未来6代机现在发展有点模糊，但变循环发动机将是标配，喷气式发动机的基本工作原理是通过燃烧室制造高温高压的燃气，这些燃气从发动机尾部高速喷出，产生向前的推力。具体来说，变循环发动机可以通过调节增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比等参数来实现不同的工作模式，如涡喷、涡扇或冲压模式。这种发动机能够在亚音速巡航时保持低油耗，在超音速巡航时提供高推力，从而兼顾了燃油经济性和性能要求

但这个并不是什么新东西，在60年代服役的SR71就使用了普惠J58发动机变循环发动机做到了3倍音速巡航，YF23装备了通用的YF-120实现了1.8倍的超巡。

本文做一个详细介绍：

01

普惠J58发动机变循环发动机

历史背景：

SR-71“黑鸟”侦察机使用的是普惠J58发动机，这是一种独特的变循环涡轮冲压发动机。这种发动机融合了涡轮喷气发动机和冲压喷气发动机的特点，使其能够在不同的飞行阶段提供高效的推力。

在低速飞行时，J58发动机主要以涡轮喷气模式工作，此时发动机的进气道设计允许空气进入并经过压缩、燃烧和排出的过程，从而提供推力。当SR-71达到高速飞行时，例如接近或超过三马赫时，J58发动机会转变为冲压模式。此时，大部分气流绕过涡轮机，进入加力燃烧室，与额外注入的燃料混合并点燃，从而提供更高的推力。

这种变循环设计使得J58发动机能够在高速飞行中保持高效工作，同时在低速起飞和降落时也能正常运行。这种发动机的最大推力可达151千牛（34000磅），总压力比为7.5。此外，J58发动机还采用了后燃器技术，通过向喷气流中注入额外的燃料来增加推力，从而提供更高的速度和爬升能力。SR-71“黑鸟”的J58发动机是其高速飞行能力的关键，它通过变循环设计和后燃器技术实现了在不同飞行条件下的高效推力输出。

普惠J58发动机的具体工作原理与工作过程

普惠J58发动机最初是为美国海军设计的，目的是作为高性能动力装置，用于执行超过马赫3.0和80,000英尺高度的高速/高空任务。这种发动机的研发始于20世纪50年代末期，并在1963年1月首次用于A-12飞机的飞行测试。J58发动机后来被选为SR-71“黑鸟”战略侦察机的动力来源，这架飞机于1966年首次向公众亮相，

该发动机是一种变循环涡轮冲压发动机，其工作原理和结构复杂且独特。它主要由单转子涡轮喷气发动机组成，包含9级压气机和2级涡轮。这种发动机能够在涡喷模式和冲压模式之间切换，以适应不同的飞行速度和环境条件。

涡喷模式：

当SR-71“黑鸟”侦察机的飞行速度低于音速时，J58发动机工作在涡喷模式。此时，发动机的变循环管道关闭，整个系统类似于一个普通的带加力燃烧室的涡喷发动机。具体过程如下：

吸气：空气被吸入发动机。

压缩：空气通过多级压气机逐步压缩。

燃烧：压缩后的空气与燃料混合，在燃烧室内燃烧产生高温高压气体。

推动涡轮：高温高压气体推动涡轮旋转。

二次燃烧：在加力燃烧室中，部分气体再次与燃料混合燃烧，进一步提高推力。

喷气：最终，高速气体从喷口喷出，产生推力。

冲压模式：

当SR-71的飞行速度超过2.3倍音速时，J58发动机切换到冲压模式。此时，发动机的变循环管道打开，让气流越过后面的压气机和燃烧室涡轮，直接进入加力燃烧室。具体过程如下：

吸气：空气通过进气道进入发动机。

激波锥调节：进气口前端的激波锥根据飞行速度调节，以适应不同速度下的进气需求。

压缩：高速气流通过第四级压气机后的6根粗管道，越过后面的5级压气机和燃烧室涡轮。

燃烧：压缩后的空气在加力燃烧室中与燃料混合燃烧。

喷气：高温高压气体从喷口喷出，产生推力。

变循环过程：

J58发动机能够在涡喷和冲压模式之间转换，这个过程大约耗时40分钟。这种转换是通过调节变循环管道的开闭来实现的。在低速飞行时，管道关闭，发动机工作在涡喷模式；在高速飞行时，管道打开，发动机切换到冲压模式。这种灵活的转换使得J58发动机能够在不同飞行阶段提供高效的推力。

技术挑战

热障问题：要使飞机达到3马赫的速度，仅仅依靠更强推力的发动机是不够的，真正的技术挑战在于如何克服“热障”带来的限制。在高速飞行时，发动机进气道和燃烧室会面临极端高温的问题，这对材料和设计提出了极大的要求。

空气动力学设计：J58发动机是一种涡轮冲压发动机，其设计需要解决空气进入发动机时的复杂问题。SR-71的圆形进气口包含一个带有圆锥形尖端的中心体，这种设计有助于在高速飞行时稳定空气流动。

二次燃烧技术：J58发动机采用了高旁路压缩比二次燃烧技术，这是此前两项命运多舛的研发项目的最终成果。这种技术使得发动机能够在高马赫数下高效工作。

普惠J58发动机在高速飞行中通过采用变循环发动机设计技术实现了高效的空气动力学设计。这种发动机能够在不同的飞行条件下自动调整其工作模式，从纯涡轮喷气模式过渡到涡喷冲压组合模式，以适应不同的速度和高度需求。在低速飞行时，J58发动机主要作为涡轮喷气发动机使用，通过前部涡轮对空气进行增压供燃烧，而在超音速飞行时，它则切换到冲压发动机模式，利用外部空气进行燃烧，从而提高效率。

J58发动机还采用了特殊的进气道和尾喷口设计，这些设计有助于在高速飞行中优化空气流动，减少阻力并提高推力效率。这种变循环的设计使得J58能够在SR-71飞机上实现从马赫数0到3.2的宽速域工作能力，并且能够在0到25公里的高度范围内稳定运行。

普惠J58发动机的后燃器技术，也称为加力燃烧室，是一种用于提升喷射引擎推力的附加装置，主要应用于军用飞机中。其工作原理是在引擎喷出的高温气流中注射燃料，由于气流温度很高，燃料能够即时燃烧并膨胀，从而产生额外的推力。

普惠J58发动机是为SR-71“黑鸟”高空高速战略侦察机设计的，这种发动机采用了压气机旁路放气系统，能够在地面点达到总增压比8.8，涡轮前温度高达1366K。这种发动机能够在持续使用后燃器的情况下提供高达32,500磅（约144.57千牛顿）的单台推力。

后燃器技术对飞机性能的具体影响显著。首先，它显著提升了飞机的速度和航程，使得SR-71“黑鸟”能够达到极高的飞行速度和长时间的续航能力。然而，这种技术也有其缺点，例如效率不高且耗油量巨大。由于后燃器利用的是经过燃烧室燃烧后的废气，这些气体的含氧量已经降低，导致加力燃烧室的效率较低。因此，大部分飞机所携带的燃料只够后燃器使用数分钟。

SR-71喷气发动机在三马赫巡航时的效率非常高，这主要得益于其使用的J58涡喷冲压变循环发动机。这种发动机能够根据飞行速度的变化，切换工作模式，从而在亚音速和超音速下都能高效运行。在三马赫的巡航速度下，J58发动机的工作效率达到最高，此时鼻锥会向后收缩66厘米以优化空气流动

02

通用YF-120变循环发动机

YF-23战斗机使用的喷气式发动机是通用电气的YF-120发动机。这种发动机在1991年的评估中被认为比普惠的YF-119发动机表现更好，使得YF-23具有更好的超音速巡航性能和隐身能力。然而，YF-23最终没有被美国空军采用，原因之一是其采用了变循环发动机，这种发动机目前仍处于研究阶段，存在一些技术问题和不稳定性。因此，F-23战斗机的喷气式发动机YF-120虽然在某些性能指标上优于YF-119，但由于技术上的不稳定性和复杂性，最终未能成为美国空军的主力战机。

YF-120发动机采用了变循环技术，这种技术能够在低速时以涡轮风扇发动机方式工作，在高速时以近似涡轮喷气发动机的方式工作。这种设计虽然提高了发动机的灵活性和效率，但也带来了系统适应性问题。例如，变涵道比的设计需要精确控制内外涵道的空气流量，以确保发动机在不同飞行阶段的性能。

该机采用了双转子方案，采用同轴反转技术，两级低压压气机，高/低压涡轮均只有一级，并且使用了三余度数字式发动机控制组件。这种复杂的结构虽然提高了发动机的推力和燃油效率，但也增加了系统的复杂性和维护难度。

在原型机研制时，利用三维流设计克服了加力燃烧室大量采用径向稳定器易导致振荡燃烧的问题。然而，尽管进行了优化，这种设计仍然可能在某些飞行条件下出现不稳定现象。

YF-120变循环发动机具有显著的优势解决战机在大航程和高速度之间的矛盾，提升战斗机的战斗力。可以在同样燃油携带的基础上大幅增加航程，或者在保证航程的同时减少燃油携带，增加武器弹药的携带量，从而提高打击能力还具备在较宽的飞行包线内保持良好性能的能力，这对于第五代战斗机等新型战斗机来说尤为重要

YF-120采用了先进的变循环技术，使其在超音速下运行时表现出传统涡轮喷气发动机和节油涡轮喷气发动机的双重特性，这种技术使得YF-120在高低速状态下都能保持高性能。相比之下，YF-119的设计较为保守，采用了更少的组件和更耐用的设计，一般认为YF-120在推力和油耗等关键性能上优于YF-119。YF-120能够产生更大的推力并获得更低的油耗，这对于起飞和巡航非常重要。

风险与可靠性：

尽管YF-120在技术上更为先进，但其技术过于超前，存在较大的风险。相比之下，YF-119的设计更为简单，风险较低，且成本也较低。在实际测试中，YF-119表现出色，没有出现失速或空中停车的情况，并且在65次飞行和153小时的测试中表现稳定。YF-120虽然在技术上具有优势，但在实际应用中可能面临更多的挑战和不确定性。

YF-120在技术上更为先进，但YF-119最终被选为ATF（先进战斗机技术）项目的发动机，而YF-120则没有被选中。美国空军最终没有选择YF-23战斗机的原因是多方面的，主要包括技术、成本和操作性等因素。YF-23的设计理念过于超前，导致其在实际应用中存在一些问题。例如，它的V型尾翼虽然有助于降低雷达截面积，但同时也使得飞行员在飞行时感到不适应，这影响了其机动性和操作性。相比之下，F-22的设计则更加平衡，飞行员更容易接受。YF-23的成本过高。诺思罗普公司在尖端项目上主张极度科幻超前的方案，这导致了YF-23的开发成本非常高昂。相比之下，F-22的成本更加可控，更适合美国空军的预算。

YF-23在某些性能参数上虽然优于F-22，但这些优势并未能弥补其在其他方面的不足。例如，YF-23虽然具有较高的飞行速度和隐身性能，但在高机动性能方面却不如F-22。而且，YF-23的供氧系统在测试时并未发现明显问题，但在服役后才暴露出来，这也增加了其不确定性。YF-23的维护需求较高。相比之下，F-22的设计更加实用，能够更好地满足美国空军的需求。

03

未来变循环发动机技术进步

自适应循环：这是目前变循环发动机技术发展的前沿方向和主要趋势。自适应循环发动机通过实时调节空气流量和涵道比来平衡涡喷/涡扇/冲压发动机的优点，具有更强的循环调节能力和任务适应性，这种技术可以通过在现有发动机基础上增加自适应变循环功能部件或重新设计低压部件和核心机来实现；