变循环发动机的空中魔术（上）：“黑鸟”装了它从未被击落

【编者按】

据中航黎阳公司消息，7月1日上午我国WS-13E中推涡扇发动机试飞成功，标志着该型发动机研制取得了阶段性突破，也为更多先进战机的生产与研发提供了前提条件。不过在大洋彼岸，美国早已开始研制更先进的变循环发动机，我国发动机事业依然道阻且长。那么，什么是变循环发动机呢？

核心提示：变循环发动机指将不同原理的发动装置，通过改变几何形状的方式，创造性地组合起来，以达到不同工况条件下的最优组合，能够极大地提升飞行器的飞行性能。本文介绍了美国自冷战以来开发的三种变循环发动机，希望能带给读者启迪。其中，J-58发动机是涡喷和冲压发动机的组合，F-120是涡喷和涡扇发动机的组合，F-136则实现了以不使用活门的方式达到变化热循环的目标。

J-58发动机

上世纪六十年代，美国空军为了深入苏联腹地，侦察苏联境内战略导弹发射井、雷达站和核潜艇基地，向洛马公司签署了研制三倍音速长程高空战略侦察机（即SR-71“黑鸟”战略侦察机）的合同，并且要求考虑到飞机的低可探测性（隐身需求）。

在当时的技术条件下，达到上述要求的任一一种并不难，但是倘若将这所有的要求组合起来，就会是一个巨大的挑战。比如，三倍音速需要在短时间内消耗大量的燃料，而这与长程的需求是矛盾的；为了搭载更多燃油，就需要飞机有更大的体积，而更大的体积必须由更强劲的发动机带动，也就需要耗更多油，这是一个“水多加面，面多加水”的死循环。

所以，为了达成设计目标，这就要求飞机携带大量油料，并配备超大功率，且同时尽可能省油的发动机。本着这些要求，洛马“臭鼬”工厂把发动机的研制合同，交给了航空动力巨头“普拉特·惠特尼”(PW)公司。

在当时，如果想要以三马赫以上的速度持续飞行只能使用冲压发动机，不过冲压发动机的油耗较高，寿命较短，非常不经济，并且拥有启动的最低速度限制（如果速度过低，空气进气量会过少）。涡喷发动机无法持续在三马赫条件下工作，但是油耗较冲压发动机相对低，寿命较长，而且可以让飞机达到满足冲压发动机启动的最低速度条件。

普惠公司为了解决这个矛盾，创造性地将这两种发动机结合起来，造就了世界上第一款变循环发动机。

普惠公司的工程师在每台发动机的第四级压气机上设计了三根大的“涡轮旁路通道”，在活门的作用下使得发动机能够在两个模式之间相互切换。

当“黑鸟”在低速飞行时，活门关闭，所有气流以涡喷发动机模式工作。当飞机以高于三倍音速飞行时，活门打开，一部分气流直接通向加力燃烧室，一部分气流经过压气机压缩后进入加力燃烧室，在加力燃烧室中进行冲压发动。这样，普惠公司就完美解决了不同飞行速度下的动力问题，也能满足美国空军提出的诸多条件，更避免了发动机涡轮在超高温下易损耗的隐患，并且提供了十分强劲的动力（每一台J58发动机更是能够产生145千牛的推力）。搭载了J58发动机的“黑鸟”侦察机由于飞得又快又高，创造了在实战中从未被击落的战绩。

当然，苏联为了避免境内战略目标信息继续泄漏，千方百计想击落美国的“黑鸟”侦察机，于是命令米高扬设计局研发了跨时代的米格-25（其改进版为米格-31）高空高速截击机，之后美国研制的F-15战斗机也在一定程度上也借鉴了米格-25的气动布局，它的速度也足以承担起侦察任务。米格25/31有着更传奇的故事，不过这是后话了。