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美利坚联邦合众国通用电气公司颁发六代机自适

作者: 军事资讯  发布:2020-03-25

[据美国《航空周刊与空间技术》网站2015年1月29日报道]美国军方计划部门目前已经基本接受了除非出现物理规律的重大革新,否则能够满足“第六代”战斗机先进性能要求的动力只能采用变循环,或者说自适应发动机技术。未来战斗机要求不仅仅要比当前的飞机飞得更远,还需要在接敌时具有更快的速度和更强的动力。但从推进的角度来看,目前这些目标却是互相排斥的。更大的航程和亚声速巡飞需要更低的油耗和良好的巡航效率,但超声速冲刺所需的大推力要求更大的核心机和足够高的工作温度,这两项对于降低油耗和隐身来说都有负面影响。 为了解决这个难题,并将这两种能力综合进同一套推进系统中,发动机研制商正在美国空军研究试验室的“自适应发动机技术发展”项目下开展能在飞行中改变结构的新一代发动机技术测试。尽管AETD项目计划到2016年以完成飞行重量的核心机演示验证结束,但空军正在规划启动后续的“自适应发动机转移项目”,为2020年后研制用于第六代战斗机和可用于F-35换发的的200kN级自适应发动机铺平道路。目前AETP项目的进度、预算和内容还在不断变动,但项目仍可望在2016年启动,为期3年左右。该项目将使自适应发动机技术成熟并降低风险,为开展竞争性工程与制造研制项目做好准备。 自适应发动机采用一套可调几何装置动态地改变风扇压比和总压比——两个影响耗油率和推力的关键因素。风扇压比的调节通过一个自适应的多级风扇,在起飞和加速时将风扇压比提高到战斗机发动机的性能水平,而在巡航时将其降低到与客机类似的程度以改善燃油效率。为了改变涵道比,变循环发动机在标准的核心机和外涵道的外圈又增加了第三个气流通道。第三涵道根据不同的任务阶段可以提供额外的气流来源,既可以适应提供额外流量来提高推进效率和降低油耗,也可以为核心机提供流量,从而提高推力并为热端部件提供冷却空气,此外第三涵道还可以作为飞机系统的热沉来冷却燃料。在巡航时第三涵道可以接收进气道周围溢出的过量空气,改善气流利用率并减小溢流阻力。 AETP项目是空军推动变循环方案使战斗机发动机性能跨代的一系列重大动作中最新的一步。2006年AFRL发起了为期5年的“自适应多用途发动机技术”计划,GE和罗·罗北美各自发展了高压比核心机、自适应风扇、可调外涵及低压系统技术。该计划的目标是比2000年基准战斗机发动机降低耗油率25%,解决了包括在风扇压比变化时保持发动机流量不变、应对前所未有的热端温度等关键技术挑战。同时ADVENT还探索了低温冷却气调节、更新更简单的排气系统设计等的发展途径。GE公司计划在2015年2月前与AFRL一起完成ADVENT发动机的详细评估。 罗·罗公司从2012年开始ADVENT核心机试验,但并未披露进一步的里程碑。GE公司的核心机试验始于2013年,超过了AFRL设定的温度目标达72 K,达到了经过空军确认的“喷气发动机推进史上”最高的压气机和涡轮联合工作温度记录。GE公司军用系统运行部先进战斗发动机项目总经理Daniel McCormick表示:“我们找到了能够有效产生动力满足三涵道结构所需的核心机,并验证了其达到AFRL燃油效率改善25%的目标,转化到平台可使其航程增大30%。”GE的核心机已经完成了60小时试验,随后在2013年11月到2014年7月间开展了首台全尺寸三涵道验证发动机的试车。 McCormick表示,ADVENT发动机的试验“极其成功”,但也揭示了一些意料之外和高度相关的信息。“其中之一是我们发现用于了解自适应循环性能的建模技术虽然相当完善,但对三涵道自适应发动机的建模却存在一些差异。有些模拟的很到位,但有一些仍需要重复调试。这台发动机对我们来说是非常有价值的工具。”ADVENT计划也引出了随后的AETD项目,后者由GE和普·惠于2012年赢得竞标,罗·罗公司则被淘汰出局。AETD项目着眼于能够使战斗机发动机油耗降低25%、军用推力比F135增加5%、加力推力提高10%的发动机技术。因此AETD在效率和推力方面都超过ADVENT,而且与后者在初期采用瞄准B-2轰炸机类型的动力范围所采用较小的核心机不同,AETD将基于一个更大的核心机。 尽管GE最初将AETD发动机的目标定为可分别适合未来美国海军F/A-XX和空军F-X六代机,二者精确的推力需求仍然“变化范围很大”。由于主要的问题尚未确定——比如六代机是单发还是双发,因此GE将F-35设定为发动机发展计划的基准。McCormick表示:“好歹是个实物,而且也是个富有挑战性的对象。从公司的角度讲,如果这项技术向前发展,至少这些机会中会有一个五代机的可能性,而且F-35将会生产相当长时间。因此尽管自适应发动机会比F-35现在的推进系统稍大一些,但仍然可以使用同样的进气道。我们必须解决如何在不对现有结构进行大变动的前提下,在整个包线内以更加省油的方式产生更大的推力。” AETP发动机的设计“将比目前F-35标准的需求更为激进,但还达不到能驱动定向能武器的水平。”取而代之的是三涵道带来的好处是打开F-35飞行包线的低空高速部分,能使飞机在150米高度以马赫数0.8/0.9的速度飞行。McCormick补充说:“目前F-35在低空的飞行因为热管理需求而受到限制,你不能使飞机过热。我们正在开展的项目可以在2020年代中期以前用到F-35上,这取决于AETP项目的规模和投资强度,最早可以在2022-2024年实现。” 对于真正用于六代机的发动机,三涵道的好处将会在提高性能的同时能够支持先进武器和系统。McCormick说:“几乎可以肯定这些未来的平台将会使用定向能武器,预计所需的电力至少为1MW。我们正在试图确定这个设计范围。作为AETD的一部分,我们正在进行下一代权衡研究。利用AFRL提供的经费,我们正在资助三家飞机制造商共同开展相关工作。AFRL的愿景是这些研究将有助于武器系统承包商告知飞机其能力水平,从而推动备选方案分析的进展。技术的可能性到底有多大?答案是仍然随着时间在进化。AOA目前仍处在规划阶段,空海军还都没有正式启动该项工作。”当GE公司希望采用通用核心机策略时,通过与空军全寿命管理中心的讨论了解到这些发动机将会有所不同,需要进行缩放。可能会对低压涡轮结构进行适当修改,如果下一代战斗机采用双发的话,就不需要太大的进气流量。 McCormick表示,即使发动机的推力级从B-2上升到F-35级别,AETD核心机的大小也不会变化太多。基准核心机的尺寸是建立在满足超声速飞行和加速能力的基础上。“这些需求仍在不断增长,当我们以下一代战斗机为应用对象时,核心机的尺寸可能会因为变成双发设计而再次调整。”GE的AETD发动机构型从外形轮廓上看和F136很相似,但实际上几乎是全新的设计。首先3级风扇就有明显区别,包含了可调机构和自适应结构特征,外侧还加上了环形的第三涵道。高压压气机来源于Leap发动机压比22的10级压气机设计,涡轮和燃烧室也比F136有了显著的改进。 其中最具先进性的领域,也是GE认为其在六代机发动机竞争中的王牌,是对轻重量耐热陶瓷基复合材料的大量应用。F136只在第3级涡轮导向器采用了CMC,而现在CMC被用在从燃烧室到低压涡轮的整个热端部件上,包括旋转件。CMC在旋转件上的领先应用2014年在F414发动机上成功的进行了验证。 第三涵道中还将安装2套热交换器。McCormick解释说:“我们发现高压比风扇和压气机存在一个问题,就是空气温度过高。因此我们在空气进入涡轮之前增加了低温冷却空气系统。”比例放大的AETD热交换器及其他结构的详细设计将尽快确定,以应对AFRL在3月份将要进行的发动机系统初步设计评审。核心机的详细设计评审已经在2014年晚些时候完成,并在NASA格林研究中心进行了三涵道冷气流和喷流影响台架试验。一些由树脂基复合材料制造的轻重量静子件也完成了部件试验。在下一代军用发动机之后,GE也打算在商用发动机上应用CMC,从而发挥其广阔的材料和气动优势。 McCormick表示:“公司很乐意做这些事,已经在用于AETD及后续项目的技术方面投入了大约10亿美元。”其中6亿美元支持包括用于Leap、GE9X和Passport等商用发动机的CMC等先进技术,另外4亿美元则直接用于ADVENT和AETD等军用技术的研发。 在完成2014年11月开始的全环燃烧室台架试验后,GE公司2015年将完成全尺寸PMC部件评估和在怀特-帕特逊空军基地的高压压气机台架试验。加力燃烧室试验计划在12月份开始,同时为2016年上半年开始的风扇台架试验做好准备。尽管加力燃烧室和尾喷管技术研发并非这些自适应循环技术验证项目的内容,但GE仍在推进加力技术研究,探索如何使三股气流在发动机尾部顺利混合。GE的AETD项目将于2016年完成风扇试验和核心机试车之后结束。普·惠公司同样也要在今年年初完成其AETD发动机的初步设计评审。根据公司公布的少量下一代发动机计划细节,普·惠预计在2016年上半年开展先进高压核心机的演示试验,随后在年内完成带有三涵道自适应风扇及相匹配的加力和排气系统的整机试验。

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[据美国《航空周刊与空间技术》2012年9月24日报道] 自美国最近一次启动发展全新战斗机发动机已经几乎过去30个年头了,而自涡轮喷气发动机让位给涡轮风扇发动机后到现在则已超过了50年。现在,美国正着手发展新一代的战斗机发动机,结构上即是涡轮风扇发动机,后又可是涡轮喷气发动机。

对于工业界,关键在于通过努力,未来数十年要能够生产出制空作战飞机的发动机。因而GE和PW公司在获得美国空军研究实验室(AFRL)的自适应发动机技术发展项目后,要马不停蹄的工作,使燃料高效、高推力的动力装置更成熟,2020后可升级洛克希德-马丁公司的F-35和用于未来的第6代作战飞机。

AETD是AFRL耗资5.24亿美元的GE和罗罗北美公司承担的、将在2013年进行发动机整机试验的自适应通用发动机技术项目的后继项目。对于2007年在与GE和罗罗公司竞争ADVENT项目中出局的PW公司而言,被AETD选中是出乎预料的结果,而对于没有收到下一步项目合同的罗罗公司却是一个打击。

PW公司先进发动机项目主管Jim Reed说:“当我们未被ADVENT选中时,我们做过许多我们自己台架上的工作。假如我们被AETD选中,可能与此有关。我们必须提出强有力的建议。” 燃料高效发动机可能的发展攸关2020年后用于升级F-35和作为2030年前后服役的未来空军和海军制空战斗机发动机。

上一次美国着手发展全新一代的作战飞机发动机是在1980年代早期,开始联合技术演示试验发动机项目,该项目使PW公司发展出洛克希德-马丁公司F-22飞机使用的F119发动机和更进一步的发展型用于F-35的F135发动机。

成功扼杀了GE/罗罗公司的F-35替代发动机F136后,PW公司的国会支持者危胁要切断AETD资金,担心它又是一个搞竞争发动机的暗中伎俩。但空军一再保证其目的是成熟技术而不是发展一个发动机,以选择PW公司取代罗罗来平息对AETD批评。

AFRL的推进理事会的Tim Lewis说:“我们不生产原型发动机,而是运行核心机。全部3家的建议书都是技术上可接受的,但资金要求我们选择3家中的2家。”罗罗声明对此决定表示失望……会继续参与AFRL的重要项目如ADVENT和HEETE。

ADVENT是要证实高压比核心机和自适应风扇、可变涵道、低压系统技术能减少作战飞机发动机的单位耗油率达25%,为了2020年后发动机尽早进入到工程和制造发展阶段,AETD将使发动机充分成熟,ADVENT和AETD正在为发动机发展和成熟的技术是一个“3气流”结构。除常规涡轮风扇发动机的高压核心机和低压涵道气流外还有一个第3气流,外部流路能够打开和关闭。起飞时,第3气流关闭减少涵道比和转移更多的空气流进入到核心机增加推力。巡航时,第3气流打开,增加涵道比减少燃料消耗。

第3气流能够冷却用于发动机热端部件热管理的冷却空气、用作飞机系统热沉的燃料、加力燃烧室和喷口的壁板。这种构造还能够减少飞机的阻力。进气道是按起飞时最大空气流量状态设计,但在巡航时捕获的气流大于发动机的需要,便会造成溢流。第3气流便能够旁路额外的空气,减少溢流阻力,并且增加的流量能够用来填充飞机尾锥部,减少底部阻力。

AFRL计算出自适应技术将会比F-35所用的F135发动机改善发动机的燃料效率25%,增加飞机的作战半径25-30%,留空时间增加30-40%。AFRL表示,发动机还能够有助于应对与像中国这样量级对手的潜在冲突引发的反介入和区域拒止挑战。通过增加超声速巡航半径50%和减少30-74%的空中加油机负担能够实现这一点。

在48个月的AETD项目中,GE和PW要按比F135的SFC降低25%、但军用功率提高5%和最大加力推力提高10%来设计发动机。Reed表示“我们会使发动机通过初步设计审查”。他说,发动机的尺寸必须仅需适度修改就可匹配F-35飞机。

Lewis 说:“AETD将让自适应发动机的技术和制造准备度强壮到处于未来EMD项目的等待点。多年来发动机引导飞机机体的发展,并且如果和当他们开始下一代飞机的EMD阶段时,我们必须已准备好。”

Reed 称:“对于第6代,现在正是时候。距离需要发动机我们也许有15年时间,但我们必须从现在起减少风险,因为2020年到来时我们必须开始EMD阶段项目。”

制造商预计未来的战斗机需要更大的推力,更优良的燃料经济性和热管理,更大的发电量。Reed说:“但我们不确切知道第6代飞机转换下来的需求是什么。适应性或许是缺少的部分。”

AETD项目的阶段1,执行到2015财年中期,包括发动机的初步设计和环型燃烧室、高压压气机的台架试验。阶段2,将在2016财年结束处,由风扇台架试验和发动机核心机试验组成,接着理论上最早2017年进行首次发动机整机试验。

Lewis表示:“另外的焦点在加力燃烧室和排气装置的技术上,ADVENT项目没有这类部件。”这包括发展一个排气系统,能够使低压的第3气流更有效的与更高速度的核心机和涵道气流掺混。他说:“我们要形成一个整体的排气装置,产生含有来自第3气流的推力。”

2020年之后,与飞机制造商一道并行研究,识别共用核心机的潜在应用。AFRL的Lewis说:“我们会进行由AETD派生的推进系统的定量评价。”

AFRL的ADVENT项目经理Matt Meininger说,与此同时,GE本周将对ADVENT项目下的高压核心机进行测试。罗罗公司的自由工厂将在11月底或12月初对其发展的核心机进行测试。他说,GE的发动机整机业已完成了超过75%,并将在2013年7月进行测试;到那时罗罗的发动机会完成90%,并按时间表在下一年的10月份进行测试。Reed 说:“PW公司交付了一个自适应风扇试验台给AFRL在2月/3月推动我们[就AETD]。”尽管PW失去了ADVENT的竞争,Meininger说AFRL能够拿出更多的资金来帮助PW改进已有的台架,加上第3气流到一个2级风扇上,将公司放到竞争AETD的捷径上。

至于罗罗公司,当它开始测试AFRL的HEETE项目的高压比压气机试验样机时,本周有一些安慰,该样机的目标是证明技术能够使未来亚声速运输机和无人飞行器上用的嵌入式发动机的SFC减少35%。GE也交付了HEETE压气机台给AFRL,预期明年进行测试。

HEETE项目下,计划在2016年进行高压核心机的演示实验,计划2019年进行高效涡轮发动机的测试。AFRL估计,35%的SFC减少将可增加运输机50%的航程及增加25%的有效载荷,情报、监视和侦察的无人机的盘旋时间翻一倍。

虽然无可用的资金,AFRL会乐于找到一个方法来保持罗罗公司在自适应发动机技术方面的工作。AFRL推进理事会首席工程师Jeff Stricker 说:“这3家公司的每一家都有自己独特的第3气流的结构概念。对于自适应风扇和随着2股主气流如何改变第3气流,他们有3个方案。”

Lewis说:“我们相信3气流就是适于下一代飞机的构造,我们当然乐于保留全部3个方案为我们所用。”

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