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发表于 2012-3-26 18:01:13
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来自: 中国广东东莞
●通用核心机 通用核心机研究领域是为一种多用途的4000h免维修发动机核心机发展技术。通用核心机为许多涡轮发动机提供一系列类似的核心机,从而达到高的通用性并降低成本。例如一个小的多用途核心机可以复盖功率为7450kW的大型涡轴发动机、推力为3100~4450daN的军用运输机发动机、推力为2230daN的无人驾驶飞行器的动力或推力为710daN的先进巡航导弹的推进装置;一个大的多用途核心机可作为战斗机、轰炸机和运输机发动机的基础。
通用核心机的好处有:军民相关发展硬件可以共用;通用零件可以降低各种成本因素;分摊发展和翻修成本;加快技术向产品的转化。通用核心机的通用性将通过下列方法实现:高的剩余功率;优良的燃油效率;耐久/鲁棒的设计;灵活、宽广的流量范围。
●耐久性 耐久性研究领域将研究、设计和试验一些手段,来防止部件失效,延长寿命,提高可靠性,最终改善性能。
耐久性对战备状态十分重要。美国空军和海军都经历过因发动机耐久性问题而造成的维修和备件不足的困境。发动机耐久性越来越引起人们的关心,目前正有一项高周疲劳(HCF)科学和技术计划在研究这个问题。在过去25年中,军用涡轮发动机的高周疲劳(HCF)故障的发生急剧增加。在1982~1996年间的美国空军发生的发动机有关的A级事故中有56%由HCF引起。HCF有关的维修费用估计每年超过4亿美元。
1994年12月开始实施的HCF计划是专门为了降低维修成本而实施的,它通过8个研究项目实现与HCF有关的维修成本降低50%的目标。这8个研究项目是:强迫响应、被动阻尼、材料损伤容限、部件表面处理、测试、气动机械特性、部件分析和发动机验证。HCF计划将延伸融入VAATE计划。
●智能发动机 目前,发动机是设定的、不灵活的,不能对变化的环境条件作出响应。它们不是按变坏的工作条件和性能恶化设计的,这导致在设计、使用和维修概念方面留有大的裕度,使性能受到不利影响,保障成本增加。
未来,发动机将发展成智能发动机。所谓智能是指能理解、调整或修改目标,并采取行动实现这些目标。智能发动机依靠传感器数据、专家模型和它们的融合,全面了解环境和发动机状态,以提供最佳的信息和作出决策,并采取物理动作执行这些决策。它能对发动机性能和状态进行主动的自我管理,并根据环境因素平衡任务要求,从而提高性能、可靠性和战备完好率,延长寿命,降低使用和维修成本。这正是VAATE计划的核心。
智能发动机关键技术有:压气机、燃烧室、间隙和振动等的主动控制,以提高性能、耐久性和生存性;带有专门诊断传感器的精确的实时性能和寿命模型,以实现自动故障诊断和维修预报;磁性轴承、内装式整体起动/发电机和模型基分布式主动控制系统;微机电技术传感器和作动器;信息融合技术(每台发动机就是一个网站),能够在问题一出现时就发觉,根据余度信息作出正确决策,允许所有用户接近;先进非线性技术,能够实现自设计、"无程序"的自适应控制,这种控制系统可以自动重构,以优化性能并适应损伤和性能恶化;灵巧结构。
非传统新型发动机的研究
除传统燃气涡轮发动机外,正在研究中的有前途的非传统新型发动机主要有以微机电技术为基础的超微型无人机用涡轮发动机、脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机、多(全)电发动机以及各种新能源动力。
●超微型涡轮发动机研究 美国麻省理工学院正在按军方合同实施一项超微型发动机计划,为各种用途研制超微型发动机,包括功率为10~100W或推力为0.005~0.05daN的涡轮发动机和推力超过1.3daN的火箭发动机。这里只介绍用于微型无人机用的超微型涡轮喷气发动机,见图29。
美国国防部预研局和陆军在1998年4月与麻省理工学院签订一项合同,要求研制一种用于微型无人机的超微型涡轮喷气发动机。无人机的翼展为127mm,重量为50g。安装一台推力为0.0127daN的涡轮喷气发动机.这种无人机可以以57~114km/h的速度飞行60~120km,每小时使用大约25g甲烷。发动机的最大外部直径为20mm,长3mm。压气机和涡轮的直径分别为8mm和6mm,涡轮叶片高度只有0.2mm。这样小的发动机将用微机电系统技术由硅制造。
这种微型发动机可以组合起来产生较大的功率或推力。例如,一个直径为200mm的微型发动机组合可以产生近9daN的推力,可作为总重为100~1000kg的战术弹药和无人机的动力。
●脉冲爆震波发动机 脉冲爆震波发动机(PDE)是一种利用脉冲式爆震波产生推力的新概念发动机。发动机一般由进气道、爆震室、尾喷管、推力壁、爆震触发器、燃料供给和喷射系统以及控制系统组成,具有结构简单、推重比高(大于20)、耗油率低(小于1kg/(daN•h)、工作范围宽(M0~10)和成本低等优点。它在高超音速航空器方面有很好的应用前景。
国外早在20世纪40年代就开始PDE的研究,到90年代进入全面发展时期。目前,PDE已经完成了概念验证,开始进行原型机的发展和试验。美国的NASA、空军和海军都在进行PDE的发展。NASA的PDE计划包括三个内容:脉冲爆震发动机技术(PDET)计划、脉冲爆震火箭发动机(PDRE)和脉冲爆震发动机飞行计划。PDET计划的重点是发展混合PDE系统,在今后2~12年内研究在普通燃气涡轮发动机的加力燃烧室里采用脉冲爆震燃烧,之后,在主燃烧室里采用脉冲爆震燃烧。2002年,NASA的PDE将进行飞行试验。2003年,将在SR-71"黑鸟"飞机上进行M3的点火试验。NASA的PDRE将在2005年进行验证,到2009年将研制出可供飞行的全尺寸发动机。
●超燃冲压发动机 超燃冲压发动机(Scramjet)是燃烧室内气流速度为超音速的冲压发动机,适用于M6~25的速度范围,是高超音速航空器、跨大气层飞行器和可重复使用空间发射器的推进装置。从50年代开始,国外就对Scramjet进行研究。在80年代中期,在国家空天飞机计划下,美国又掀起Scramjet的研究热潮。随着这项过于雄心勃勃的计划的撤消,美国NASA转为实施较为低调的"Hyper-X"计划,其主要目标是发展在飞行条件下超燃冲压发动机技术,然后发展高超音速飞行器和可重复使用的空间发射器的涡轮、亚燃冲压和超燃冲压组合发动机。该计划的X-43验证机装一台长760mm的Scramjet,已于1998年8月交付给NASA作高速地面试验,然后进行飞行试验。X-43装在"飞马座"火箭的头部,由B-52飞机将装有X-43的火箭带到空中后发射。然后,火箭再将X-43加速到所需的速度,脱开后打开Scramjet工作5~10s,将X-43加速到M7~10。虽然在2001年6月初进行的首次飞行试验中由于火箭发射后失去控制而使试验失败,但NASA表示在2002年以前将按原计划进行余下的两次试验。
美国空军、海军和国防部预研局也在研究用于高超音速军用飞行器的推进系统,近期目标是发展M4~8的导弹用的双模态Scramjet。飞行试验将于2004~2006年开始。
俄罗斯、法国、德国和澳大利亚也在进行类似的工作。
●多 (全) 电 发 动 机 作为多(全)电飞机的基础和重要组成部分,多(全)电发动机以支承发动机转子的非接触式磁性轴承和发动机轴上安装的内装式整体起动/发电机为核心,配以分布式电子控制系统,为发动机和飞机各个系统提供电力驱动。它可以取消传统的接触式滚动轴承、润滑系统和机械(液压、气压)作动系统,从而大大减小重量和复杂性,改善可靠性和维修性,降低成本。此外,所产生的电功率由两根以上发动机轴分担,可以重新优化燃气发生器,有利于控制喘振和扩大空中点火包线,改善发动机适用性;利用磁性轴承可以减少振动,增大DN值,对叶尖间隙进行主动控制;发动机轴上安装的内装式整体起动/发电机能够产生几兆瓦的电功率,除为多(全)电飞机提供电力外,还可用于生成激光或微波束,作为机载高能束武器的能源。
美国和欧共体在20世纪90年代先后开始实施多(全)电发动机计划。美国主要在多(全)电飞机(MEA)计划和综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划下组织实施,将其列为1997~2003年的第三阶段任务。鉴于磁性轴承对航空发动机性能、可靠性和成本的重要影响,欧共体五国(英、法、德、奥地利和瑞士)在1998年正式启动航空涡轮机主动磁性轴承(AMBIT)计划。
●新能源航空动力 为解决石油资源枯竭和环境污染问题,满足某些特种航空器(如高空长航时无人机)的需要,人们多年来一直在航空动力探索利用新能源,其中主要有太阳能、液氢、燃料电池、微波能和核能动力。
随着IHPTET计划和后续的VAATE计划的实现以及其它相关研究计划的完成,预计在21世纪30年代以前可能出现以下新型航空发动机。 |
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