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这是《双模式飞行器推进装置的耦合与解耦》裁剪以后的简化版，只保留了与短距起飞／垂直降落飞机有关的内容。 摘 要 针对短距起飞／垂直降落飞机的升力风扇和水平风扇，分析了它们之间耦合带来的发动机结构复杂、匹配调节复杂等问题。 同时，提出开展冲击小、发热量少的新型间歇传动技术研究。该技术具有一定基础，突破后可对升力风扇和水平风扇进行解耦，促进短垂飞机早日发展。 本文分为以下5个部分： 一、短距起飞／垂直降落飞机； 二、升力风扇和水平风扇的耦合； 三、解耦设想； 四、解耦技术的攻关建议； 五、展望。 一、短距起飞／垂直降落飞机 1.1 基本概念 短距起飞／垂直降落飞机简称短垂飞机，它既能从短的或受破坏的跑道或适当的军舰上起飞，又能像直升机一样垂直着陆，提高了应急出动能力和返场生存能力，是现代战斗机的重要发展趋势。 目前，以 F35B（见下图）为代表的典型短垂飞机，均仿效直升机，配置了不依赖于飞行速度，而是靠自身旋转速度来产生升力的装置一一升力风扇。 F35B由美国洛克希德公司研制，安装一台带矢量喷管的F135涡扇发动机，机身前部配置两级对转升力风扇，升力风扇由涡扇发动机的低压转子带动。  关于F35B的更多介绍，参见《F35B为短矩起飞、垂直降落付出的代价》。 1.2 飞行情况 短垂飞机是一种双模式飞行器，以F35B为例，其飞行情况如下。 1）起飞 主要以直升机模式飞行，升力风扇提供主要的升力，涡扇发动机的矢量喷管提供部分升力，同时，水平风扇（涡扇发动机的风扇）推动飞机低速前飞，机翼提供部分升力。 2）降落（此时，飞机消耗了燃油而变轻） 以直升机模式飞行，升力风扇提供主要的升力，同时，涡扇发动机的矢量喷管提供部分升力。 3）巡航飞行 以固定翼飞机模式飞行，由涡扇发动机进行水平推进，由机翼产生升力。 二、 升力风扇和水平风扇的耦合 2.1 耦合 在F35B这种短垂飞机上，升力风扇是垂直推进装置，水平风扇是水平推进装置。 目前，升力风扇和水平风扇两者之间单向耦合，升力风扇耦合了水平风扇，但水平风扇没有耦合升力风扇。 1）升力风扇耦合水平风扇的情形 水平风扇与发动机设计为一体，只要发动机因升力风扇的需要而工作，则水平风扇也随发动机一起工作，在整个飞行过程中，水平风扇连续地随发动机一起工作。 2）水平风扇没有耦合升力风扇的情形 升力风扇与发动机之间设置有主动控制式摩擦离合器，当发动机因水平风扇的需要而工作时，可以断开离合器，使升力风扇不随发动机一起工作。 2.2 耦合的缺点 由于升力风扇耦合了水平风扇，使得F35B这种短垂飞机的发动机具有变循环的特点。 在高速巡航飞行时，该发动机是普通的涡扇发动机，在起飞、降落时，该发动机则变换为涡轴涡扇组合发动机（轴扇发动机）。 在轴扇发动机状态，在同一时间域，低压涡轮既要为水平风扇提供功率，又要为升力风扇提供很大的功率，发动机各部件之间匹配工作的难度增加，需要在多个截面进行几何可变的调节。 比方说，需要： 1）放大尾喷管喉道面积，提高低压涡轮的功率； 2）减小外涵出口面积，减少外涵消耗的功率； 3）调节低压涡轮导向器喉部面积，提高高压压气机稳定工作裕度。 这些调节，大大增加了发动机结构和控制的复杂程度。 三、解耦设想 3.1 解耦设想 1）内涵 对水平风扇进行解耦，就是要使它与发动机之间的驱动关系能够单独进行控制。 这样，在短垂飞机飞行时，当升力风扇需要发动机工作时，水平风扇可以选择跟随发动机工作，也可以选择不跟随发动机工作，在整个飞行过程中，水平风扇可以断续地工作。 2）得与失 水平风扇解耦后，解除了相应发动机在同一时间域涡轴和涡扇组合的特点，在起飞、降落时，发动机的低压涡轮只需要驱动升力风扇，不需要给水平风扇提供功率，大大降低了发动机各部件之间的匹配难度，降低了发动机结构和控制的复杂程度。 当然，解耦后，起飞时水平风扇不工作，飞机以垂直方式起飞，也就没有了“水平风扇＋机翼”的优势，从而需要更大的升力风扇和更大的发动机。另外，需要对飞机的重量和升力重新进行配平。 3.2 技术途径 要实现水平风扇的解耦，可以采用可关闭式外涵，或采用分立式风扇。 1）釆用可关闭式外涵 就是将风扇段的流道分成外涵和内涵两部分，并将外涵设计为可关闭式，在不需要水平风扇工作时，由外涵前、后的导叶将外涵流道关闭，大大减少风扇外涵消耗的功率，在效果上实现解耦。此时，内涵作为压气机的一部分，则不受影响，继续正常工作。 以这种方式解耦后，发动机仍然可以理解为涡轴涡扇组合发动机。但这是从不同时间域来说的，起飞、降落时是涡轴发动机，高速巡航时是涡扇发动机。 2）釆用分立式风扇 就是将水平风扇从涡扇发动机上独立出来。以这种方式解耦后，发动机相当于涡轴发动机 。 釆用分立式风扇后，其与发动机之间可设置间歇传动装置，或采用电驱动风扇。 四、解耦技术的攻关建议 水平风扇的解耦，涉及风扇外涵关闭技术和间歇传动技术、电动技术。 对这些技术，我们该怎样去安排研究呢？ 4.1 各解耦技术的难度分析 1） 外涵关闭技术 外涵关闭技术的难度是结构复杂。无论是外涵的大变角可调导叶及其操纵，还是外涵与内涵之间在风扇部位的流道隔离、密封结构，都增加了发动机的复杂程度。 还有，一旦外涵与内涵之间密封不好，则内涵的前、后级之间就会有潜流，效率降低。 外涵关闭技术在国外、国内均开展了研究。 2） 间歇传动技术 目前，间歇传动技术普遍采用的方式是在传动链上设置主动控制式摩擦离合器，现有F35B上的升力风扇即采用了此种方式。 该离合器的技术难度在于结构复杂，并且工作时发热量大、接合时间长，不利于可靠工作，参见《间歇传动热得很》。 现有F35B是在没有其它选择的情况下才选用了主动控制式摩擦离合器，并且，研制中为解决热平衡问题付出了很多。 3）电动技术 电动技术的难度，体现在如何控制大功率情况下的发热，以及提高发电机和电动机的效率和功率密度，使飞行器具备基本的任务载荷、基本航程和实用性，参见《电动旋翼重得很》。 电动技术因在非航空领域也有许多应用，国内已多渠道安排了相关研究。 当然，从国外的相关情况来看，电动技术要在发热控制和功率密度方面取得突破，为期尚远。 4.2 各解耦技术的适用性分析 1）外涵关闭技术 只能用于水平风扇。 2）间歇传动技术和电动技术 既能用于水平风扇，也可用于升力风扇。 4.3 攻关建议 综合考虑各解耦技术的难度、适用性和已有研究情况，建议加强间歇传动技术的研究。 此前，国内针对间歇传动技术开展的研究不多，且主要是针对主动控制式摩擦离合器进行工程化应用研究。 今后，可在主动控制式摩擦离合器以外，充分利用相关探索研究中打下的基础，尝试新的传动方式，冲击小、摩擦发热少地实现间歇传动。 五、展望 对于冲击小、摩擦发热少的新型间歇传动技术，其原理性探索研究已取得了较好的进展，一旦其工程应用研究取得突破，这种另辟蹊径的技术，将加速我国短垂飞机的研究进程，弥补我们起步晚的劣势，实现跨越式发展，早日摆脱人有我无的窘境。 具体来说，采用新型间歇传动技术，既可解除水平风扇的耦合，简化发动机的匹配和调节控制，同时，还可使升力风扇避免采用发热量大的主动控制式摩擦离合器。这些，都将使发动机和飞机的研制难度降低，研制周期缩短。 |
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