近年来，随着美、欧、俄等世界航空发达国家和地区的新一代作战飞机、新一代远程轰炸机、无人作战系统、未来旋翼机以及高超声速飞行器的不断探索发展，其技术特征已经基本明晰，下一代军用航空动力技术的需求也应运而生。目前，以变循环发动机、高效嵌入式涡轮发动机、超燃冲压发动机、先进涡轴发动机、组合循环发动机、非传统新能源动力等为代表的新型航空动力技术正在开展试验验证。

1. 什么是变循环发动机

变循环发动机（VCE）是通过改变发动机一些部件的几何形状、尺寸或位置来改变它热力循环的发动机。其原理是改变航发的增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比，可以让发动机在各种飞行和工作状态下都具备良好的性能。

在传统的技术研发上，变循环发动机是一种多设计点发动机，通过改变一些部件的几何形状、尺寸或位置，来调节其热力循环参数（如增压比、涡轮进口温度、空气流量和涵道比），改变发动机循环工作模式（高推力或低油耗）使发动机在各种飞行情况下都能工作在最佳状态。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。





现代航空发动机油耗对比

变循环发动机目前主要研究方向是改变涵道比。在爬升、加速和超音速飞行时减小涵道比，以增大推力。在起飞和亚音速飞行时，增加涵道比，以降低耗油率和噪音。它能有效应对亚音速飞行和超音速飞行间的固有矛盾，还能减小推进系统的安装损失，提高航发性能，达到事半功倍的效果。

2. 研发背景

传统航空涡轮发动机的热力循环特性是固定不变的，一种发动机只能在一种模式下工作，并且仅在有限的飞行范围内具有最好的性能。变循环发动机则是一种多设计点发动机，它通过改变一些部件的物理结构，来调节其热力循环参数，改变发动机循环工作模式使发动机在各种飞行情况下都能工作在最佳状态，从而实现飞行器在亚声速、跨声速、超声速和高超声速状态下的飞行。

在未来陆、海、空、天等多维度作战模式下，装备先进推进系统的航空装备将是夺取制空权，乃至整个战争胜利的关键。涡轮发动机的问世实现了航空飞机亚音速飞行。随着军用领域对大推力发动机需求的不断提高，使得发动机设计师不断追求更大涵道比的发动机。

战斗机主要依靠空气动力优化来提高性能，不过到了第四代战斗机，战斗机设计者感觉凭借单一手段再次扩展战斗机飞行包线已经非常困难，需要采取多种手段才能继续对战斗机性能进行升级，其中最关键就是发动机性能，对于发动机来说，战斗机许多方面性能自相矛盾，巡航阶段需要发动机省油，以提高航程和作战半径，在空战之中又要求飞机具备较好高空高速性能，但是现在使用的发动机涵道是固定的，不能改变，很难兼顾两者之间的性能。为了解决这个问题，国外发动机设计师于上世纪60年代提出了变循环发动机的概念。

3. 技术发展史

迄今为止，变循环发动机技术已经有将近60年的发展史。从1960年代开始，战斗机是变循环发动机的最大推动力。随着飞机的飞行包线不断扩大，只有变循环发动机才能满足战斗机多飞行状态的性能要求。

早期的变循环技术，主要调整发动机的涵道比和流量。主要针对高速飞行要求和巡航经济性要求进行，进行阶段性控制，能控制的变循环参数工作适应的飞行段有限。由于计算机、数字技术和传感器、控制元器件技术的发展，新型发动机全权限数字电子控制器（FADEC）的使用，发动机的控制由过去机械计算元件的简单机械液压控制变为复杂而精确和连续的控制，开始能够满足和适应不同飞行段的变循环工作要求。



SR-71“黑鸟”搭载的J58涡轮-冲压组合式变循环发动机

世界上最早的投入使用的变循环发动机是SR-71“黑鸟”搭载的J58涡轮-冲压组合式变循环发动机，它是普·惠公司的独门法宝。“黑鸟”从诞生之日起仍然保持一系列的速度和平飞高度纪录，可谓是航空史上的一个奇迹。但是由于涡轮-冲压组合式变循环发动机理念太过超前，这种技术并未得到大规模应用。

通用电气公司研制了从YJ101第一代变循环验证机到GE21、GE33即后来的YF120，以及可控压比发动机等一系列变循环预研验证机。通用电气公司的YF120是第一台经过飞行试验验证的双外涵变循环发动机。



变循环发动机的5个发展阶段

美国通用电气公司的F120变循环发动机是双涵道发动机，实现涵道比的变化和对核心机流量的控制，完成发动机在涡轮风扇与涡轮喷气工作模式间的转换，从而使飞机在高速飞行/超声速巡航和高空亚声速/空战机动飞行都能得到满足要求的性能。YF120还参加了美国第四代动力的选型，是世界上第一种经飞行验证的战斗机用变循环发动机。YF120在F-22项目中竞争失败后，在其核心机基础上衍生了常规循环涡扇发动机F136。



美国在上世纪80年代研制的YF120变循环发动机

美国通用电气公司全新研制的XA-100自适应变循环发动机核心机在2018年6月完成全部测试后开始进行原型机装配工作。XA-100自适应变循环发动机验证机基于F-135发动机的深度改型，并创新研究了自适应涡轮和自适应风扇技术，还重新设计研究了F-135发动机的高压涡轮叶片和热障涂层，大幅提高该发动机的涡前温度。

XA-100自适应变循环发动机是美国空军的“自适应发动机计划”（AETP）计划的一部分。目的是促进自适应变循环发动机技术的进一步成熟，为2020年内可能开始工程研制的美国空军下一代战斗机（也称6代机）F-X， 下一代轰炸机（B21计划），下一代美国海军战斗机F/A-XX（美国F/A-18“超级大黄蜂“战斗机的接班人）、及其它多种作战平台提供动力选型。

目前对变循环发动机的主要研究方向是改变涵道比。在爬升、加速和超音速飞行时减小涵道比，以增大推力。在起飞和亚音速飞行时，增加涵道比，以降低耗油率和噪音。据媒体报道，目前中国在超燃冲压发动机的研发上，自主研制超燃冲压发动机，其效率将会更高，随着中国超燃冲压发动机的不断研制，如果不出意外，世界上第一台变循环发动机即将问世。

3. 工作原理

发动机一般从前往后结构以此为进气道——压气机——燃烧室——涡轮——喷口。对应的过程是空气吸入——空气压缩增压——空气混合燃烧——带动涡轮旋转——尾部喷出做功。变循环发动机则采用涡轮风扇体制，将气流分在三个涵道，但这三个涵道可以变换大小口径，通过组合搭配成就最佳的工作模式，在需要经济巡航时，2个调节板向下调节，挡住通过燃烧室的气流，使发动机工作在螺旋桨模式，当需要进行跨音速机动时，调节板1向下，2向上，组成一个涡扇发动机。当要进行超音速巡航时，调节板1、2均向上偏，使其成为一台涡喷发动机。假如发动机使用了任务规划体制，还可以根据不同的任务使用电脑规划发动机的作用方式达到最佳作战效能。



变循环发动机工作原理

4. 技术难点

变循环就是通过改变发动机部件几何形状、尺寸和位置调节发动机的热力循环参数。变循环或自适应技术并不是要求发动机各个部件的单项技术指标（如：级压比、涡轮温度等）很高达到世界先进水平，而是要求变流量下的风扇、压气机和涡轮设计和发动机的控制方法，怎样才能解决变压比的实现、如何通过调节适应流量大范围变化的涡轮，变热力循环参数情况下发动机部件间的匹配控制问题。

另外发动机燃烧室要求高升温、高稳定，高压涡轮要求采用高效率冷却系统，这些要求变循环发动机具备更高燃烧温度，以提高发动机推力，不过这样意味着高压涡轮需要承受更高的温度，对于高压涡轮材料、工艺、冷却系统提了更高要求。

5. 发展趋势

从国内外航空发动机发展来看，结构简化是变循环发动机未来发展一个趋势，F110、FWS-10等三代发动机普遍采用3级风扇加9级高压压气机，AL-31F则是4级风扇加9级高压压气机，到了四代发动机结构就进行了简化，F119涡扇发动机采用了3级风扇加6级高压压气机，至于未来自适应变循环发动机还会进一步简化，一般认为只有2级风扇加5级高压压气机，结构简化，发动机部件减少，但是空气流量、增压比等指标不减反增，结果就是发动机单个部件负荷迅速增加，所以自适应变循环发动机将高负荷、高效应技术将是技术攻关的前列。



美国下一代自适应变循环发动机技术验证机

自适应发动机是国外正在发展的先进变循环发动机。国外研究的变循环发动机的方案主要有单涵道、双涵道、串联/并联式选择放气变循环等类型。目前，国外正在发展带第三个涵道的自适应发动机，其技术特征是第三个涵道内的气流温度较低，可用于提取更多的功率和实现更好的热管理，也可减小安装阻力，改进进气道总压恢复，降低排气温度，减少红外信号。

6. 国外发展计划

世界各航空强国在美国的影响下，也纷纷制定了变循环发动机研制计划。从国外公开资料报道可以得知，英国的罗-罗公司提出SBVCE计划和TANDEMFANVCE计划两个放气式变循环发动机研制计划，法国斯奈克玛公司提出了带中间风扇的MCV99 VCE三涵道变循环发动机方案。日本也提出了HYPR90-C变循环发动机计划，在美国进行的初步试验中，涡轮前温度达到1873K，涵道比从0.6成功地变化到0.9。通过改变低压涡轮导向器的角度，在高速高温状态下的推力增加15%。但到目前为止，还没有一个进入类似美国的原型机研制阶段，与美国的差距将进一步拉大，其差距大约为20至25年。