循环四两，性能千斤

单涵道动力寻变

涡喷发动机的推力完全来自于经燃烧室燃烧后喷出的高温高速气流;涡扇发动机的主要推力则来自于由涡轮驱动的风扇气流，风扇推动的一部分气流未经燃烧室加热，直接从涡轮机组外侧的通道喷出，即外涵道射流，而将空气直接引入燃烧室燃烧并喷出的称为内涵道射流。涡喷与涡扇发动机的主要区别也在于有无外涵道。外内涵道空气流量之比，称为涵道比。对涡扇发动机而言，涵道比越小，高空高速性能越好，涵道比越大，低空低速性能越好。由于涡喷发动机没有外涵道，其涵道比为零，因此单从在结构角度来看，涡喷的高空高速性能最好。

既然涡喷适合装备执行持续高马赫数飞行任务的战机，而涡扇适合装配执行低马赫数、长航程任务的机型，那么如果既要求优异的超声速飞行性能，又强调良好的亚声速特性，仅靠涡喷或涡扇则难以实现。因此，为适应不同飞行速度的作战任务，人们设计出可变后掠翼的飞机，如B-1B战略轰炸机。该机在巡航时展开机翼，以获取更大升力并降低耗油率，而执行突防轰炸任务时，则向后收起机翼，以减少飞行阻力，获得更高的飞行速度，这是在发动机技术尚未成熟时做出的妥协。而随着时代发展与技术进步，变循环发动机（Variable Cycle Engine，简称VCE）概念被人们提出。

所谓变循环，实际就是通过改变发动机相关部件的几何形状、尺寸或位置来改变气体流路结构，调节发动机的循环参数（空气流量、增压比、涵道比等）。原理看似简单，但航空发动机从设计到工艺，再到材料，处处是难点，目前只有通用电气公司在该领域取得了一些成果。变循环技术的核心是改变发动机涵道比，并已经接近应用阶段，而更加先进的自适应变循环（ACE）发动机目前也取得了重大突破。

VCE初入江湖

1948年，F-86的原型机YP-86A装配带加力的J47涡喷发动机实现超声速飞行，完成了美国探索超声速飞行的可行性研究。随后美国宇航局（NASA）将研究重点转向实现超声速巡航。1958～1971年，历经了旨在实现超声速巡航的XB-70轰炸机研制计划取消后，NASA的超声速技术研究进入到第三阶段（1971～1981年），目标是力求超声速巡航技术投入应用，被NASA称为超声速巡航研究（SCR）计划。通用电气公司变循环技术的研制便始于此。

SCR计划的头三年，通用电气公司和普惠公司分别提出了各自的实现变循环技术途径，通用电气的为双涵道发动机（DBE），普惠的则是变流路控制发动机（VSCE）。为将精力集中在这两种变循环技术的实现途径上， NASA于1976年开始了超声速推进技术研究计划（VCE计划）。

1976年2月，通用电气公司用一台改装的YJ101发动机进行了单涵道变循环试验，对变涵道比理论进行初步可行性研究。这台经过改进的发动机最大特点就是引入了“后可调面积涵道引射器”（简称后VABI），相当于在外涵道中加了一个不能完全关闭的阀门，阀门关小，更多空气进入内涵道，涵道比减小;阀门开大，外涵道空气流量增加，涵道比增大。这种结构的好处是，相比于普通涡扇发动机，在低功率状态下，压气机转速降低时，可以将后VABI开大，让更多的空气从外涵道流出，这样一来风扇系统的空气流量不必为了适应核心机流量的减小而降低，有助于降低进气道阻力。这便是最简单的第一代变循环发动机，仅为一台原理样机。

变循环奠基者GE-21

GE-21在通用电气公司的变循环发动机发展中有着十分重要的地位，由于其应用了双涵道技术，因此可以把它视为通用电气此后所有变循环发动机的开端，并为YF-23隐身战斗机的动力F120变循环发动机的研发打下坚实的基础。

GE-21是通用电气公司首次应用双涵道技术的发动机。与第一代VCE不同的是，GE-21将风扇分为前后两段，后段与压气机相连，称为核心机驱动风扇级（CDFS），并且带有可调进气口导流叶片。该结构设计的优点是，可通过高压风扇涵道对核心机流量进行二次调节，对内外涵道流量的控制范围更广，同时也更加精确。

由于结构比改装的YJ-101复杂得多，因此GE-21实现变循环的部件也相对较多。其在前段风扇涵道进口设置了一个模式选择活门，该活门的开合决定发动机的外涵道是否打开，以使发动机在涡扇和涡喷模式之间进行切换;在后段风扇涵道进口又设置了一个前可调面积涵道引射器（前VABI），相当于一个可以在任意模式下调节核心机流量的活门。而在外涵道出口处，和第一代变循环发动机一样，设置了一个后可调面积涵道引射器（后VABI）。

在起飞和亚声速巡航时，发动机以涡扇模式工作。为保证涵道比最大，两个涵道均呈开启状态，此时前段风扇的转速增加，模式选择活门、前后VABI均开启以保证前段风扇拥有最大空气流量。由于前段风扇和核心机转速不匹配，核心机无法适应如此大的空气流量，因此让不能通过核心机的空气由前VABI进入外涵道。同时调小核心机驱动风扇级的可调导向叶片角度，使后段风扇叶片间的缝隙减小，进一步减小核心机流量，这样一来，发动机便具有最大的涵道比。众所周知，涵道比越大，推进效率越高，相比于常规涡扇发动机，GE-21通过此举可降低耗油率15%。

在加速、爬升和超声速巡航时，发动机需要为飞机提供最大推力，GE-21将以涡喷模式工作。此时，模式选择活门关闭，前后VABI均关小，仅使少量空气通过外涵道以冷却发动机喷管，同时增加可调进气口导流叶片角度，使前端风扇的空气几乎全部进入核心机，以产生极高的推力。此时，发动机涵道比最小，从空气流路特点来看，与没有外涵道的涡喷发动机几乎一致。

通过GE-21的大量试验，为F120的诞生打下了坚实的基础。

F120超越时代

在先进战术战斗机（ATF）计划中，采用了变循环技术的F120败给了更加成熟可靠的普通涡扇发动机的极致之作——F119，这其实是美国空军为降低技术风险、保证项目进度的妥协。尽管如此，军方依然认为F120代表着航空发动机的未来，变循环发动机取代普通涡扇是迟早的事。

F120是通用电气公司在GE-21基础上发展的新一代变循环发动机，内部编号为GE-33，是美国空军和海军在1983～1990年展开的超声速巡航研究（SCR）、先进涡轮发动机燃气发生器（ATEGG）和联合技术验证机（JTDE）等一些列计划的产物。

ATF计划要求新一代战斗机在拥有大航程的同时实现超声速巡航，前者要求发动机具有较低的耗油率，后者要求在大功率状态下提供高单位推力。这些要求综合了涡喷、涡扇各自最大的优点，并在F120上得到了实现。

F120在工作原理和模式与GE-21一样，通过单、双涵道模式之间的切换实现变循环效果。但与GE-21不同的是，F120将可调模式选择活门改为被动式旁路活门，当飞机亚声速巡航时，发动机以双涵道的涡扇模式工作，此时后VABI开大，第二级风扇和核心机风扇级之间的压力大于外涵道压力，被动式旁路活门被气流冲开，更多气体混入外涵主排气流，有效增加推力。当发动机在超声速巡航等高功率状态时，后VABI关小到只有少量用以冷却涡轮框架、加力燃烧室内衬和尾喷管内衬的气流可以通过，此时外涵道压力持续增大，直至超过前段风扇排气压力。在外涵道气流作用下，旁路系统的模式选择活门关闭（即外涵道关闭），空气只能进入核心机，仅有少量空气从后段风扇后的外涵道引出供冷却系统和维持外涵压力使用，发动机进入涡喷模式工作。

此处所言的F120，是从XF120地面试验和YF120飞行试验成功的基础上发展而来，除用被动旁路系统代替可调模式选择活门外，压气机设计也做了改进，改善了匹配特性与效率，控制系统也已简化到普通涡扇发动机的水平。

ACE诞生，开启循环之路

F120是通用电气公司变循环发动机的最终技术成果，此后，通用电气便进入了更加先进的自适应变循环发动机（ACE）研究阶段。相比VCE，ACE外涵道更宽，涵道比变化程度超过1.0（而VCE仅为0.3～0.5），这使其耗油量进一步降低。ACE通过更加复杂的结构，实现了多个可调几何机构协同匹配各涵道流量的设计，避免因多余气流无法通过发动机而产生的溢流阻力，使发动机拥有了更强的环境适应性。2007年，美国开启多用途先进涡轮发动机计划（VAATE），正式启动ACE的研制工作，目前已经完成了理论验证，预计2017年开始整机验证试验。该项目也是美军开展的第六代战斗机计划的核心。

美国的超声速巡航研究项目已经发展了50余年，试验了各种各样的技术路线和方案，只有通用电气的变涵道比的技术进入了应用阶段，成果最为丰硕，这是美国人认为的最佳技术路线。通用电气在变循环方面的研究代表了航空发动机领域的最高水平，毫无疑问会再次引领航空发动机技术的变革浪潮。

美国提出的第六代战斗机概念，要求比F-22具备更快的超声速巡航速度、更远的航程和作战半径。美军一改以往的维持竞争原则，明确提出第六代战斗机将使用通用电气的ACE，原因其实很简单：实现这些要求的技术途径只有采用ACE发动机。普惠的F119已经达到了涡扇发动机技术的巅峰，它使F-22实现了超声速巡航能力。新飞机要想获得比F-22更好的性能，必须采用新的技术，而这里只有VCE和ACE可供选择。虽然在ACE应用之初很可能出现类似F-15战斗机项目早期因技术不成熟而大规模“趴窝”的现象，但是一旦技术成熟，又一个像“鹰”那样的传奇就会诞生。

采用新理论设计的VCE和ACE发动机在军用飞机领域的应用前景十分广阔。对轰炸机而言，更远的航程和更快的突防速度是永恒的追求，现在美军提出的下一代轰炸机计划仅是一个廉价版本的B-2，如果想发展比B-2更先进的轰炸机，以ACE为动力则是必然。但在民用飞机，笔者认为VCE和ACE前景暗淡，因为它们实在太先进，成本也高。此外，民用飞机对于巡航速度要求并不高，诸多超声速客机计划的下马也印证了这一点，大涵道比涡扇发动机才是民机的最佳选择。

美国六代机概念的提出源于发动机技术的革新，反观中国，虽然我们的五代机歼20已经上天，但依然使用着与其设计性能不匹配的发动机。歼20战斗机的总设计师杨伟在今年两会期间接受媒体采访时也表示，我国的战斗机整体设计水平已经与西方发达国家不相上下，追赶阶段已经过去，现已开始探索未来。但在航空发动机方面仍然存在十分巨大的差距。目前我国的“太行”发动机刚刚进入成熟阶段，可靠性问题逐步得到了解决，美国同样技术水平的F110在上世纪80年代末期已经十分成熟，以其为动力的F-15、F-16战斗机大量装备部队，并在冷战最前沿保持着高度戒备。在网络上曝光的涡扇20大涵道比发动机近些年才开始空中试验，而同等技术水平的美国CFM56民用涡扇发动机早在上世纪80年代末就取得了适航证。另外，根据中国航空报2014年12月的一则报道，我国新一代大推力军用涡扇发动机在材料上取得了重大突破，而美国同等技术水平的F119在上世纪90年代初就已经装上了YF-22战斗机开始了飞行试验。以上可以直观看出我国与美国在航空发动机领域的差距，因此，鉴于目前科研力量集中在大推力涡扇发动机的研制攻关上，笔者猜测我国关于VCE和ACE的研究很可能还在理论设计阶段进行探索。

除美国外，目前还没有哪国将变循环技术发展到应用阶段，而美军新一代发动机从设计理念到制造工艺，已经再次与世界其他国家正在发展或者已经装备的发动机完全不同，这似乎标志着美国将在变循环时代引领未来。

责任编辑：陈肖