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世界航空技术发展方兴未艾。正当人们惊叹第四代、第五代飞机及其发动机的卓越性能时，美国第六代战斗机计划已蓄势待发，配套第六代战斗机的新型发动机研制计划也在紧锣密鼓推进之中。如果说美国在F110和F100等第四代战斗机研发中与俄罗斯、欧洲还基本处于同一起跑线的话，那么美国在第六代战斗机发动机的研制中，已经遥遥领先。第六代战斗机发动机究竟是什么样的，它有哪些关键技术特点，性能究竟如何出类拔萃？本刊记者采访了一直关注世界航空发动机发展动态的航空专家黄春峰研究员，请他来谈谈美国第六代战斗机发动机。

变循环发动机技术是第六代战斗机发动机技术标志

本刊记者（以下简称记）：美国作为半个世纪以来航空技术的领跑者，在技术水平上与其他竞争者已拉开代差，这使得美国事实上拥有了对一代飞机和与之匹配的一代发动机的定义权。以第五代战斗机F-22为例，它的4s技术就是由美国人率先论证并定义的，与它配套的F119-PW-100发动机的推重比10一级的硬性技术标准也是由美国人定义的。那么，美国第六代战斗机都给发动机提出了怎样的技术要求？

黄春峰研究员（以下简称黄）：发动机是与战斗机相匹配的，因此发动机的定义是与战斗机直接相关的。根据目前看，美国对第六代战斗机的论证和定义已经有了比较详细的蓝图，其中有两点是与发动机直接相关的，并为第六代战斗机发动机的关键技术指标提出了很高的要求。首先就是远航和久航能力，美国希望第六代战斗机相比F-22和F-35，具备更强的超声速巡航能力和更远的持续航程，要求飞机有更高的升阻比。其中美国海军要求六代机的作战半径可能达到1850-2300千米，比F-35C提高60%以上，同时该机还可利用久航性能巡逻，灵活打击敏感目标。这就要求第六代发动机推力更大、阻力更低、油耗更低。

第二，美国希望第六代战斗机是一种高度智能化、自动化的作战飞机，全面应用智能结构（比如智能蒙皮、智能传感器）、主动控制技术，网络化交战技术，可能会使用激光、微波等定向能武器，并向多电、全电飞机方向发展。传统飞机包括第五代战斗机，很大程度上还是一种机械设备占主体位置的平台，而第六代战斗机是一种机电、电子设备占主体的平台，这就意味着飞机必须有比现在强好几倍的供电能力。飞机上的供电来源是哪儿？就是发动机，由于功率提取效率的限制，多供电就意味着发动机要提供更大功率的能源，这就对发动机功率提出了比现在更高得多的要求。届时发动机不光要推动飞机进行比现在更高速的超声速巡航，同时还要分出一大块儿能量来发电。

记：既然如此，那么第六代发动机的关键技术指标是什么？美国人是怎么定义第六代发动机的？第六代发动机大致是什么样的？

黄：六代机要具备跨代优势，不仅要具有更大的超声速巡航能力，以实现对四、第五代机“以快打慢”的能力，同时还要具有更低的耗油和更大的续航能力，以覆盖更大的攻防区域。这两方面的作战使用特点对第六代机发动机提出了不同的要求：

一是在超声速条件下，发动机要具有涡喷发动机的高单位推力特征，以满足第六代机在超声速巡航、格斗机动、跨声加速等飞行条件下的推力要求。

二是在亚声速飞行条件下，要求第六代机发动机具有涡扇发动机低耗油率的特征，以满足亚声速巡航、待机、空中巡逻等要求。

很显然，要实现亚声速和超声速性能同时兼顾的目标是很不容易的，这两个目标在很大程度上是对立的。我们知道，传统的涡喷发动机高速性能很好，特别是超声速区间性能优异，但它油耗大，飞机航程近。后起之秀涡扇发动机在涡喷的基础上增加了一个外涵道，降低了油耗，但自身阻力增加，在一定程度上不利于高速飞行。因此，能够兼顾涡扇和涡喷发动机特点，涵道比可变可调的自适应变循环发动机无疑是最理想的推进装置。

在高速飞行时，变循环发动机能够将工作循环中更多的能量分配到内涵道去，发动机的涵道比相对较小，内涵质量流量和排气速度增加，发动机可以获取高速飞行条件下足够的发动机推力；在低速飞行时，能够将工作循环中更多的能量分配到外涵道去，发动机的涵道比相对较大，外涵质量流量增加，排气速度降低，以获取最佳的低速条件下推进效率。

采用上述变循环发动机方案的第六代机，其亚声速巡航航程将显著提升。美国空军研究实验室在“自适应通用发动机技术”研究计划中研制的自适应变循环发动机，其耗油率将比目前的第五代机发动机低25%，使第六代机作战半径突破200千米成为可能。而在超声巡航能力方面，由于自适应变循环发动机在超声速飞行时可通过调整涵道比和工作模式来实现更好的高速推力特性，满足飞机更大马赫数下的超声巡航推力需求，使得配装变循环发动机的第六代机具备在高度20千米以马赫数2的飞行速度持续进行超声速巡航的能力，以取得对第五代机的速度和高度优势，从而进一步提升了战斗机的快速截击能力和武器打击范围。综上所述，若要在某种程度上实现第六代机亚声巡航航程延长和超声巡航马赫数提高两个互相对立的目标，自适应循环发动机无疑是首选。

记：自适应变循环发动机此前美国似乎已经有过尝试，GE公司的YF120发动机便采用了涵道可变的变循环技术，但在与普惠公司的F119发动机竞争选型中失败，原因是因为技术不够成熟，现在变循环发动机为何能卷土重来？

黄：刚才我已经提到，变循环发动机在兼顾高速和大航程指标上有其独特的优势，事实上比起目前的固定涵道比发动机而言的确更为先进。YF120当初选型失败，主要原因不是因为它技术不够先进，而恰恰是因为技术在当时有些超前，因此综合考虑型号研制进度和成本控制，因此美国军方选择了F119相比更成熟更保守的技术方案。现在经过十几年磨砺，变循环发动机技术更加成熟，因此成为第六代发动机的首选。

记：近些年国内外除了传统构型航空发动机外，还研究了一些新概念新构型航空发动机，比如说脉冲爆震发动机等，这些发动机为何没有被第六代战斗机项目选中？

黄：美国在第六代发动机上有很多尝试，多条技术路径同时发展，比如说高超声速发动机计划，即用亚燃和超燃冲压组合发动机，实现马赫数5以内的飞行器推进。但情况却并不乐观，情况却并不乐观，试验多次受挫，这说明其技术门槛的完全跨越尚需时日。其他类型的发动机，如太阳能发动机，由于其能量密度过低，将无法满足第六代机的高速机动要求；脉冲爆震发动机虽然在理论上具有推重比高、耗油率低和工作范围宽等适应第六代机的优良特性，但由于其内部流动的不稳定性和恶劣的高温高压环境，其爆震波的形成与传播、燃料的可爆震性及进排气与脉冲爆震的匹配等关键技术仍是阻碍脉冲爆震发动机进一步发展和推广应用的瓶颈因素，在2030年前配装第六代机的可能性并不大。总之，这些发动机还处于概念探索阶段，距离实用化还比较遥远。因此，自适应变循环发动机作为目前最成熟的未来发动机技术方案，也是美国第六代机当前最现实的选择。

何谓变循环发动机技术

记：您提到变循环发动机技术兼具涡扇和涡喷两者之所长，您能否具体详细介绍一下变循环发动机的结构和工作原理，它与现有的涡扇发动机有什么不一样的地方？

黄：变循环发动机（英文缩写VCE，Variable Cycle Engine），它是一种新构型发动机。传统航空涡轮发动机，无论是涡扇还是涡喷，发动机出来了，结构就是一定的了，设计结构固定决定了其热力循环特性也是固定不变的，因此一种发动机只能在一种模式下工作，它只能在有限的飞行包线范围内，才具备最好的性能。而变循环发动机则不同，它可以通过改变一些部件的几何形状、尺寸和位置，来调节发动机的热力循环特性，部件的形状、尺寸和位置一变，进出的空气就变化了，发动机的几个主要性能指标，比如增压比、涡轮进口温度、空气流量和涵道比都会发生变化。这点就是变循环发动机最大的优势，传统的涡扇发动机，它的涵道比等结构是固定的，而我们知道，大涵道比的发动机，中低速性能很好，很省油，但涵道比大增加了阻力，使得飞机的高速能力下降，是一个短板。而涡喷发动机虽然速度性能好，但油耗却很高。这表明传统发动机，由于它工作模式固定，因此最佳使用范围区间较窄。

而变循环发动机则不同，它是一种多设计点发动机，即它的设计运用范围很宽，飞行包线远比现有的航空发动机大得多。当飞机需要低油耗大航程飞行时，变循环发动机就通过调节可动部件，让发动机的涵道比增大，让更多的空气走外涵道，增加飞机的航程。如果需要高速的时候，它就调节部件，让涵道比变小，减小阻力，提高涡轮进

一种变循环发动机示意图口温度，让飞机拥有更大的推力，速度更快。目前来看，变循环发动机有几种工作模式，包括涡轮喷气模式、涡轮风扇模式，甚至于是适应更高速飞行的冲压模式，这使得飞机在亚声速、跨声速、超声速和高超声速飞行状态下，都具有良好的性能。在涡喷/涡扇变化领域，变循环发动机目前的研究重点主要是改变涵道比，如发动机在爬升、加速和超声速飞行时涵道比减小，接近涡喷发动机的性能，以增大推力；在起飞和亚声速飞行时，加大涵道比，以涡扇发动机状态工作，降低耗油率和噪声。目前而言，变循环发动机技术成熟度最高的领域，也就是在涡喷和涡扇状态区间切换的这一领域，如何改变涵道比，是目前研究的重中之重。

记：您能否简单介绍一下变循环发动机的研制历程？

黄：其实变循环发动机的概念，很早就提出了，早在上世纪60年代，就有了这一概念。世界知名的航空发动机公司如英国R R公司、法国SNECMA公司、日本工业科学与技术研究所、美国GE公司等，均在持续进行变循环发动机概念和方案设计以及相关技术研究和试验验证工作。比如，英国提出有分排、混排涡扇和涡喷3种循环方式的选择放气式变循环发动机概念，法国SNECMA公司提出双压缩系统变循环发动机概念，日本牵头开展了变循环发动机验证机“HYP R90-T”的技术研究与验证。然而，但变循环真正在工程技术层面实现，是由美国GE公司完成的。在众多变循环发动机研制公司当中，美国GE公司研究时间最为持久，程度最为深入，研究水平最高，一直引领着世界变循环发动机技术的发展。GE公司从早期的变循环发动机概念提出，到目前具有实际使用功能的F120发动机的研制成功，设计概念和设计方法大致经历了五次大的技术发展，推出了具有代表性的5代变循环发动机，分别是YJ101、GE21、GE37、可控压比发动机和Advent发动机。

记：记得美国GE公司在为SR-71“黑鸟”研制的J58发动机上，就使用了变循环发动机技术？

黄：是的，这是迄今为止投入批生产的第一款也是唯一一款变循环发动机。该发动机可在涡喷发动机模式和冲压发动机模式之间转换，J58变循环发动机的成功绝对是一个航空工程上的奇迹。你刚才提到的GE公司的F120则是第一台经过飞行试验验证的双外涵变循环发动机，用于先进战术战斗机项NATF，并在1990年创造了超声速巡航的世界记录。推重比10一级的F120的成功研制，充分证明了变循环技术的可行性与先进性。尽管F120发动机在与F119发动机的竞争中因成本过高、结构复杂、存在技术风险等原因未能成为F-22飞机的主力发动机，但仍作为替换发动机继续研制，以F22飞机备用发动机的身份得到了肯定，作为一个开端，它的推出为未来航空发动机的发展指引了新的方向。变循环发动机仍是美国IHPTET计划的一项重要技术目标，在不断的发展，而且已经成功地得到了验证。一旦时机成熟，它将装备先进的军民用飞机，发挥其应有的作用。

记：变循环发动机能在多大程度上提高发动机性能？

黄：变循环发动机的优点就是在宽广的飞行包线内，都能保持很好的效率，较低的耗油率，可以看作将亚音速性能很好的大涵道比涡扇与超音速性能很好的小涵道比涡扇、涡喷取各自优点，结合成一台发动机，通过多部件的几何调节在较大范围内改变涵道比，实现了两种不同的热力循环和工作模式。一些发动机公司和飞机公司的研究表明，变循环发动机可以使亚声速攻击机的航程和续航时间分别增加30%和70%，使超声速攻击机的航程和续航时间分别增加40%和80%。这一提高是非常惊人的，完全对上一代战斗机形成了不可逾越的代差。

因此，目前变循环发动机因为其性能优势和在工程应用领域展现出的潜力，已成为世界各个航空发动机强国主流的研制攻关方向。

变循环发动机发展现状

记：目前变循环发动机作为第六代战斗机发动机的首选，研制已经进行到哪个阶段了？

黄：美国在上世纪80年代至本世纪初，搞了一个下一代战斗机发动机的预研和技术攻关计划，即“综合高性能涡轮发动机技术计划”（英文缩写IHPTET计划），做了先期技术探索，2005年该计划终结后，美国人用投入更少的“经济型先进涡轮发动机”VA ATE计划予以替代，GE公司的第五代ADVENT变循环发动机就是VAATE计划中最重要的一个子计划之一，得到了美国军方和国防部的支持。这个技术研发计划的目的是，制造一台采用变循环技术的验证机，发展和验证进气道、发动机、排气喷管和综合热管理技术，以获得在大的高度和飞行速度范围内性能最佳的推进系统，以达到两个目的：一是改善性能；二是提供一组可以很容易地自适应和变化尺寸来满足不同平台和不同任务要求的发动机技术。

ADVENT计划是VAATE计划第二阶段的一个标志性计划，计划发展的技术将使发动机能够独立地改变通过风扇和核心机的空气流量和压比，实现大幅度的变循环，被认为是航空涡轮发动机发展史上又一个重大里程碑，其意义不亚于涡喷发动机向涡扇发动机的跨越。如果说IHPTET计划主要是技术预研的话，那么ADVENT发动机就是一个工程验证机，它是从预研到批生产发动机中的关键环节，这一验证机项目如果如期成功的话，紧接着的肯定就是型号机上马，到时候第六代战斗机发动机就可以进入批生产阶段，正式装上六代机了。而目前其他国家对六代机的研发，主要还是在技术探索和预先研究阶段，比起美国来落后了一大截。

记：从目前来看，变循环发动机主要的技术特点和原理是怎样的？如何实现变循环？

黄：现在一个关键的技术，叫做“三流道”技术，它为变循环发动机实现了原理突破，该技术全称是：变前端可旁通“三流道”架构技术。传统涡扇发动机拥有两个流道即核心机流道（内涵道）和外涵道，而第六代机发动机却有三个流道，即内涵道、中涵道和外涵道。外涵道的气流（第3气流）由自适应风扇产生，能够适应飞行环境的一个宽大范围，在整个任务多种不同状态下，调节涵道比和压比，优化进入到核心机和外涵道的空气流。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，可提升起飞和超声速阶段的推力；巡航时，第3气流打开，增加涵道比，以降低巡航和留空时的燃油消耗率。同时，增加的流道（即外涵道）可极大改进发动机的热管理，能够为飞机系统提供额外的冷却空气；能更好地与进气道和发动机气流供求在整个飞行包线内相匹配以使得阻力最小。

三流道的特点是，内涵道和中涵道实现较稳定的流动循环、而外涵道则可以起到增加涵道比和增加增压比的作用，三流道技术采用后，增压比和涡轮前燃温度这两个决定发动机推力性能的关键性指标，都会比现有发动机有明显的提升，这就可以使变循环发动机突破10一级的推重比限制，达到15甚至20一级的高推重比。

记：变循环发动机目前研制进展如何？未来有什么样的节点规划？

黄：目前变循环发动机，主要在研究的有两家，一家是普惠公司，在其独特的PW1000齿轮传动发动机基础上改装，增加变循环结构而来，另外一家，就是GEN司，它们主要是在推进ADVENT发动机计划。

ADVENT发动机计划的第一-阶段已经圆满结束，在与罗尔斯罗伊斯公司的合作研发中，在风扇、压气机和涡轮等核心部件上取得突破，研制出验证机核心机。这一目的很好的达到了，其中：下一代LEAP高压压气机、用于燃烧室和高压涡轮的高温陶瓷基复合材料、以及增材制造部件等，可以使发动机燃油效率提高25%，飞机的作战航程增加30%，发动机的推力也比目前最先进的军用战斗机发动机（指F135）提高5-10%。其中高温陶瓷基复合材料，是世界上第一次成功实现工程应用。虽然没有公布具体的涡轮前燃温度，但据GE公司披露，ADVENT验证机的涡轮前燃温度超过了F119，创造了新的世界纪录，这为其实现超高推力和推重比打下了坚实基础。

第二阶段为期四年，由普惠公司和GE公司两大巨头合作完成，主要目的是完成验证机的台架试车试验，验证核心机和风扇、燃烧室、高压压气机等主要部件的运行情况。这一阶段如果能于2016年成功结束，就意味着变循环发动机的验证机（即核心机）已经成熟。根据发动机的研制规律，我们知道一般有技术预研、核心机研究、原型机研制、批生产等四个阶段，核心机成功，意味着原型机的研制即将展开，第六代发动机将正式进入工程研发阶段。

变循环发动机的五大优点

记：您能否全面总结一下变循环发动机相比传统涡扇/涡喷发动机的优点？

黄：目前来看，变循环发动机的优点可以归纳为主要五点。

第一，耗油少、效率高。这也是美国发展第六代发动机思路改变调整的重要体现。过去美国搞第五代航空发动机主要追求大推比，也就是说研制精力主要集中在怎样提高发动机推力效率上，曾经一度要求五代发动机推力比应该达到15一级。但最新的消息显示，美国正在逐渐调整发动机研制思路，将精力主要集中在提高发动机燃油效率，普惠公司承诺要实现“减少30%耗油，以及更好的速度高度适应性”就是这一体现。

第六代机发动机具有更优的结构、更高的进气流量，能够实现更低的燃油消耗。其燃烧效率比目前发动机（如F-35战斗机配装的F135发动机）提高25%，因此，耗油率比第五代战机降低25%。有资料分析：美国空军每年使用超过24亿加仑燃油，折合为740万吨JP5燃油。JP5的典型价格比汽车汽油高2-3倍，即使算入规模采购的折扣，这也是每年近200亿美元的巨额开支，节油25%对美空军来说是很有吸引力的目标。

耗油率的降低，还可大大增加飞机的续航时间、待机时间。由于使用变循环发动机技术，当飞机亚音速巡航时采用高旁路涡扇模式，超音速巡航时则采用涡喷模式，从而拓宽了发动机的工作范围，提高了不同飞行状态下发动机的工作效率，使第六代飞机既能亚声速巡航飞行，又能进行3～6马赫的超声速巡航飞行。

第二，推力大、重量轻。与第五代机发动机相比，第六代机发动机的功率得到大幅度提高，其中间推力（无加力推力）将增大5%，最大推力增大10%，工作航程提高30%。它可进一步提高飞机的飞行速度和高速冲刺能力，使第六代战机在不开加力的条件下就能保持超声速巡航飞行，并缩短了飞机起降距离。在第六代机发动机中，新材料的贡献率将达到50%以上。“材料先行”已成为航空发动机研制的客观规律，第六代机发动机将采用新材料技术，综合运用单晶材料、热强钛合金、热强镍合金、耐火合金材料、特种合金材料、抗腐蚀保护层等大量新材料，可使发动机的重量大大减轻，其推重比可达到15～20，而目前最先进飞机的推重比仅为10。

第三，兼容性强、成本低。第六代机发动机采用自适应通用发动机技术和高效嵌入式涡轮发动机技术，利用一种核心发动机或基准发动机可衍生出系列发动机，以满足不同任务飞机的需求，因而扩大了发动机的适用范围，使之具有良好的兼容性。按照美军设想，第六代机发动机应能够满足未来全谱系空中平台的需要，既可配装在空军第六代战机上，也可装在海军第六代战机F/A-XX上，还可以供无人轰炸机使用。而且，F-22、F-35等第五代战机也只需少量改装就能换装第六代发动机。由于通用性强，第六代机发动机的经济可承受性将大大改善，其研发成本和装备价格将大大降低，性价比也会随之提高。据美军预测，第六代机发动机的性价比将是2000年基准发动机的10倍。

第四，零件少、用途多。当今航空发动机的内部极其复杂，叶片、管路、各种零件几乎贴在一起，使发动机易出故障且维修困难。第六代机发动机应用了变循环发动机、自适应发动机等新技术、新原理，能够充分利用冲压效果，使发动机零件减少70%，可大大降低发动机的安装阻力，提高发动机的可靠性和维修性。第六代机发动机除用于提供动力外，还可用于飞机的方向控制。以战斗机的垂尾为例，垂尾是保证飞行和起降时飞机方向安定与方向操纵的重要部件，但垂直竖立的巨型垂尾是隐身的噩梦。第六代机发动机利用发动机的推力矢量、气动控制面和压气机引气方式等来实现飞机的方向控制，可使第六代战机成为没有垂尾的战斗机。加之发动机的排放温度低，不仅提高了飞机的可靠性，还提高了飞机的隐身性能，使第六代飞机具有低可探测性的特点。

第五，寿命长、对飞行环境要求低。第六代机的自适应发动机具有内在可变特性，能够根据不同的飞行环境调节涵道比和压比，优化发动机工作，提高其性能，从而使飞机能适应多种环境下的飞行。对环境适应能力的增强还能相应增加发动机的使用寿命，因此，美军第六代机发动机的设计寿命比第五代机发动机增加了1/2～2/3。

变循环发动机成熟还需要时间

记：既然美国目前对变循环发动机投入这么大的力量，技术水平也很先进，那么是否意味着它在2020年左右就可以成熟？

黄：变循环发动机的成熟仍需时日，未来的路还很长。按照美国国家航空航天局NASA对技术完备或成熟程度共9级的定义和分类，其中达到6级，就表明一个装备完成了验证机试验，可以进入型号原型机的研制，而达到9级，就表明是进入批生产、成熟的技术。目前NASA对F135的评定是部分达到9级，这意味着F135基本成熟，是一款批生产发动机。而变循环发动机技术的成熟度目前还没有达到6级，需要通过验证机来使其先达到6级的水平。从预研、验证机、原型机到批生产的四部曲来看，变循环发动机还处于第二部的中前期，可能需要10～20年的时间去使其变得完全成熟。

记：第六代发动机目前要从验证机到原型机，主要的实现难点是什么？

黄：关键就是变循环发动机增加了一个调节机构，这使得发动机的结构变得复杂起来，越复杂就意味着控制系统可靠性控制要求大大提高了，同时对结构、材料、控制、加工、制造、装配、试验、检验、多用途、广泛适应性、生存能力等一系列技术和指标的提升、革新提出了较高要求，也增加了实现和发展的技术风险。因此，鉴于其可靠性及技术风险的分析，不能不说变循环发动机的发展还有很长的一段路要走。

记：您能否谈一谈美国第六代发动机的研制对中国航空发动机工业的启示和意义？

黄：中国航空发动机产业也正在处于蓬勃发展的关键时期，我们应该借国家航空发动机重大专项实施的契机，不仅要继承与学习欧美先进航空发动机的研究成果，积极探索航空发动机正确的发展道路，更要有卓越的创新思维，要有持之以恒学习的行动、要有团队成功合作的理念、对航空发动机要有顶礼膜拜的态度、要有甘于寂寞的奉献精神、还要具备严、慎、细、实的工作作风，为中华民族的复兴贡献贡献先进航空动力。

鉴于变循环/自适应发动机优异的技术特性、强大的军事需求和实际应用的重要性，我们应高度重视这项新技术的探索研究，通过分析国外在变循环涡轮发动机（VCE）领域的研究成果，借鉴国外的成功经验，结合国内已有的研究基础，制定顶层研究方案，突破变循环发动机（VCE）工作原理、结构设计、建模和计算、关键技术（核心机驱动风扇级、变面积涵道引射器、可调涡轮导向器和自适应控制技术等），探索变循环发动机研究的零部件和整机试验条件和技术要求条件，掌握其试验方法，为变循环发动机的验证机与工程研制提供技术储备与支持，最终实现我国先进航空动力的跨越式发展。

记：非常感谢您接受我们的采访。