导读

作为美国空军自适应发动机转化项目(AETP)的一部分，GE公司已于2021年底在俄亥俄州埃文代尔的高空试验台完成第二台XA100自适应发动机的第一阶段测试。2022年3月25日，第二台XA100发动机在美国空军阿诺德工程发展中心(AEDC)开始了第二阶段测试。

自适应(循环)发动机(Adaptive Cycle Engine，ACE)根据飞机不同任务需求，通过改变多个可调几何机构位置、并采用自适应控制技术，自动改变风扇、核心机流量和压比，使发动机在包线内不同速度和高度点获得最优的性能，并与飞机的组合性能达到最佳，是先进的变循环发动机。由于其具有包线内综合性能好、耗油量低且飞机航程长、进气流量自动匹配、飞/发组合性能好、隐身性能好及有利于热管理设计等优势，深得世界航空发动机先进国家，特别是美国的高度重视。但是由于其存在工作模式多而状态转换复杂、可调部件多而机构复杂且调节范围宽、可调变量多等技术难点，研究难度很大。

自适应循环发动机目前所取得的进展很大程度上得益于美国空军牵头实施的一系列自适应发动机研究计划，这些计划从2007年开始，有效地推动了自适应发动机相关技术的研究、验证和成熟。

目前正在进行的是自适应发动机转化项目(AETP)(2017-2022年)，该阶段目标是完成自适应发动机验证机的详细设计、制造和试验评估，由GE公司和普惠公司承担，现在GE公司的XA100和普惠公司的XA101均已完成第二台原型机的测试工作。并期进行的是下一代自适应推进(NGAP)项目(2019-2025年)，目标是开展用于美国空军六代机的自适应发动机原型机初步设计、详细设计、制造和评估，到2025年为自适应发动机飞行验证做好准备。

变循环发动机的实质性研究始于20世纪80年代，并逐渐演变为只有GE公司独家研制。80年代后期在DBE—GE21、DBE—GE23发动机的基础上形成世界上第1种经飞行验证的双外涵道变循环发动机——F120发动机。90年代到21世纪初，在综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)研究计划下，GE和Allison公司以XTC16/XTC76/XTC77核心机验证机和XTE76/XTE77发动机验证机为平台，开发和验证了双外涵变循环涡喷/涡扇发动机技术——可控压比发动机(COPE)技术。该阶段研究为下一阶段的自适应发动机研究积累了大量宝贵经验。

变循环是指改变热力循环的过程和技术集群;而自适应是获得变循环状态的自动化控制手段。如果发动机采用了先进传感器和全权限数字电子控制系统，具有任务自动规划和态势自动感知能力，则可实现自适应，即自动调整发动机工作方式，使发动机的模态变换和适应性调节更简便更及时，对发动机工作点与状态的动态控制更平稳更连续，从而达到综合性能最佳，这时就可称其为自适应变循环了。

自2007年以来，GE一直与空军在自适应循环发动机方面密切合作，首先是得到了自适应多功能发动机技术（ADVENT）计划的赞助，然后又实施了自适应发动机技术开发（AETD）计划。

2020年12月，由GE公司研制的自适应发动机转化项目（AETP）的XA100第一个原型机正式开始测试，并于2021年5月结束测试。

GE公司公开的下一代自适应发动机的资料显示，该发动机主要由3级风扇、7级高压压气机、2级高压涡轮和2级低压涡轮组成。这种构型无核心机驱动风扇，同时高低压涡轮级数均为两级，说明风扇和压气机的总增压比高。其压缩系统的主要特点是，第三级风扇转静子均放置于下压流路，3个涵道的分流分别在2级静子和3级转子后完成，3级风扇与下游中介机匣的过渡非常紧凑，分流环已延伸到第三级静子前缘，在第三涵道和第二涵道进口处未发现类似模式选择阀的结构。该布局形式与常规涡扇发动机相比，增加了一个涵道，在如此紧凑的结构布局下，可采用多套静子联调机构或后涵道引射器，实现3个涵道变流量和变压比的主动调节控制。

自适应压缩系统流路

据GE公司官方网站介绍，该型自适应发动机有高推力和高效率两个主要工作模式。在高推力模式下，进入发动机的空气大部分流经核心机和第二涵道，用以产生更大推力，帮助飞行员高效执行战斗任务;在高效率模式下，增加第三涵道的流量以大幅降低燃油消耗，增加飞行距离。

XA100发动机高效率模式

根据GE公司披露的信息，采用自适应变循环技术后，在同等燃油的情况下飞机的留空时间可望延长50%，航程增加33%，可减少25%的燃油消耗率，达到60%的燃油热吸收率，升力可提高10%。如用于F-35飞机，在携带两枚1000磅JDAM的情况下其作战半径可从1440千米提高到2160千米。

“传统战斗机发动机架构有局限性，”GE公司XA100负责人特威迪解释道。“你可以在推力、燃油效率或热管理方面做出微小的改进，但这意味着要选择改进哪些特性以及放弃哪些特性。自适应循环架构可实现燃油效率、推力和冷却方面的变革性改进，所有这些都在一个封装中，不必忍受传统的权衡取舍。”

高效模式也可以节省成本。与航空公司一样，美国每年的军费开支中有相当大一部分用于喷气燃料。更省油的发动机意味着使用更少的燃料并减少对空中加油机的依赖。此外还有利于减少碳排放。

“在发动机的整个生命周期中，这些燃料节省相当于一大笔钱，实际上有助于发动机收回成本，”他补充道。

特威迪将两台XA100原型发动机描述为“历史上仪表化程度最高的发动机”。发动机仪表允许测试团队确保发动机的每个部分都按预期运行。但要从五年前的起点到前两个原型测试，需要“严格的设计工作”。他说，他的团队和他们在俄亥俄州代顿市赖特-帕特森空军基地的合作伙伴必须“从无到有”制造一个新发动机。这种方法实现了这种革命性的发动机设计，同时还允许GE使用尖端制造技术，如增材制造和陶瓷基复合材料(CMC)。

“3D 打印帮助我们创造了一系列惊人的热交换器，这些热交换器根本无法以传统方式制造，”特威迪说，他指的是增材制造中使用的工艺。“我们还有一个由陶瓷基复合材料制成的涡轮叶片。这是我们投入生产的第一台发动机。”

对于与美国空军的合作，特威迪表示“我们有幸与空军密切合作使 XA100更加成熟，和军方更紧密的协同作用是实现这一里程碑的关键。”

之后GE将继续在俄亥俄州埃文代尔对发动机进行测试，然后在田纳西州美国空军阿诺德工程开发中心的世界级测试设施进行进一步测试。一旦团队完成了那里的工作，GE将完成AETP计划的工作。