美军的六代机项目NGAD以及搭配的变循环发动机是美军最为神秘、同时也是最为先进的项目之一，公开报道的信息少之又少，而据公开的有限资料来看，变循环发动机研发已经基本完成，对于这种先进的发动机我们的技术水平又如何呢? GE XA100变循环发动机：测试超过性能目标 2021年5月13日，AviationWeek上刊出了一篇报道，内容是通用公司的GE XA100的变循环发动机完成高空台测试，性能超过预定目标！ GE Edison Works 高级战斗部总经理David Tweedie表示，第一台XA100的测试于2020年12月22日在俄亥俄州埃文代尔的高空测试台开始进行测试，一直持续到3月下旬，其已经完成所有项目测试： “达到了我们所有的主要测试目标，”Tweedie称：“引擎的运行状态与我们的预测的完全一致，引擎可以在两种不同模式间做到无缝转换的能力。” David Tweedie XA100发动机的设计与常规不同，其存在核心机的气流和低压旁通气流的基础上，还有额外的第三道气流可以被重新定向，这个气流可以运行在两种模式下：

• 需要燃油效率时增加旁通比，此时会更省油；
• 或者将额外的气流引导至核心以获得更大的功率，此时将有更大的推力；

这种模式可以在巡航模式下获得更高的燃油效率（更省油），或者在更高速模式提高核心机功率以提供更大的推力！和常见的发动机相比，它可以将推力提高10%，燃油效率提升25%，据Tweedie表示，在整个飞行包线内，发动机性能都非常了不起！ “续航里程增加30%或停留时间增加50%” “我们非常满意发动机已超额完成了设计者最初提出的目标” Tweedie称，XA100将在不晚于2027年装备洛克希德的F-35A，在2030年前装备美军的六代机NGAD。 何为变循环发动机：NGAD的六代机项目有什么内容？ 上文说了半天变循环发动机，说到底这究竟是什么发动机？何德何能会成为六代机的标配动力？所谓的变循环发动机其实就是一种比较特殊结构的喷气式发动机，也正是因为它的特殊结构，导致设计实现它的难度很高，全球多国都在试图突破这种发动机，到目前为止，公布出来的只有美国！

• 变循环发动机：涡喷 涡扇？

喷气式发动机其实种类挺多的，比如有脉冲喷气发动机、离心式喷气式发动机，涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机与冲压发动机等，不过到目前为止，应用最广泛的还是涡轮喷气发动机（涡喷）和涡轮风扇（涡扇）发动机。 涡喷与涡扇到底有什么区别？ 涡喷和涡扇其实非常相似，都有多级压气机、燃烧室以及高压涡轮和尾喷口等部件组成，看起来主要结构如下图： 对于喷气式发动机我们是不明觉厉，毕竟这个结构不是每个人都能看懂结构的，但这有啥问题？觉着很厉害就行了！但事实上要是常规的喷气式发动机，差不多就只有两种，一种就是涡喷，另一种是涡扇，要分辨还是不难的： 涡轮喷气发动机 上图为涡轮喷气发动机，从进气口的压气机开始到尾喷口，只有一条气流通道，这些气流会经过多级压气机压缩，最后到燃烧室喷入燃油燃烧，再推动高温涡轮转动为整台发动机提供动力，最后在尾喷口高速排出形成推力。 上图为涡轮风扇发动机，从进气口风扇后气流分成两个通道，一个是和涡喷发动机一样继续经过后面的压气机进入多级涡轮压缩后进入燃烧室，最后推动高温涡轮后排出尾喷口形成推力；而另一道气流则直接旁通，从外涵道直接到达尾部，混入高温燃气，辅助增加推力。 各位千万别看这个外涵道的旁通气流，根据外涵道风扇的直径，其提供的额外推力占整台发动机推力的30%~70%，比如客机的涡扇发动机，外涵道产生的推力比发动机核心机产生的推力要高得多，看起来就如下这个样子： 因此大家都对涡扇推崇备至，因为涡扇推力更大，也更省油！但涡扇有一个致命缺点，由于存在外涵道，它的迎面阻力是比较大的，它的效率在超过音速，特别是高于2倍音速后效率会快速下降，因为此时产生最大推力的那个大风扇就成了累赘。 相对涡喷就不存在这个问题，因为它自始至终就只有一个涵道，因此在高空高速优势明显，那是非涡喷莫属，比如前苏联著名的高空高速战斗机米格-25用的就是两台土曼斯基R-15BD-300带加力燃烧室的涡轮喷气式发动机，在这两台发动机的推动下，米格-25能以3.2马赫的速度狂奔！ 但这里有一个问题，既然涡喷高速性能优势明显，为什么不用涡喷呢？答案是涡喷的糟点更多，因为飞机大部分时间都是在低速条件下，而涡喷的低速性能不好，油耗很大，不够经济，因此客机发动机没有人选用涡喷！ 变循环发动机：集合涡喷和涡扇的优势 其实涡扇也可以设计成小涵道比的高速型，比如可以达到2.8马赫的米格31的发动机就是两具什韦措夫发动机设计局（Aviadvigatel）D30-F6小涵道比涡轮风扇发动机，但显然无法兼顾低速低油耗与高速大推力状态。 D30-F6 因此一种变循环发动机的结构就出现了！最早的变循环发动机应该SR-71的Pratt & Whitney J58发动机，不过这种发动机并不是完全的变循环结构，而且很多朋友理解的能让其工作做冲压状态是一个错误的理解！ SR-71无论是造型还是速度都令大家大开眼界，它第一次试飞的时间是1964年12月22日（米格-25是1964年3月），最高速度为3.32马赫，比米格-25略高，但它造型就非常科幻了，几乎打破了当时对飞行器的想象！ SR-71使用的J58发动机是一种涡喷改进型，它的主要结构和涡喷基本没啥差别，可能很多朋友都看不出它到底有什么特殊结构！如下图： 看起来也完全没有能让发动机处在冲压模式的结构！但各位只要看一下如下装机图就明白了： 机翼上安装的发动机前方有一个尖锐的鼻锥结构，这是大家熟悉的冲压发动机的典型结构，因此很多朋友就误以为这个发动机可以工作在冲压模式下，但显然是错误的理解： 从鼻锥处进入的气流，可以绕过发动机直接混入发动机排出的高温尾气中，这个气流可以增加旁通比减少阻力，还可以冷却发动机产生高温的部件，当然更重要的是可以降低尾气温度减少红外特征，但它唯独没有的就是冲压发动机的功能。 那么其鼻锥到底是干什么用的呢？为什么要有一个尖尖的类似于冲压结构的设计？其实这就是带调节锥的超音速进气口，它的功能是调节超音速进气截面达到最高效率，另一个则是避免激波直接进入进气道，如下动图可以很直观的反映出这个鼻锥的功能： 马赫数从1.6开始到3.2时鼻锥的调节范围，可以清晰的看到气流在进气道内的流动路径以及在鼻锥出产生的激波，刚好在最高速时被进气道外壁挡在外面，要不然这激波能把发动机给搞死。

• J58的变循环结构到底“变”在哪里？

J58发动机即使在最高速状态下，这台涡喷发动机仍然是继续工作的，但它确实为变循环设计了一个非常特殊的结构！不知道各位有没有看到发动机外面的几根管子，它的作用是在第四级压缩机后将气流引出直接送到加力燃烧室！ 当速度达到2.5马赫时，由于进气压力已经接近排气压，再提高速度就会让发动机处在喘振状态，而且加力燃烧室没有足够的冷却空气会导致高温接近材料熔点，因此将第4级压缩机后20%的气流通过“六根外管”直接送到加力燃烧室。 这个气流解决了发动机的喘振以维持稳定工作状态，并且将加力燃烧室温度控制在工作温度范围，而且也增加了推力，将2.5极限速度增加到了3.2马赫，这种设计有些类似冲压发动机，但它的工作原理并非冲压发动机的压缩过程，另外这些气流是被送至加力燃烧室。 J58的变循环结构是当时工程条件下能解决的极限，而且3.3马赫的极速在当时很难被防空导弹拦截，因此SR-71出来后的一段时间内简直就入无人之境。

• YF120：变循环发动机太过先进而惨遭淘汰

YF120是美国的第二款变循环发动机，它的设计思想已经跳脱于J-58的“一级引流”模式，而是有多个处理方式，已经从J58的初级变循环进入变循环的“中级”模式。 它的工作原理比J58要复杂一些，其基本原理图如下： 笔者本来想找张清晰一点的图，结果翻遍网络只有这张才稍稍可以看一点！上图中有两个旁路结构，分别是二级旁路（低压）和主旁路（高压），它的工作原理如下：

• 涡扇状态：二级旁路（低压）活门关闭，主旁路（高压）开启，形成了两级低压一级高压的外涵道；
• 涡喷状态：二级旁路（低压）活门开启，主旁路（高压）关闭，形成了涡喷工作状态；

在涡喷状态时，“外涵”低流量低压比，这些经过两级低压扇的气流被引入外涵道主要起到冷却作用，而在涡扇工作状态下需要高压比高流量，也算是一个非常经典的变循环解决方案，在通用最新的变循环发动机中也部分呢采用了类似的结构，不过各位请注意，在YF120中仍然没有所谓的冲压状态！ 这是GE经典变循环，上半部为涡喷工况，下半部为涡扇工况 使用了YF120发动机的YF-23当年是和YF-22竞争的机型，其性能高于YF-22，仅仅在超机动性方面低于YF-22（装了二元矢量发动机），但最终YF-23落败，其原因是发动机过于先进，性能仍然不够稳定，最终诺斯罗普的YF-23落败于洛克希德的YF-22，诺斯罗普也与洛克希德合并成为诺斯洛普·格鲁曼公司（Northrop Grumman）！ 上：YF-23和下：YF-22 GE XA100变循环发动机：变循终极状态？ 从J58到YF120，变循环经历的经典的两个结构，到了GE的XA100变循环发动机，其原理上并没差多少，而且前面这些Variable Cycle Engine结构已经能实现了，显然GE XA100并不止于此，在它的宣传资料中有一个“自适应”的字样。 GE XA100的“自适应”结构中距GE官方称使用了“three-stream”的自适应结构，从公布的原理图来看要比YF-120的要更简单，走了更多弯路后又回到了变循环中最为稳妥的方案，似乎抛弃了很多变形魂环的优秀技术，但GE官方却未公布更详细的细节，也不排除公开的资料中混淆视听，目前很多技术细节仍然在猜测中。 弯道超车？对于变循环发动机：中国有更好的技术吗？ 从罗里吧嗦的上文我们可以了解到，变循环发动机并不能工作在冲压模式下，因此它的最高速度也不可能突破涡喷创下的最高纪录，但它更节省燃油，能续航更久以及更高速度的超音速巡航，显然这是六代战机最佳动力。 发动机是我国航空工业的短板，尽管这些年来已经在奋起直追，但数据积累与技术功底在短期内难以弥补也是事实，那么我国在发动机上是否也能像航母一样直接越过蒸汽弹射器进入最先进的电磁弹射领域呢？ 来给出这个答案之前，我们不妨先来看看7月4日的新闻： 2022年7月4日，西北工业大学航天学院空天组合动力团队牵头研制的“飞天一号”火箭冲压组合动力在西北某基地成功发射： 国际首次验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力，突破了热力喉道调节、超宽包线高效燃烧组织等关键技术，飞行试验圆满成功。 这台“火箭冲压组合循环发动机”可以在“火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃”这些模式之间平稳切换表示什么意义？ 一般冲压发动机的亚燃指的是4-5倍音速的模式下工作为亚燃冲压，而超燃冲压则工作在5-6倍音速以上，如果一台发动机能从火箭、亚燃冲压到超燃冲压平稳过度，那么它已经具备了玩高超音速的能力，它将有能力在6-10倍音速的区间角逐。 而且在新闻中有一个描述非常关键，它用的燃料不是液氢而是煤油！一旦它作为飞行器的动力是可以接受空中加油的。这种发动机一旦成熟，它将直接跨越超音速，直接进入高超音速领域，在这个“天下武功、唯快不破”的世界里，假如有一种战斗机能以高超音速的速度翱翔天际，估计暂时已经没有敌手了！ 其实并不止西工大的组合循环冲压发动机，2022年1月24日，清华大学航天学院的旋转爆震发动机也实验成功，这种发动机同样属于结构极为简单但技术却很难的发动机类型，更夸张的是它可以零速度启动，理论上还可以切换成火箭模式直接进入太空。 因此我们直接跨越变循环发动机，进入高超领域完全有可能！就像我们不会造活塞发动机，但未来将是电动车的世界，没有装备蒸汽弹射却直接上了电磁弹射，或者我们将直接进入高超领域，未来的空天飞机也似乎在向我们招手！