近期，美國洛克希德·馬丁公司宣布，將與韓國韓華集團(tuán)合作，共同推進(jìn)研發(fā)其“Vectis”無人僚機(jī)項(xiàng)目，韓華集團(tuán)將為該無人機(jī)提供HAF4500發(fā)動(dòng)機(jī)。

“Vectis”無人機(jī)概念圖

根據(jù)報(bào)道，“Vectis”項(xiàng)目初期的原型機(jī)使用FJ44-4A發(fā)動(dòng)機(jī)，推力3600磅。而預(yù)期在2028年完成研制的HAF4500發(fā)動(dòng)機(jī)，推力在4000至4500磅（約17.8至20千牛）級(jí)別，并提供100千瓦的電力輸出。

盡管韓華集團(tuán)尚未公布關(guān)于HAF4500發(fā)動(dòng)機(jī)的其他信息，包括基本結(jié)構(gòu)、部件級(jí)數(shù)等細(xì)節(jié)，但根據(jù)目前已公開的信息，基于韓國的工業(yè)基礎(chǔ)能力，我們可以對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)進(jìn)行一番推測(cè)。

從目前公開的目標(biāo)性能來看，HAF4500發(fā)動(dòng)機(jī)最突出的性能是相較于同推力級(jí)別的傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其發(fā)電能力要高出十余倍。

盡管隨著電子電氣技術(shù)的進(jìn)步，在實(shí)現(xiàn)相同算力等性能指標(biāo)的前提下，元器件和設(shè)備的單位功耗和發(fā)熱是在不斷下降的，但現(xiàn)實(shí)是，現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)對(duì)于算力和射頻功率的需求幾乎是無止境的，因此，盡管相比幾十年前，現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)的機(jī)載動(dòng)力和電源管理系統(tǒng)的供/配電功率一直在不斷提升，但從來沒有真正意義上“夠用”。尤其是機(jī)載激光系統(tǒng)等定向能武器，將來甚至可能成為重要的機(jī)載對(duì)空攻擊手段，對(duì)飛機(jī)平臺(tái)的供電能力提出了更高的需求。

FJ44發(fā)動(dòng)機(jī)，常被用于公務(wù)機(jī)。

以美國威廉姆斯國際公司生產(chǎn)的FJ44-4A發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，空中最大持續(xù)發(fā)電功率為8.4千瓦。核心機(jī)的高壓壓氣機(jī)軸在特定位置設(shè)置傘齒輪來驅(qū)動(dòng)塔軸，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械功率的90度垂直分流輸出。塔軸的末端會(huì)伸出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外，連接到附件齒輪箱并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在現(xiàn)役先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，發(fā)電機(jī)也通常兼有起動(dòng)機(jī)的作用。

但針對(duì)下一代發(fā)動(dòng)機(jī)的電力需求，F(xiàn)J-44A依然存在改進(jìn)潛力不足等問題。從更廣泛的意義上來說，這種外置化發(fā)電架構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)在電力需求上都難以滿足未來要求。

CFM56-7上，啟動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)高壓轉(zhuǎn)子軸的傘齒輪—塔軸。

也就是說，新一代飛機(jī)對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高供電要求，不僅遠(yuǎn)超傳統(tǒng)型號(hào)能從發(fā)動(dòng)機(jī)軸上提取的機(jī)械功率性能上限（同時(shí)還要不引發(fā)降轉(zhuǎn)喘振停車），而且也超過了傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)供電結(jié)構(gòu)布局實(shí)際工程設(shè)計(jì)所允許的極限。

因?yàn)榛凇皞泯X輪—塔軸”的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已無法在合理的尺寸重量限制下，實(shí)現(xiàn)垂直方向的巨大機(jī)械功率輸出。

從該角度來推測(cè)HAF4500的設(shè)計(jì)架構(gòu)，該發(fā)動(dòng)機(jī)大概率會(huì)直接將發(fā)電機(jī)整合到高壓轉(zhuǎn)子中，一方面使軸功率提取能力最大化，另一方面也能進(jìn)一步減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和尺寸，并簡(jiǎn)化附件結(jié)構(gòu)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和維護(hù)性。該方向也是業(yè)界公認(rèn)的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方向。

但同時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子區(qū)域整體溫度很高。以小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，當(dāng)飛機(jī)在以馬赫數(shù)0.8的速度巡航時(shí)，其高壓壓氣機(jī)的入口區(qū)域，溫度也能達(dá)到200攝氏度。因此，新的設(shè)計(jì)方向之下，最大的挑戰(zhàn)就來自如何保持并提升發(fā)電機(jī)在高溫環(huán)境下的作業(yè)能力——無論是電機(jī)本身的耐熱工作能力，還是如何冷卻集成在高壓軸上的電機(jī)，都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理設(shè)計(jì)構(gòu)成了很大挑戰(zhàn)，這也是高壓轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)工作付諸實(shí)用的最大障礙。

對(duì)于韓華集團(tuán)來說，這些挑戰(zhàn)也同樣存在，未來重點(diǎn)攻關(guān)工作至少將包括以下問題：如何將高壓轉(zhuǎn)子電機(jī)的熱量通過與滑油進(jìn)行熱交換等措施轉(zhuǎn)移給燃油？如何在將電機(jī)溫度降低到合理范圍的同時(shí)，利用廢棄熱量對(duì)燃油進(jìn)行預(yù)熱，強(qiáng)化燃燒效率？

F-124發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)非常具有代表性，已成為很多新型號(hào)研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)參考對(duì)象。

在攻克這些問題之后，HAF4500其他方面大概率會(huì)采用成熟的設(shè)計(jì)元素組合。

參考FJ44-4A的尺寸規(guī)格（長1.34米，直徑0.64米），HAF4500在不大于該機(jī)尺寸的情況下，其最可能采用的布局設(shè)計(jì)推測(cè)如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)整體采用雙轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，以滿足高低壓旋轉(zhuǎn)部件的不同轉(zhuǎn)速需求，為較高的燃油效率提供基礎(chǔ)保證。1至2級(jí)最末端的軸流式低壓渦輪，用于驅(qū)動(dòng)2—3級(jí)最前端的風(fēng)扇葉片，風(fēng)扇在為外涵道提供氣流驅(qū)動(dòng)作用的同時(shí)，也取代低壓壓氣機(jī)，對(duì)內(nèi)涵道實(shí)施主要的前級(jí)增壓。1級(jí)軸流式高壓渦輪，用于驅(qū)動(dòng)高壓壓氣機(jī)和整合式電機(jī)。其高壓壓氣機(jī)采用軸流/離心混合式結(jié)構(gòu)，前方的3—4級(jí)軸流葉片向前銜接風(fēng)扇，向后銜接1級(jí)離心葉片。

在旋轉(zhuǎn)部件級(jí)數(shù)的推測(cè)上，如果僅從推力指標(biāo)考慮，隨著氣動(dòng)力研究的深入與材料工藝的改善，HAF4500是有潛力僅依靠2級(jí)風(fēng)扇、3級(jí)高壓壓氣機(jī)軸流葉片，使發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)更為緊湊輕巧的。

但是100千瓦的發(fā)電要求，對(duì)高壓轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)施加了非常大的額外負(fù)載；這可能需要更大級(jí)數(shù)的高壓壓氣機(jī)葉片進(jìn)行分擔(dān)，才能確保級(jí)間負(fù)荷仍然處于合理范圍內(nèi)。在高壓轉(zhuǎn)子的負(fù)荷大幅度上升以后，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的低壓/高壓匹配銜接；也可能需要增大風(fēng)扇級(jí)數(shù)，通過3級(jí)風(fēng)扇和2級(jí)低壓渦輪分擔(dān)更大的負(fù)荷，并使壓力梯度變得更為合理。

軸流式葉片

離心式葉片以及與其匹配的折返式空氣流道

在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，中、大發(fā)和小發(fā)在設(shè)計(jì)方向上差異巨大。由于不同直徑級(jí)別葉片對(duì)轉(zhuǎn)速承受能力的差異，葉片所需機(jī)械間隙占整機(jī)比例大小的差異，以及空氣黏性/雷諾數(shù)的差異，單個(gè)小發(fā)旋轉(zhuǎn)部件在亞跨聲速區(qū)域的效率最優(yōu)設(shè)計(jì)，是“超高轉(zhuǎn)速+離心葉片”。

通常而言，在小發(fā)上單級(jí)高速離心葉片的效能，相當(dāng)于3—4級(jí)軸流葉片。考慮到離心葉片導(dǎo)致的氣流方向折返問題，以及HAF4500需要在馬赫數(shù)0.85以上的跨聲速區(qū)域仍保持良好的推力性能，對(duì)噴流速度要求較高；該發(fā)動(dòng)機(jī)最合理的折衷妥協(xié)，是只在高壓壓氣機(jī)末級(jí)設(shè)置離心葉片，氣流折返后進(jìn)入環(huán)形燃燒室，其余部分均為軸流結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)階段HAF4500沒有顯著的超聲速飛行需求，但對(duì)于發(fā)電功率要求極高，而且發(fā)動(dòng)機(jī)長度非常短；可以斷定該機(jī)的基本型沒有加力燃燒室，現(xiàn)有推力指標(biāo)是無加力推力。在僅采用1級(jí)離心葉片的前提下，如果該機(jī)未來衍生帶加力版本的改型，仍有達(dá)到馬赫數(shù)1.8—2.0的潛力。

但對(duì)于使用HAF4500發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)級(jí)別動(dòng)力的無人機(jī)，要實(shí)現(xiàn)超聲速飛行能力在技術(shù)上沒有阻礙，但其綜合性能提升與成本花費(fèi)形成的比例往往是缺乏吸引力的。未來不一定有實(shí)際需求催生加力版HAF4500。

F-22戰(zhàn)斗機(jī)的矢量噴口

目前尚不確定HAF4500是否具備矢量噴口設(shè)計(jì)。從Vectis目前追求通過成熟部件和設(shè)計(jì)快速完成研發(fā)演示，并將在未來通過持續(xù)迭代實(shí)現(xiàn)性能進(jìn)化的總體規(guī)劃看，基本型HAF4500未配備矢量噴口的概率比較大。

不過新一代無人機(jī)為了提升航程和隱身能力，大量使用飛翼類布局的無尾設(shè)計(jì)，俯仰控制能力普遍偏弱；矢量噴口帶來的控制能力強(qiáng)化，能有效提升無人機(jī)的起降和機(jī)動(dòng)性能。未來HAF4500出現(xiàn)矢量推力版本的可能性，應(yīng)該會(huì)高于加力燃燒版本。 （候知健）