梁春华

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 1 10015）

通用的经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE）研究计划是综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）研究计划的后续国家级技术研究计划，是为了满足美国未来武器系统的更高要求而实施的。对这2个计划的研究内容、应用范围和管理方法进行了分析与归纳。结果表明：相对IHPTET研究计划，VAATE研究计划更追求经济可承受性的提高、研究和应用的范围的进一步扩展及自上而下（航空器→领域→部件）的方法的高效性。

VAATE研究计划；IHPTET研究计划；经济可承受性；计划管理；涡轮发动机

0 引言

21世纪美国武装系统要求，未来的涡轮发动机必须既要提高性能（增大推力、降低耗油率、减轻质量、提高耐久性、降低噪声与排放等），又要降低费用（降低研制、采办、使用和保障费用等）。为此，在综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）研究计划取得部分重要成果和成功经验的基础上，美国官产学机构于1999年开始筹划、于2003年开始部分实施（2005年开始全面实施）其后续计划——通用的经济可承受的先进涡轮发动机（VAATE）研究计划，开发、验证和转移革新的涡轮发动机技术，以使现役、在研和未来的各种军、民2用发动机在经济可承受性（采用推进能力与费用指数的比值表示）方面取得革命性的改进。

VAATE研究计划是对IHPTET研究计划的继承和发展。继承了IHPTET研究计划的成功经验，即：保持稳定且持续的投资；明确国防关键技术目标；制定附有里程碑的明确验证目标；依靠政府、工业界和学术界的密切合作；采用渐进式分阶段的方式不断地进行技术开发、验证和转移；开发军民2用技术等。对IHPTET研究计划的研究目标进行了更全面和更长远的拓展，研究与应用范围进行了明显的拓宽，组织结构进行了重组与优化，进而形成了一些鲜明特点，为VAATE研究计划目标的实现提供了组织、资金和技术保证。

1 技术研究目标更宏大且更具挑战性

VAATE研究计划的目标是：2003～2017年，使现役、在研和未来的军、民2用推进系统的经济可承受性较基准推进系统（如F119发动机）的提高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%（见表1）。而IHPTET研究计划的目标是：1988～2005年，使航空发动机的能力提高1倍；以大推力级涡扇/涡喷发动机为例的具体目标（见表2）。也就是说，与后者相比，前者的目标已经不是只追求提高能力，而是调整为在追求提高能力的同时，同等地甚至更多地追求经济可承受性和耐久性。因此，VAATE研究计划的目标更加全面和宏大，也更加具有挑战性。

表1 VAATE研究计划的大推力级涡扇/涡喷发动机的具体目标

表2 IHPTET研究计划的大推力级涡扇/涡喷发动机的具体目标和实现情况

2 应用范围更宽广，飞行器收益更明确

VAATE研究计划在实施伊始即针对更加宽广应用领域开发、验证和转移先进涡轮发动机技术。这些应用领域不仅包括军用航空器，还包括民用航空器，甚至包括革新的飞行器、舰船和发电设备等。

2.1 军用航空领域

VAATE研究计划开发和验证的先进涡轮发动机技术，不仅面向传统航空武器系统，如全球攻击机、先进隐身作战飞机、先进运输机、垂直/短距起降（V/STOL）飞机等，还面向长航程、高马赫数和长耐久性的非传统飞行器，如无人战斗机、高马赫数巡航飞机、低费用空间飞行器等；不仅面向未来的各类飞行器，还面向现役、在研的飞行器。这些技术给飞行器带来的好处可能包括：航程延长、后勤保障规模减小、战备完好率提高、噪声与污染排放降低、隐身性提高、高速续航能力提高等。VAATE研究计划对现役和未来军用飞行器带来的预期收益见表3。

表3 VAATE研究计划给现役和未来飞行器带来的预期收益

2.2 民用航空领域

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、维修时间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。

2.3 革命性的航空运输领域和太空产品

VAATE研究计划还将惠及新型和革命性的航空运输领域和太空产品。VAATE研究计划开发和验证的技术，可以用于发展更高单位功率的涡轮发动机，以满足超声速民用飞行器和城市间垂直起落的固定翼飞机的要求；也可以为比NASA X-43计划更先进的可重复使用高超声速飞行器和经济可承受的民用太空飞行器的研制提供必不可少的技术基础。

2.4 非航空领域

VAATE研究计划也将惠及火箭、舰船动力、地面运输等其他非航空领域的产品。该计划开发和验证的涡轮和压气机技术，可以应用在以叶轮机为基础的火箭燃料泵与喷气发动机上，也可移植到传统的和组合循环火箭发动机上。该计划开发和验证的燃烧室技术，可以引入舰船、发电、机械驱动等领域燃气轮机低排放燃烧室设计中。其开发和验证的各种制造工艺、分析性设计工具、智能发动机控制系统和耐久的高温材料，可以引入各种用途的涡轮发动机产品中。

3 组织结构适应大的研究范围和高的综合目标

VAATE研究计划的组织结构充分借鉴了使IHPTET研究计划取得巨大成功的一些经验和特性。其中包括：由政府、学术界和工业界进行大合作；由政府部门和工业界高层领导组成的指导委员会进行监督和指导；利用联合技术验证机研究计划，对先进发动机方案、设计工具、性能、寿命和费用等方面的改进设计进行验证。同时，为了适应研究与应用范围的扩展和研究目标的提高，在IHPTET研究计划组织结构的基础上，对VAATE研究计划的组织结构的参研单位和技术工作组织方面进行了调整和优化，分别如图1、2所示。

与IHPTET研究计划采用自下而上（部件→整机）的方法不同，VAATE研究计划采用自上而下 （航空器→领域→部件）的方法组织技术开发和验证工作，通过强调高性能和低费用来保证实现10倍经济可承受性的目标。为此，VAATE研究计划的参研单位，除保留IHPTET研究计划中的5个军政部门（陆军、空军、海军、美国国防部预研局（DARPA）和美国航空航天管理局（NASA））和6家工业部门（GE公司、霍尼韦尔（Honeywell）公司、PW公司、AADC公司、威廉姆斯（Williams）公司和特里达因（Teledyne）大陆发动机公司）以外，新增加了2个政府部门（国防部办公室（0SD）和能源部（DOE））和3家飞机及系统制造商（波音（Boeing）公司、洛克希德·马丁（Lockheed Martin） 公司） 和诺斯罗普·格鲁门（Northrop Grumman）公司）。这样，VAATE研究计划的参研单位不仅包括军用部门和涡轮发动机公司，还包括政府部门和飞机机体制造商，构成了1个庞大的一体化团队或“大集团”，可以在国家层面制定涡轮发动机研制战略，也可以在参与研究的机构中融资，为推进系统和舰船/发电燃气轮机的技术开发和验证提供强有力的组织和经费保障。

与IHPTET研究计划的相比，VAATE研究计划的技术工作组织变化较大，将部件技术组（包括风扇/压气机、燃烧室、涡轮、排气系统、控制系统、机械系统和验证机）改为重点领域组，改组了共用技术组，增加了技术应用组。重点领域组设立通用核心机、智能发动机和耐久性3个小组。共用技术组去掉了计算流体力学、结构和降低费用3个小组，保留了IHPTET研究计划的材料小组，新设立建模与模拟、污染与噪声、制造技术和高效技术4个小组。其中，前4个小组为研究计划的重点技术支持小组；高效技术小组的任务是把政府内部机构和工业部门的试验设备组织起来，开展发动机主要零部件的研究和试验，并将验证的研究成果移植到新研制发动机上，起到架起研究与技术开发的桥梁、降低采购费用、提高经济可承受性的作用。技术应用组下设无人机应用、现行宇航应用、非宇航应用和在役机种应用4个小组，目的是直接与用户联系，迅速而合理地将所取得的研究成果移植到现役、在研和未来的各种武器系统中。

4 制定更具体且实际的技术实施措施

VAATE研究计划目标的实现途径是：通过开发、验证和转移革新、低费用和通用的发动机技术，使发动机的综合能力提高和总费用降低。

4.1 开发和验证革新的发动机部件和技术

在VAATE研究计划下，将为现役、在研和未来的发动机开发和验证革新的发动机部件和技术（如图1所示），以使发动机的推重比提高和耗油率降低，进而使其经济可承受性提高。这些技术和（或）部件主要包括先进的流量可控进口、允许畸变的轻质风扇、多用途大流量的压气机、紧凑高效的低排放燃烧室、高效全寿命长时间热态工作的涡轮、一体化的涡轮后框架与加力燃烧室、耐久的推力矢量喷管、模型基非线性自适应控制系统、一体化的健康管理系统、综合的热管理系统、耐久的损伤容限设计技术、内部起动机/发电机、先进的燃油添加剂/热稳定高热沉燃料技术等。

4.2 开发和验证先进的低费用技术和措施

在VAATE研究计划下，主要在研制、生产和维护3个方面开发、验证和应用先进的低费用技术，以提高发动机的经济可承受性。在研制方面，主要通过采用虚拟设计与试验、使技术快速成熟、较早进行发动机/飞机一体化、让分研制商分担研制费用等技术和措施降低费用；在生产方面，主要通过采用多系统硬件、先进加工技术、低费用部件、革新的装配技术和减少部件数等技术和措施降低费用；在维护方面，主要通过采用无维护设计与损伤容限设计、减少计划外拆卸率、实施发动机健康管理、提高热态工作能力、延长寿命、采用可修理的部件和改善检查方法等技术和措施降低费用。

4.3 开发和验证通用性技术

在VAATE研究计划下，通用核心机、智能发动机和耐久性3个关键领域工作组共同为超声速多用途战斗机、未来的旋翼机、长航程攻击机、超声速导弹、无人机、全球到达运输机和舰船燃气轮机开发和验证通用性技术，以提高发动机的经济可承受性。

通用核心机工作组，通过采用先进材料、气动设计技术和革新的结构，开发和验证高压比高压压气机、均匀混合且燃烧的高性能燃烧室、高效涡轮、先进的机械系统和先进的燃油系统，进而研制通用核心机，再进一步发展更高性能、更高耐久性和更低费用的军民2用发动机验证机，直到研制出各种用途的涡轮发动机，以满足从战斗机、运输机到导弹和无人机的多种飞行器的创新与发展要求，进而使发动机用户采购费用降低和经济承受性提高。

智能发动机工作组，开发、验证和转移先进空气动力学、先进材料、革新结构、主动控制、发动机健康管理、飞机与发动机一体化、进口与喷口一体化等技术，以使现役、在研和未来的有人和无人飞行器发动机的性能/可靠性/生存能力提高、寿命延长，进而使其经济可承受性提高。

耐久性工作组，提前开发结构分析、低费用寿命估算、热端部件气动热力评估、材料、涂层、加工与修理、无损探伤、测试等先进技术，使发动机的零部件避免损伤，寿命延长，可靠性与维修性提高，费用降低，使其寿命延长和维护费用降低，进而使其经济可承受性大大提高。

4.4 应用实例

通过这3个关键领域工作组的工作，实现VAATE研究计划降低维护费用60%分目标的实例见表4。

表4 VAATE研究计划降低维护费用60%分目标的实例

5 结束语

综上所述，VAATE研究计划相对IHPTET研究计划具有以下特点：

（1）研究目标更宏伟。VAATE研究计划不再是只追求提高能力，而是在追求提高能力的同时，同等地或更多地追求经济可承受性和耐久性；不只是追求发动机本身能力的提高，而是追求整个飞行器推进系统性能的提高。

（2）研究和应用范围更宽泛。其技术研究和应用的范围不仅包括军用航空领域，还包括民用航空领域，也包括新型/革命性的航空运输和太空产品领域，甚至包括火箭、舰船动力、发电和地面运输等其他非航空领域。将部件技术组改为重点领域组，改组了共用技术组，增加了技术应用组。

（3）组织机构更加全面且有效。不再采用IHPTET研究计划的自下而上（部件→整机）的方法，而是采用自上而下（航空器→领域→部件）的方法组织技术开发和验证工作；不但包括了IHPTET研究计划中的所有机构，而且增加了政府的民用部门和飞机机体制造商。

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[8]吴大观.关于新版综合高性能涡轮发动机技术计划——兼谈航空发动机研制中“基础技术”和“验证机”的重要作用[J].航空发动机，2003，32（2）：1-4.

Key Features of Versatile Affordable Advanced Turbine Engine Program

LIANG Chun-hua
（AVIC Shenyang Aeroengine Research Institute,Shenyang 110015,China）

The Versatile Affordable Advanced Turbine Engine（VAATE）program was a succeeding national program of the Integrated High Performance Turbine Engine Technology （IHPTET）program,was created to meet the more stringent and strong needs of future weapon system.The study content,application and management method were analyzed and generalized.The results show that compare to IHPTET program,the VAATE program has the more challenge and great affordability goals,the more extensive research and application extent,the more efficient organization management of from top to down.

VAATE program;IHPTET program;affordability;program management;turbine engine

梁春华（1968），男，工程硕士，自然科学研究员，从事航空发动机情报研究工作。