航空飛行器的發(fā)展趨勢

航空飛行器的發(fā)展趨勢

現(xiàn)在，世界新的軍事改革對航空航天飛機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。隨著大批關(guān)鍵技術(shù)的突破,航空飛行器向信息化、隱身化、智能化、機(jī)動化、空天一體化、經(jīng)濟(jì)化等方向發(fā)展。其中主要有以下6個發(fā)展方向:(1)注重聯(lián)合作戰(zhàn)能力,各種飛機(jī)的信息化改造和升級,使航空飛行器的信息化程度空前提高;(2)突出隱身能力,使航空飛行器的防護(hù)能力全面提高;(3)自動化程度不斷提高,使航空飛行器逐步走向智能化、無人化;(4)采用短距起飛/垂直著陸(STOVL)的升力風(fēng)扇和推力矢量技術(shù),將普通作戰(zhàn)飛機(jī)和直升機(jī)二者的優(yōu)點結(jié)合起來,使航空飛行器的機(jī)動性進(jìn)一步得到加強(qiáng);(5)強(qiáng)調(diào)對近空間飛行器的開發(fā)和驗證,使航空飛行器更趨于空天一體化;(6)強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)可承受性,使航空飛行器進(jìn)一步向多功能、低能耗方向發(fā)展,在高油價、高成本的壓力下,航空飛行器對節(jié)能和低排放也提出了新的要求。發(fā)動機(jī)核心技術(shù)攻關(guān)進(jìn)展20世紀(jì)90年代以來,美國、英國、法國和俄羅斯等航空發(fā)動機(jī)技術(shù)先進(jìn)的國家已經(jīng)或正在研制F119、YF120、F135、F136、EJ200、M88、117S等第4代軍用小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)。與此同時,這些國家傾注了巨大的人力、物力、財力,實施了綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)(IHPTET)、通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)(VAATE)、先進(jìn)的軍用核心發(fā)動機(jī)(ACME)、先進(jìn)的軍用發(fā)動機(jī)技術(shù)(AMET)等多項發(fā)動機(jī)技術(shù)研究計劃。這些基礎(chǔ)研究計劃都在型號研制前15~20年就已經(jīng)啟動,并開發(fā)、驗證和突破了很多關(guān)鍵技術(shù),為各種先進(jìn)軍、民用發(fā)動機(jī)的型號研制提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。由于種種原因,我國長期以來對航空發(fā)動機(jī)研制重視不夠、投入不足,基礎(chǔ)研究工作不夠系統(tǒng)深入,在航空發(fā)動機(jī)部件、系統(tǒng)及整機(jī)設(shè)計、制造、試驗、使用維護(hù)等方面與國際先進(jìn)水平都存在很大差距,需要有重點、有針對性地開展一些關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。航空動力技術(shù)的研究熱點和發(fā)展趨勢1垂直/短距起落架飛機(jī)升力風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)隨著飛機(jī)速度和性能的提高,起飛和著陸距離也隨之不斷加長,這會給飛機(jī)使用帶來不利影響。直升機(jī)具有垂直起降能力,但其速度低、升限不高,不適合空戰(zhàn)和大規(guī)模轟炸一類的任務(wù)。垂直/短距起降飛機(jī)(STOVL)能將普通作戰(zhàn)飛機(jī)和直升機(jī)二者的優(yōu)點結(jié)合起來,形成一種既能垂直或短距離起降,又可以實現(xiàn)高速飛行的航空器,軍用價值大大增強(qiáng)。因此,國外一些研究機(jī)構(gòu)對短距/垂直起降(STOVL)升力風(fēng)扇及推力矢量技術(shù)發(fā)動機(jī)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分解研究,這些技術(shù)主要包括:(1)升力風(fēng)扇技術(shù);(2)發(fā)動機(jī)的尾噴流效應(yīng)技術(shù);(3)強(qiáng)勁的發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng);(4)減重技術(shù);(5)飛行控制系統(tǒng);(6)發(fā)動機(jī)尾噴流推力矢量控制技術(shù);(7)全數(shù)字設(shè)計技術(shù)研究。2齒輪級間燃燒itb的關(guān)鍵技術(shù)航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計總是朝著高效率、高推重比和低污染方向發(fā)展。常規(guī)發(fā)動機(jī)燃燒室出口溫度受渦輪導(dǎo)向器材料耐溫極限的限制,但是隨著氣流通過高壓渦輪作功,燃?xì)獾臏囟纫陆?00~500℃,進(jìn)入低壓渦輪的燃?xì)鉁囟容^低,相對于低壓渦輪材料,氣流溫度還有提高的裕度,如果能供油燃燒,即采用所謂的渦輪級間燃燒室(ITB)技術(shù),可提高低壓渦輪進(jìn)口溫度,使發(fā)動機(jī)的循環(huán)功加大,而且此處壓力較高,燃燒效率也就高,因而既提高了推力又使耗油率保持較低的水平,對降低污染物排放、減少發(fā)動機(jī)冷卻氣量、提高發(fā)動機(jī)安全性十分有利。因此,國外一些研究機(jī)構(gòu)對高、低壓渦輪間級間燃燒室(ITB)和低壓渦輪整流支板和加力燃燒室穩(wěn)定器一體化設(shè)計的級間燃燒室(TIB)兩種方案的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。這些技術(shù)主要包括:(1)級間燃燒室(ITB)的整體方案和燃燒室參數(shù)的選擇;(2)燃燒組織方案研究;(3)高壓渦輪出口渦旋氣流對燃燒穩(wěn)定性的影響;(4)低壓渦輪冷卻系統(tǒng)設(shè)計;(5)低壓渦輪整流支板和加力燃燒室穩(wěn)定器一體化設(shè)計。5加力燃燒室系統(tǒng)新一代的殲擊機(jī)具有高機(jī)動性和敏捷性;具有高隱身能力;能實施超音速巡航;具有良好的可操縱及可維護(hù)性。為此,對其配裝的航空發(fā)動機(jī)提出了更高的要求,即具有高的推重比、具有隱身能力和推力矢量功能。對于加力燃燒室來說,要求加力燃燒室具有更高的內(nèi)涵進(jìn)口氣流溫度和低的耗油率,在非加力時有較低的流阻損失和較高的推進(jìn)效率,同時還需降低紅外輻射和雷達(dá)散射,降低航空發(fā)動機(jī)的可探測性。加力燃燒室是提高發(fā)動機(jī)推重比的重要技術(shù)手段,但是傳統(tǒng)的加力燃燒室噴油裝置和火焰穩(wěn)定器直接被安置在加力燃燒室主氣體流路中,不可避免地對主流產(chǎn)生堵塞,造成明顯的總壓損失,尤其是不開加力室的“冷態(tài)”流阻損失,傳統(tǒng)的加力燃燒室的耗油率較高,不能長期使用。如圖2所示,將加力燃燒室火焰穩(wěn)定器與渦輪后整流支板及帶氣膜冷卻的加力內(nèi)錐進(jìn)行一體化設(shè)計,可取消傳統(tǒng)的加力燃燒室火焰穩(wěn)定器,大大降低非加力“冷態(tài)”流阻損失,縮短加力燃燒室長度,減少附加重量,提高發(fā)動機(jī)的推重比;引外涵空氣冷卻整流支板及加力內(nèi)錐,可降低整流支板及加力內(nèi)錐的壁溫,從而降低加力燃燒室的紅外輻射強(qiáng)度,該方案的突出優(yōu)點是在加力時有利于穩(wěn)定燃燒,在非加力時有較低的的流阻損失和較高推進(jìn)效率,同時還能降低紅外輻射及雷達(dá)散射,有效縮短加力燃燒室長度。該方案是未來高推重比、高隱身航空發(fā)動機(jī)加力燃燒室發(fā)展的重要方向之一。6當(dāng)?shù)氐穆菪娡七M(jìn)系統(tǒng)近空間一般指距地面約20~100km的空域,處于現(xiàn)有飛機(jī)的最高飛行高度和衛(wèi)星的最低軌道高度之間,既不屬于傳統(tǒng)的航空范疇,也不屬于傳統(tǒng)的航天范疇。由于空氣太稀薄,一般航空發(fā)動機(jī)難以支持;對于衛(wèi)星,重力加速度又太大,不能持久保持軌道運行。飛艇利用浮力原理升空、具有長期駐空能力、大范圍定點能力,可用于情報收集以及對空、對地甚至太空作戰(zhàn)等。螺旋槳電推進(jìn)系統(tǒng)是高空飛艇的一種比較理想的推進(jìn)系統(tǒng),應(yīng)積極展開飛艇的矢量推進(jìn)系統(tǒng)的布局及推力分配等相關(guān)技術(shù)的研究。組合動力是實現(xiàn)近空間跨音速飛行的有效技術(shù)手段,應(yīng)對火箭沖壓(RBCC)、渦輪沖壓(TBCC)和磁控沖壓(MHD-Scramjet)等組合動力的關(guān)鍵技術(shù)開展研究。發(fā)展方向展望隨著飛行平臺對高推重比、高隱身、寬馬赫動力技術(shù)需求的日趨緊迫,一些新的推進(jìn)技術(shù),如級間燃燒室、加力燃燒室火焰穩(wěn)定器與渦輪后整流支板及帶氣膜冷卻的加力內(nèi)錐一體化設(shè)計、磁流體渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)等可望為解決高推重比、高隱身、寬馬赫動力技術(shù)需求提供新的思路和研究方向。國內(nèi)應(yīng)積極投入人力、物力開展一些前期基礎(chǔ)和預(yù)先研究工作,以滿足航空飛機(jī)器可持續(xù)發(fā)展的需求。3雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒taps技術(shù)由于航空發(fā)動機(jī)的燃油消耗量很大,其排放具有污染嚴(yán)重且排放局部危害大等特點,對人類和環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。軍用航空飛行器從增加航程和強(qiáng)化隱身等角度出發(fā),對其配裝的航空發(fā)動機(jī)也提出了低排放要求。雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒(TAPS)技術(shù)是目前國際公認(rèn)的最有可能滿足國際最嚴(yán)格的排放要求CAEP7的低污染燃燒技術(shù),國內(nèi)開展的相關(guān)研究表明,雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室與單環(huán)腔(SAC)、雙環(huán)腔燃燒室(DAC)對比,雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒(TAPS)技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯。雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒(TAPS)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:(1)雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室的優(yōu)化設(shè)計;(2)雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室流量分配和燃燒組織;(3)雙環(huán)預(yù)混旋流燃燒室污染物排放的基本過程及其控制因素。4磁流體推進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)磁流體(MHD)推進(jìn)技術(shù)可大幅提高發(fā)動機(jī)非設(shè)計狀態(tài)的性能,完成飛行馬赫數(shù)從亞聲速、跨聲速、超聲速擴(kuò)展到高超聲速飛行,實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的推力矢量控制(如圖1所示)、流動分離控制和隱身,為機(jī)載設(shè)備提供強(qiáng)大的電力。磁流體推進(jìn)技術(shù)(MHD)卓越的性能及應(yīng)用前景引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,1993年俄羅斯提出渦噴+MHD推進(jìn)的AJAX方案;1997年美國ASRT計劃研究結(jié)果表明,磁流體渦輪沖壓組合發(fā)動機(jī)方案具有很多優(yōu)越性;2005年,美國航空航天局將磁流體與等離子體動力學(xué)列為未來幾十年內(nèi)保持技術(shù)領(lǐng)先的6大基礎(chǔ)研究課題之一;2008