主题：【原创】变！变！变！之2018的天空中一种叫王牌的力道上 -- TopGun
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ACE的汉译是王牌。王牌对于天空有特殊的意义：历史表明，空战中总是飞行员中的极少数、一些被称作王牌的杀手，击落绝大多数的飞机。到目前为止，中国的第一王牌，是在抗美援朝中击落七架敌机的赵宝桐：
美国航空业瞄准2018左右的天空，正在用一系列的、复杂的而又精密配合的计划，开发新一代的航空发动机。这个正在轰轰烈烈、交互支持地推进的庞大计划体系的核心之一，就是一个被称作ACE的技术。ACE在这里是Adaptive Cycle Engine的缩写，可以翻译为适应性循环发动机。
ACE适应性循环发动机技术是GE变循环发动机技术的进一步发展。GE变循环可以实现发动机在涡轮喷气模式和小涵道比涡轮风扇发动机模式之间的转换，而ACE适应性循环则进一步扩大了转换的范围——发动机不但可以用涡喷模式在高速工作，也可以用较大涵道比的涡扇模式在起飞、空中待机之类的低速下非常省油、非常高效率地工作。甚至有人认为，以ACE为核心的下一代发动机标志着航空发动机的又一次革命，就类似从涡轮喷气发动机到涡轮风扇发动机的革命。我在TopGun:【原创】认证拜票贴1：变！变！变！之变循环的YF120上中提到GE的变循环在航空发动机业有非常重要的地位，就是指这个ACE 适应性循环很可能是下一代发动机的核心技术。
下图是ACE技术的示意图：
图中左上方第一方块中的文字是：Fan-on-blade fan in outer bypass duct（外涵道叶片上风扇）；上方中间方块中的文字是：Variable stators modulare(?) outer bypass flow（外涵道可变距叶片模块）；上方右侧方块中的文字是：Outer bypass flow passes through struts to central nozzle（外涵道气流通过支撑柱进入中心喷口）；下方左侧文字：Bypass duct with shut-off valve（中涵道活门处于关闭状态）；下方中间文字：Core-driven fan stage in inner bypass duct（处于内涵道的高压转子风扇）；下方右侧文字：Variable area bypass injector (VABI)（可变截面旁路隐射器VABI）。
下面的另外一张图清晰地表示了ACE的结构：
图中表示一个2-1-5-1-2的三涵道总体布局。即两级低压转子风扇——单级高压转子风扇——五级高压压气机——单级高压涡轮——两级低压涡轮。
其中两级低压转子风扇的第二级风扇伸出了中涵道和内涵道而进入外涵道。
这个莫名其妙的三涵道结构如何使发动机超越YF120的变循环，实现从涡喷到较大涵道比涡扇的ACE适应性循环呢？且听下回分解、、、、、、
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以下是我的个人分析，仅供参考。
ACE在近似涡喷模式和较大涵道比涡扇模式间的转换，非常值得谈的，有两个关键、一个细节、和一个感慨。
第一个关键是低压转子风扇后的涵道活门（下图中下方最左边方块所示）可以改变发动机的涵道比。低速时活门开启，低压转子风扇把大部分气流排放到涵道中而不进入核心机；高速时活门关闭，则相当部分气流进入核心机。这与GE变循环在原理上一样，但技术的进步会使ACE的这一段有大得多的变化范围。这个大得多的变化范围主要通过两方面实现：一是为驱动这两级低压转子风扇使用了两级低压涡轮而不是GE变循环中的单级低压涡轮，并且针对低压涡轮有我在下一篇文章中会说到的热端创新；二是低压转子风扇及其前、后的可变距静子叶片虽技术进步而可以通过前面说的两级低压涡轮和热端创新而提供的巨大功率变化而在大范围改变压比。关于可变距风扇/压气机导向叶片，已经在五六十年代的J79发动机上大量使用，并在诸如F100、F119等许多发动机上使用，是非常成熟并在继续发展的技术。
第二个关键是第二级低压转子风扇的外端，所谓外涵道叶片上风扇（上图中上方最左侧方块所示）。这个创新性的外风扇在低速时，可以通过前述两级低压涡轮提供的巨大功率、在可变距静子叶片的协助下以高压比工作，增加发动机的涵道比；在高速时，因为低压涡轮提供功率减小，外涵道叶片上风扇在可变距静子叶片的协助下以低压比工作，提供类似现有发动机的外廓气流的作用。
一个细节是高压转子风扇的进口导向叶片。请大家注意下图中高压转子风扇前面部分：
上图中高压转子风扇前面有一条斜线，这条斜线与前面一条上端截止于内涵道内壁、下端截止于高低压转子外廓德的纵线，构成了高压转子风扇的导向叶片。这个 叶片被用一条曲线代表的核心发动机外壁分隔成了位于上面的内涵道部分和位于下面的压气机部分。其中内涵道部分在上述斜线和纵线之间还有一条纵线，这条中间纵线和斜线的内涵道部分，构成了这个导向叶片的可动后缘。这个可动后缘与位于高压转子风扇后面的静子叶片（极可能也是可变距的）一道，调节高压转子风扇的压比，使其既在低速时与低压转子风扇一起实现为较大涵道比涡扇作贡献，又在高速时使发动机在极小涵道比的近似涡喷方式工作。
基于这个细节，我有一个感慨 。本来还有一个非常简便的方法调节内涵道，就是在内涵道后面加调节内涵道活门。这与ACE本来就有的中涵道活门是一个原理，区别就是内涵道活门不会象中涵道活门那样在高速时全部关闭，而是开一个小口使发动机在极低涵道比下工作。ACE之所以不用这个简单的办法，应该是其开发者自信采用高压转子风扇前后的可调导向叶片足以产生同样的效果。因为这些导向叶片无法取消、无法被替代，所以取消了内涵道活门。这种不畏冒险的自信，已经使得GE输掉了YF120与YF119的竞争，却在ACE上依然如故，怎能不令我感慨！
下面一篇文章，我将介绍以ACE技术为核心的、瞄准2018左右天空的一些重要发动机创新。
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飞翔的将是飞碟啦。。。
想起了开式转子发动机，就那么一个开式转子，涡轮风扇叶片延伸到超出发动机外涵道一些长度，搞到现在还无法实用。
这个发动机的变循环，把人都看晕了，光是冷端部件就出现了这么多变化，三涵道结构，穿过两层涵道的风扇叶片，还有外涵道气流走中轴，再加上热端也搞这么复杂，双层喷口，内冷外热。狂汗。总觉得战斗机发动机走这个思路太玄乎了。好像越复杂，可变结构越多，部件越多的，可靠性稳定性越低啊。
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以下是我的个人分析，仅供参考。
一系列的技术创新正在围绕着ACE适应性循环而处于紧锣密鼓的开发之中。我仅就自己能理解的，谈一谈其中三个方面的创新。这些创新不一定都会实现，而且肯定在开发过程中会不断改进和完善，所以我下面谈的东西很可能与未来真正出现的下一代发动机会有不同。
第一个方面的创新是发动机热端在可调节涡轮上的创新。这个方面有两大关注点：可变距涡轮导向叶片和涡轮间燃烧器。
先说可变距涡轮导向叶片。如下图所示，ACE继续使用在F119和YF120上开发出来的互相反转的双转子结构，并理所当然地取消了高压涡轮和低压涡轮之间的导向器：
对于这种在较大涵道比和极小涵道比之间大幅度转换的发动机而言，既然没有高低压涡轮之间的导向器，就极可能需要使高压涡轮导向叶片成为可变距的可调节形式。考虑到高压涡轮导向叶片需要承受刚刚从燃烧室喷出的高温高压燃气，将其做成可变距是非常大的技术挑战。（燃烧室是上图中红色的部分。）
另一个关注点是涡轮间燃烧器。
低压涡轮在较大涵道比状态需要通过燃气转换出巨大的功率带动低压转子风扇，从而为风扇气流做功；而在极小涵道比模式则需要仅仅从燃气中转换少量功率，从而使绝大多数燃气成为高能的喷气作为主要的飞行动力。如何实现如此巨大的功率变化呢？下图左下角的涡轮间燃烧技术（Inter-Turbine Burner）提供了一个办法：
图中的涡轮间导向叶器分别在叶片本身和基座开了沟槽。其中基座上的是富燃的环形涡状槽（Swirled Circumferential Cavity(Rich Burn)），叶片上是快速熄火的径向槽（Radial Cavity(Quick Quench)）。这个非常新颖的涡轮间燃烧器，当工作时，可以为低压涡轮提供巨大的功率，保证了发动机在较大涵道比工作；当不工作时，低压涡轮仅仅通过主燃烧室喷出的燃气以低功率运转，使得发动机在极小涵道比工作。
这个涡轮间燃烧器的具体位置在哪里呢？应该在下图所示的两级低压涡轮之间：
第二个方面的创新是更加简单、更加隐身的进气和排气系统。可以在宽广范围内调节的风扇和压气机所提供了一个额外的好处：发动机对进气的要求降低，可以适应变化范围很大的进气。这使得进气道可以更加简单。而可变距涡轮导向叶片甚至涡轮间燃烧器，又使发动机的排气不再需要复杂的可调节喷口。这些优点也为动力系统实现高度隐身创造了条件。下图是一种全方位隐身的动力系统示意图：
图中进气道屏蔽了发动机前面的叶片、喷管屏蔽了发动机后部的涡轮之类的装置。另外，进气道除了给发动机供气，还为发动机及其附件的散热以及发动机排气的降温提供空气。这些都是有效的雷达和红外隐身措施。
下图右下角所示的进气／排气整合（Inlet/Exhaust Integration）表示出了如何把进气道的部分气流用来冷却发动机排气的方法。
第三个方面的创新是发电系统的创新。下一代飞机需要非常大的电能，一是因为下一代武器中有微波武器甚至激光武器；二是因为飞机会采用电操纵方式。上面图中的左上角指出了下一代发动机的附件整合（Subsystem Integration），其中提到了两种新技术：内部起动／发电机（Internal Starter/Generator）和磁性轴承（Magnetic Bearings）。
我对这方面所知甚少，但是鉴于下一代飞机会非常依赖电能以使用诸如微波、激光等新式武器，我特别列出这一点以作强调。
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开式涵道是亚音速发动机，优点是省油，难点和关键是如何降低噪音。这种发动机在八十年代油价高时出现过，后来因油价降低而终止发展，现在又重新开发了：
关于ACE的复杂性问题，其实主要复杂在非转动的部件上。这些可调节的非转动部件导致了转动部件的减少。比如YF120的压气机级数就少于F119。这种对转动部件的简化对提高可靠性是非常关键的。另外，这些可调的非旋转部件又使进气道和喷口得以简化，我在这三篇文章的最后一篇中谈到了这个优点。
这个发动机的创新好多啊，如果这些技术发展成熟的话，即使将来不用在ACE适应性循环发动机上面，对于改进现有发动机也是大有帮助的。不过，这么多新技术集成在一个发动机上面，最终效果如何就要看实践啦.从历史上看，这样新的构想从提出到完全成熟可靠，好像要接近20年吧，2018年成功也可以接受了。感觉还是很棒的，要是搞成了，美帝又要让中国望尘莫及了。
另外，还有“运气”的成份。如果苏联没有突然崩溃，当初YF120与YF119的竞争很可能就是性能更好、技术更先进的YF120获胜——美军会认为虽然YF120技术风险大一些、研制费用高一些，但为了获得与苏联对抗的优势是必要的。但既然苏联突然没有了，诸如当时的中国之类的潜在对手又在航空技术上很弱，就没有必要冒这个风险了。
关于现在的情况，我觉得如果中国的航空技术发展得快，美国在开发新一代航空技术上就比较勇于冒险；如果反之，美国就会偏保守一些。
猫猫党们常常痛心疾首地说，假如苏联还在，伟大的雄猫f14不但不会退休，还会改进到脱胎换骨的地步，说不定还会进入中国海军，可惜现在全都不可能了。
我常常觉得有趣的是，苏联和美国的冷战导致了多少划时代的奇思妙想，又导致美国出了多少次“心急吃不了热豆腐”的笑话。当年美国匆匆忙忙地把女武神送上天空，结果如同一梦，还有80年代让f15当机库皇后的发动机。。。。。。好多高科技武器装备计划，有的最后皆大欢喜，技术成熟大功告成，有的则是竹篮打水一场空，最后在仓库和博物馆终老。美国历史上似乎并不是每件科幻武器，最后都能功德圆满的。所以看看美国的这些超级高科技项目的结局如何，倒是一件饶有兴味的事情。
低压风扇、高压风扇、高压压气机（怎么没有低压压气机？是并入高压风扇了？）的转速关系都是怎么样的？是高压涡轮驱动高压压气机，低压涡轮驱动高低压风扇，高低压风扇是同一转速？
图中的前面两级是由低压涡轮驱动的风扇/低压压气机组件。这两级叶片在可变距静子叶片和涵道活门的配合下工作。
图中的第三级非常有特点：它由高压涡轮驱动，属于高压压气机的第一级。但是这个高压压气机第一级在小涵道比状态时基本上是纯压气机（风扇部分在可变距的前后静子叶片配合下做功非常小）、在较大涵道比状态是却是风扇兼压气机。
这种由高压压气机在一定状态中兼任风扇的设计应该属于GE在技术上的一个非常大胆的尝试。一旦成功，则可以使发动机在广阔的速度和高度范围内以非常高的效率工作。