美國新型無人僚機或使用韓華發動機，優勢在哪里？

近期，美國洛克希德·馬丁公司宣布，將與韓國韓華集團合作，共同推進研發其“Vectis”無人僚機項目，韓華集團將為該無人機提供HAF4500發動機。

“Vectis”無人機概念圖

根據報道，“Vectis”項目初期的原型機使用FJ44-4A發動機，推力3600磅。而預期在2028年完成研制的HAF4500發動機，推力在4000至4500磅（約17.8至20千牛）級別，并提供100千瓦的電力輸出。

盡管韓華集團尚未公布關于HAF4500發動機的其他信息，包括基本結構、部件級數等細節，但根據目前已公開的信息，基于韓國的工業基礎能力，我們可以對該發動機的結構等細節進行一番推測。

從目前公開的目標性能來看，HAF4500發動機最突出的性能是相較于同推力級別的傳統渦扇發動機，其發電能力要高出十余倍。

盡管隨著電子電氣技術的進步，在實現相同算力等性能指標的前提下，元器件和設備的單位功耗和發熱是在不斷下降的，但現實是，現代戰術飛機對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，現代戰機的機載動力和電源管理系統的供/配電功率一直在不斷提升，但從來沒有真正意義上“夠用”。尤其是機載激光系統等定向能武器，將來甚至可能成為重要的機載對空攻擊手段，對飛機平臺的供電能力提出了更高的需求。

FJ44發動機，常被用于公務機。

以美國威廉姆斯國際公司生產的FJ44-4A發動機為例，該發動機采用了傳統設計，空中最大持續發電功率為8.4千瓦。核心機的高壓壓氣機軸在特定位置設置傘齒輪來驅動塔軸，能實現機械功率的90度垂直分流輸出。塔軸的末端會伸出發動機機匣外，連接到附件齒輪箱并驅動發電機發電。在現役先進渦扇發動機中，發電機也通常兼有起動機的作用。

但針對下一代發動機的電力需求，FJ-44A依然存在改進潛力不足等問題。從更廣泛的意義上來說，這種外置化發電架構的發動機在電力需求上都難以滿足未來要求。

CFM56-7上，啟動電機用于驅動高壓轉子軸的傘齒輪—塔軸。

也就是說，新一代飛機對渦扇發動機的高供電要求，不僅遠超傳統型號能從發動機軸上提取的機械功率性能上限（同時還要不引發降轉喘振停車），而且也超過了傳統渦扇發動機供電結構布局實際工程設計所允許的極限。

因為基于“傘齒輪—塔軸”的轉向傳動機構已無法在合理的尺寸重量限制下，實現垂直方向的巨大機械功率輸出。

從該角度來推測HAF4500的設計架構，該發動機大概率會直接將發電機整合到高壓轉子中，一方面使軸功率提取能力最大化，另一方面也能進一步減輕發動機的重量和尺寸，并簡化附件結構，提升發動機的可靠性和維護性。該方向也是業界公認的新一代發動機設計方向。

但同時，高壓轉子區域整體溫度很高。以小型渦扇發動機為例，當飛機在以馬赫數0.8的速度巡航時，其高壓壓氣機的入口區域，溫度也能達到200攝氏度。因此，新的設計方向之下，最大的挑戰就來自如何保持并提升發電機在高溫環境下的作業能力——無論是電機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，都對發動機的熱管理設計構成了很大挑戰，這也是高壓轉子發電機設計工作付諸實用的最大障礙。

對于韓華集團來說，這些挑戰也同樣存在，未來重點攻關工作至少將包括以下問題：如何將高壓轉子電機的熱量通過與滑油進行熱交換等措施轉移給燃油？如何在將電機溫度降低到合理范圍的同時，利用廢棄熱量對燃油進行預熱，強化燃燒效率？

F-124發動機的結構非常具有代表性，已成為很多新型號研發設計時的重點參考對象。

在攻克這些問題之后，HAF4500其他方面大概率會采用成熟的設計元素組合。

參考FJ44-4A的尺寸規格（長1.34米，直徑0.64米），HAF4500在不大于該機尺寸的情況下，其最可能采用的布局設計推測如下：

發動機整體采用雙轉子設計，以滿足高低壓旋轉部件的不同轉速需求，為較高的燃油效率提供基礎保證。1至2級最末端的軸流式低壓渦輪，用于驅動2—3級最前端的風扇葉片，風扇在為外涵道提供氣流驅動作用的同時，也取代低壓壓氣機，對內涵道實施主要的前級增壓。1級軸流式高壓渦輪，用于驅動高壓壓氣機和整合式電機。其高壓壓氣機采用軸流/離心混合式結構，前方的3—4級軸流葉片向前銜接風扇，向后銜接1級離心葉片。

在旋轉部件級數的推測上，如果僅從推力指標考慮，隨著氣動力研究的深入與材料工藝的改善，HAF4500是有潛力僅依靠2級風扇、3級高壓壓氣機軸流葉片，使發動機整體結構更為緊湊輕巧的。

但是100千瓦的發電要求，對高壓轉子軸的旋轉施加了非常大的額外負載；這可能需要更大級數的高壓壓氣機葉片進行分擔，才能確保級間負荷仍然處于合理范圍內。在高壓轉子的負荷大幅度上升以后，為了實現穩定可靠的低壓/高壓匹配銜接；也可能需要增大風扇級數，通過3級風扇和2級低壓渦輪分擔更大的負荷，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

在渦扇發動機中，中、大發和小發在設計方向上差異巨大。由于不同直徑級別葉片對轉速承受能力的差異，葉片所需機械間隙占整機比例大小的差異，以及空氣黏性/雷諾數的差異，單個小發旋轉部件在亞跨聲速區域的效率最優設計，是“超高轉速+離心葉片”。

通常而言，在小發上單級高速離心葉片的效能，相當于3—4級軸流葉片。考慮到離心葉片導致的氣流方向折返問題，以及HAF4500需要在馬赫數0.85以上的跨聲速區域仍保持良好的推力性能，對噴流速度要求較高；該發動機最合理的折衷妥協，是只在高壓壓氣機末級設置離心葉片，氣流折返后進入環形燃燒室，其余部分均為軸流結構。

現階段HAF4500沒有顯著的超聲速飛行需求，但對于發電功率要求極高，而且發動機長度非常短；可以斷定該機的基本型沒有加力燃燒室，現有推力指標是無加力推力。在僅采用1級離心葉片的前提下，如果該機未來衍生帶加力版本的改型，仍有達到馬赫數1.8—2.0的潛力。

但對于使用HAF4500發動機這個級別動力的無人機，要實現超聲速飛行能力在技術上沒有阻礙，但其綜合性能提升與成本花費形成的比例往往是缺乏吸引力的。未來不一定有實際需求催生加力版HAF4500。

F-22戰斗機的矢量噴口

目前尚不確定HAF4500是否具備矢量噴口設計。從Vectis目前追求通過成熟部件和設計快速完成研發演示，并將在未來通過持續迭代實現性能進化的總體規劃看，基本型HAF4500未配備矢量噴口的概率比較大。

不過新一代無人機為了提升航程和隱身能力，大量使用飛翼類布局的無尾設計，俯仰控制能力普遍偏弱；矢量噴口帶來的控制能力強化，能有效提升無人機的起降和機動性能。未來HAF4500出現矢量推力版本的可能性，應該會高于加力燃燒版本。 （候知健）