瞄准前沿技术 领先世界水平——谈美国航空推进系统的关键技术

美国在2000年将航空技术列入国防关键技术,其中航空推进系统有10项技术被列入。另外,美国还在实施两项国家级涡轮发动机技术计划和为高速航空器研究两种非常规发动机     

美国高超声速涡轮基组合循环发动机的进展及分析

旨在为未来空天动力技术研究和产品研制提供参考与借鉴。综述了美国高超声速涡轮基组合循环(TBCC)发动机的进展,重点对与涡轮发动机有关的预研计划进行详细描述,如国家空天飞机(NASP)计划、高速推进评估(Hi SPA)计划、猎鹰组合循环发动机试验(Fa CET)计划等。总结与归纳了TBCC发动机的研究发展的特点:TBCC发动机一直是高超声速飞行器研究的关键技术;目前涡轮发动机的首选是现有涡轮发动机改进,未来可能选择正在预研的高速涡轮发动机或自适应发动机;冲压发动机和模态转换技术已经取得明显进展,但还需长期深入验证。     

旋转爆震燃烧航空涡轮发动机研究综述

旋转爆震燃烧具有燃烧过程自增压、熵增小、循环热效率高等特性,将其应用于航空涡轮发动机,有望实现发动机性能阶跃式突破。主要介绍了旋转爆震燃烧的基本原理及特点,总结了国内外旋转爆震燃烧技术、旋转爆震涡轮发动机性能和试验技术的研究现状,论述了旋转爆震燃烧加快应用到航空涡轮发动机上需要深化研究宽范围进气下稳定爆震燃烧组织、旋转爆震燃烧与上下游匹配等关键技术,并对中国旋转爆震燃烧航空涡轮发动机工程化应用提出了制定长期发展规划、实施专项研究计划、组建联合团队等发展建议。     

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知。可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文首先回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;接着,概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,本文分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。     

舰载全电推进系统智能燃气轮机的关键技术及发展展望

随着对性能、运行安全和节能减排的日益重视,对燃气涡轮发动机的设计要求越来越高。在过去的10年中,智能燃气涡轮发动机由于可以兼顾性能及可靠性而越发受到重视。通过提炼智能燃气涡轮发动机的收益及挑战,系统回顾了智能燃气涡轮发动机涵盖的技术领域及需求。通过与航空发动机及地面燃气轮机的典型任务剖面差异进行对比,提出针对舰载燃气涡轮发动机智能化特色需求。在此基础上,梳理出进气畸变实时监测及畸变指数评估、压缩系统喘振预警及叶片振动监测、高压涡轮自适应热管理和高温旋转件叶尖间隙测试4项关键技术。重点讨论了每项关键技术带来的收益、国内外研究现状及实施这些技术所面临的挑战。然而,上述关键技术的落地仍需从单一技术的成熟及完善、多维度的技术收益论证2个层次持续开展相关工作。     

美国技术创新发展计划的启示

技术创新是航空航天业发展的关键所在。不可否认的是,美国航空工业今日的强大与其长期大力提倡技术创新有着非常紧密的关系。以航空推进技术的发展方式为例,20年前,美国开始实施了一项国家级涡轮发动机技术发展计划,即综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划,其目标是到2005年使航空推进系统的能力翻一番,即推重比或功率重量比增加100%～120%,耗油率下降15%～30%。目前,该计划已经顺利结束,并获得了丰硕成果,美国军民用发动机的改型以及新型号的开发,很多都从这一计划中获益,确切地说,它使航空推进系统的性能达到了一个新的     

航空燃气涡轮-电混合动力系统关键技术分析

本文介绍了串联式和并联式混合动力系统的基本原理与性能特点,对混合动力的性能优势来源进行了原理性阐述。针对混合动力的系统架构,分析了性能设计、控制系统、电机设计以及热管理方面的关键技术。航空燃气涡轮-电混合动力技术的发展,有可能对传统航空发动机领域产生颠覆性变革。需要打破原有航空发动机热力机械设计思维,将动力系统所涉及的推进、电能以及热管理进行融合设计,推动航空动力系统效能进一步提升。     

航空发动机的发展前景

通过美国的综合高性能涡轮发动机技术 (IHPTET)计划和经济可承受多用途先进涡轮发动机(VAATE)计划 ,展望了燃气涡轮发动机技术的发展前景。介绍了非传统的新型发动机的研究情况 ,并指出了2 0 30年前可能出现的新型发动机     

航空智能发动机及状态监视和故障诊断系统

智能发动机是美国IHPTET计划及其后继VAATE计划的核心内容之一,而状态监视和故障诊断系统则是智能发动机的关键技术。本文主要介绍智能航空发动机的发展背景、概念与特点,智能状态监视和故障诊断技术方法和发展方向。     

航空发动机特性仿真技术的进展与展望

回顾了航空发动机特性仿真技术的产生背景，综合叙述了从稳态特计算到瞬态特性计算，从特性仿真到综合仿真，从零维仿真到多维仿真的发展历程，介绍和评述了我国航空发动机特性仿真的研究概况及美国“数值推进系统仿真”计划和发展趋势，说明了发动机数值仿真技术及仿真试验台的应用与发展，在很大的程度上提高了推进系统设计的可信度，降低了实验与研制成本，缩短了研制周期。     

GE90-115B发动机结构设计特点分析

GE90-115B发动机是目前世界上推力最大的发动机,由GE90-94B发动机衍生发展而来.与传统的衍生发展不同,GE90-115B发动机的高压压气机减少1级,风扇转子支承作了重大改变,将1号滚珠轴承改为直径特大的滚棒轴承,滚珠轴承则置于风扇轴后端处.对风扇转子支承方式的变化作了深入分析,同时对风扇、高压压气机、低压涡轮、轴承等的结构设计改进进行了分析,可供航空发动机结构设计人员参考.     

对航空发动机研究和发展规律的认识

探讨了世界上航空发达国家航空发动机技术加速发展的态势。分析了甸航空动力技术预先研究的现状及存在问题。加深了对航空发动机发展规律的认识。对如何振兴航空、动力先行,把我国航空发动机搞上去,走自主创新的发展道路提出了建议。     

涡轮基组合动力技术发展分析

在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置。历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进。通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展。用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证。基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议：提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计。     

变推力液体火箭发动机推力调节技术研究综述及发展趋势

系统梳理了国内外变推力液体火箭发动机调节控制技术的研究历程及研究现状，并结合我国航天动力研究基础，指出通过在主系统或副系统管路上设置液体或燃气流量调节装置、通过可调结构的针栓式喷注器同步对流量与压力进行匹配调节仍然是实现大范围变推力调节的两种主要手段；分析了变推力液体火箭发动机推力调节的关键技术及其解决途径，预测了未来一段时期内变推力液体火箭发动机及其调节技术发展趋势，提出了若干适合我国国情的研究建议，为我国低成本、可重复使用天地往返运输技术的发展和有关研究者开展研究工作提供一定的参考。     

抓住机遇迎接挑战实现航空动力跨越发展

发动机是飞机的“心脏”，是推动飞机的整个航空工业蓬勃发展的源动力。我国航空动力相对落后，已成为制约航空工业发展和军民用飞机更新换代的“瓶颈”技术之一。造成这种局面的原因很多，值得我们认真反思，总结经验教训。虽然我国至今尚没有一台发动机走完自行研制的全过程并装备部队，但通过半个世纪的努力，我国具备了一定的研制新机能力和快速发展的技术基础。面对新世纪，挑战和机遇并存，我们必须因势利导，抓住机遇，实现航空动力的跨越发展。本文对此提出了措施和建议。     

新能源电动飞机发展与挑战

发展绿色航空是人类社会形成的基本共识,新能源电动飞机为实现彻底的绿色航空提供了一条光明的技术途径。简述了航空对环境的影响、电在飞机上的应用及电动飞机的发展历程,对新能源电动飞机的能源分类、电推进系统及其总体效率进行了研究,重点针对载人轻型运动飞机,分析了电动飞机的发展现状、特征以及能源需求,通过对电池作为能源的载人电动飞机的航程和极限航程研究,提出了电池能量密度提升和性能改进、高升阻比空气动力设计、低成本轻质高效复合材料结构设计与制造、高效率电推进系统设计与集成等电动飞机发展面临的挑战,给出了应大力发展电动飞机的建议和本领域未来的研究方向。     

Progress of continuously rotating detonation engines

Continuously rotating detonation engine (CRDE) is a focus for concern in the field of aerospace propulsion. It has several advantages, including one-initiation, high thermal efficiency and simple structure. Due to these characteristics, it is expected to bring revolutionary advance-ments to aviation and aerospace propulsion systems and now has drawn much attention throughout the world. In this paper, an overview of the development of CRDE is given from several aspects:basic concepts, applications, experimental studies, numerical simulations, and so on. Representative results and outstanding contributions are summarized and the unresolved issues for further engi-neering applications of CRDE are provided.     

运载火箭动力冗余技术

概述了前苏联N-1火箭,美国土星系列,航天飞机以及法尔肯9运载火箭动力冗余应用情况,重点介绍了N-1火箭四次发射失利以及最终的事故原因,从现役运载火箭可靠性评估结果、运载火箭飞行故障统计结果和运载火箭动力冗余和非冗余可靠性的关系三个方面论证了动力冗余的必要性;提出了变推力方式和发动机贮备方式两种动力冗余方式,并分析了它们对运载火箭整体性能以及各系统的影响,最后梳理出实现动力冗余需要重点解决的关键技术。     

我国航空发动机研制过程中的主要经验教训

总结了我国航空发动机研制过程中主要经验教训。认识到航空发动机的发展可以带动和促进国家许多相关产业的发展,“动力先行、预研先行”是航空工业发展的规律;既要自力更生,又要学习国外先进经验,完成从仿制到自行设计的战略转变,开创我国航空发动机的新局面。