信息来源：https://interestingengineering.com/military/china-supersonic-jet-engine-speed
中国工程热物理研究所在11月8日披露的消息显示,该机构已完成一款新型自适应循环发动机的地面测试,声称该发动机能够在从起飞到四倍音速的全速域范围内高效运行。这项技术突破如果得到验证,将标志着中国在航空动力领域取得重大进展,并可能改变全球高速飞行器的技术竞争格局。然而,由于相关信息来自国内学术会议而非经过同行评审的国际期刊,其技术细节和实际性能仍需更多独立验证。
根据披露的技术参数,这款发动机采用了独特的三流混合设计,相比传统同类发动机能够提供27%至47%的额外推力,同时将燃料消耗降低约三分之一。这些指标若属实,将超越美国通用电气为F-35战斗机后续升级研发的XA100发动机和普惠公司的XA35发动机——这两款发动机代表了目前美国在自适应循环技术领域的最高水平。更引人注目的是,中国发动机声称能够在四马赫速度下运行,这一性能远超现役战斗机发动机的设计极限。
从固定循环到自适应架构的演进
理解这项技术的意义,需要回顾喷气发动机的基本工作原理及其面临的核心矛盾。传统涡轮风扇发动机针对特定飞行条件进行优化:大涵道比设计适合亚音速巡航,提供良好的燃油经济性和较低噪音;小涵道比或纯涡喷设计则适合高速飞行和加速,但燃油消耗高且噪音大。没有单一的固定结构能够在所有飞行状态下都保持最优性能。
自适应循环发动机试图打破这一限制。其核心思想是通过可变几何结构,动态调整发动机的气流分配、压力比和燃烧循环,使同一台发动机能够在不同飞行阶段呈现出不同的热力学特性。在亚音速巡航时,系统打开旁路通道,让更多空气绕过核心机,表现得像高效的涡扇发动机;在需要加速或超音速飞行时,则关闭旁路,将更多空气送入燃烧室,转变为大推力的涡喷模式。
美国在这一领域的研究可以追溯到上世纪80年代的可变循环发动机计划。通用电气和普惠公司在过去十年中分别为美国空军的自适应发动机转换项目开发了验证机,并在2020年代初期完成了地面测试。这些发动机采用双旁路架构,通过第三涵道调节气流分配,使涵道比能够在1.3到3.5之间变化。测试表明,相比F-35现有的F135发动机,新型自适应发动机能够提供10%的推力增益和25%的燃油效率改善。
ACE 发动机的代表性图像。 GE 航空/航空联系人
中国发动机声称采用的三流混合设计在理论上更进一步。除了主涵道和可调旁路外,系统引入第三股独立控制的冷气流,用于热管理和气动优化。这种配置能够精确控制不同温度和压力的气流混合比例,在提高推进效率的同时降低红外特征。从技术描述来看,这接近于联合循环推进的概念——通过整合不同工作原理的推进系统,覆盖从零速到高超音速的完整飞行包线。
四马赫声称背后的技术挑战
新闻中最引人注目的指标是四马赫运行能力。现役战斗机发动机的设计速度通常不超过两马赫,即便是专为高速截击设计的米格-25和SR-71,其发动机的持续运行速度也在三马赫左右。要在四马赫条件下稳定工作,发动机必须解决一系列极端工程挑战。
首先是进气管理问题。在四马赫速度下,空气进入发动机前需要经过激波系统减速和压缩,此时气流温度可达数百摄氏度,压力升高数十倍。如何设计进气道和压气机,在如此恶劣的条件下保持高效压缩和稳定工作,是推进系统设计的核心难题。文中提到的"进气口性能改进"和"高马赫速度下更好的气压恢复",暗示中国研究人员在可变几何进气道和自适应压气机技术上可能取得突破。
其次是热防护与冷却。四马赫飞行产生的气动加热会使发动机外表面温度超过600摄氏度,涡轮叶片面对的燃气温度更高达1700摄氏度以上。三流混合架构中的冷气流理论上可以用于冷却高温部件,但如何在维持推进效率的同时实现有效冷却,需要精密的流体力学设计和先进材料技术。单晶镍基高温合金、陶瓷基复合材料以及热障涂层的应用,对于发动机在极端条件下的可靠性至关重要。
第三是推力匹配问题。报道提到的"旁路燃烧室"技术尤其值得关注。这种设计允许在旁路气流中直接燃烧燃料,相当于在涡轮发动机后段增加了一级加力燃烧室。这种混合推进模式介于传统涡喷和冲压发动机之间,能够在超音速条件下提供额外推力而不增加涡轮负荷。类似概念在冲压-涡轮组合循环发动机中已有应用,但将其整合到紧凑的战术飞机发动机中,对系统集成能力要求极高。
声称与现实之间的距离
尽管技术描述在理论上具有可信度,但需要对这些声称保持审慎态度。首要问题是信息来源的局限性。该消息来自中国国内的学术会议,而非在国际顶级推进期刊上发表的经过同行评审的论文。这种发布方式在中国航空航天领域并不罕见,往往用于展示研究进展和争取政策支持,但其中的技术细节和性能数据可能存在理想化或选择性披露。
"四马赫运行"的具体含义也值得仔细推敲。在推进系统研发中,地面测试通常使用高温高压空气模拟高速飞行条件,但这种模拟与实际飞行环境存在显著差异。真实的四马赫飞行涉及复杂的气动热环境、结构振动、燃烧稳定性等多重耦合效应,这些在地面台架上难以完全复现。因此,声称的四马赫能力可能指的是在模拟进气条件下发动机核心机的运行,而非完整推进系统在实际飞行中的验证。
推力增益和燃油效率的比较基准同样需要明确。报道称相比"当前同类发动机"有27%至47%的推力提升,但并未说明参照对象的具体型号和工作状态。如果基准是中国现役的涡扇-10或涡扇-15发动机,那么这一改进幅度体现了从固定循环到自适应循环的技术代差,属于合理预期。但若声称超越美国最新的XA100系列发动机,则需要更详细的性能曲线和工况对比才能验证。
值得注意的是,自适应循环发动机的复杂性也带来了可靠性和维护性的挑战。可变几何部件、多流路控制系统、复杂的传感器网络和先进的数字控制算法,都增加了潜在故障点。美国在XA100发动机项目中遇到的一个关键问题就是如何在提高性能的同时保持与现有发动机相当的可靠性和寿命指标。中国发动机是否已经解决这些工程化难题,还是仍处于技术验证阶段,目前尚不清楚。
从战略角度看,中国在航空发动机领域的持续投入反映了其缩小与西方技术差距的决心。过去二十年间,中国通过引进、消化和自主研发相结合的路径,在涡扇发动机领域取得显著进展。涡扇-10系列的成熟和涡扇-15的服役,使中国第四代战斗机摆脱了对俄罗斯发动机的依赖。但在高性能航空发动机的核心技术——高温材料、精密制造、复杂控制系统等方面,中国仍在追赶美欧的领先地位。
自适应循环发动机代表了下一代战斗机动力系统的发展方向。无论是美国的第六代战斗机NGAD,还是欧洲的未来空战系统FCAS,都将自适应发动机视为关键使能技术。中国如果确实在这一领域取得实质性突破,将为其下一代战斗机项目奠定重要基础。不过,从技术验证到工程化应用,再到形成可靠的作战能力,通常需要十年以上的时间和大量的飞行测试积累。
在评估这类技术声称时,保持平衡的视角至关重要。既不应盲目夸大其意义,也不宜简单否定其可能性。中国在航空动力领域的研发能力确实在稳步提升,其科研体系和工业基础已经具备攻克高端推进技术的条件。但喷气发动机是工程学中最复杂的系统之一,从原理验证到可靠应用的路径充满不确定性。只有当更多独立信息源和技术细节公开,当实际飞行平台搭载这种发动机进行测试,我们才能更准确地评估其真实水平和对全球航空技术格局的影响。