彈用燃氣渦輪發動機或稱彈用燃氣輪機，是用於現代巡航飛彈的一種發動機。
基本介紹
- 中文名：彈用燃氣渦輪發動機
- 外文名：Fuel gas turbine engine for projectile use
- 領域：航空航天工程
- 別稱：彈用燃氣輪機
簡介,發展概述,彈用燃氣渦輪發動機設計要求,彈用燃氣渦輪發動機的主要設計原則,彈用燃氣渦輪發動機製造工藝,彈用燃氣渦輪發動機結構實例,關鍵設計技術及發展趨勢,
簡介
彈用燃氣渦輪發動機或稱彈用燃氣輪機，是用於現代巡航飛彈的一種發動機。
現代巡航飛彈是以彈用渦噴(風扇)發動機為動力，因而研製彈用燃氣渦輪發動機是發展遠程巡航飛彈的四項關鍵技術之一，小型高精度的制導系統和小型高效的渦輪噴氣發動機是巡航飛彈技術的兩個基礎。所以彈用燃氣渦輪發動機在巡航飛彈的研製與發展中占有十分重要的地位，已經形成燃氣渦輪發動機的一個廣闊的套用領域。
發展概述
早期巡航飛彈的外形尺寸很大，一般從陸基發射，如美國的天獅星I和前蘇聯的C-5戰略巡航飛彈，它們的體積和飛行方式與一架戰鬥機相似。因此可以用成熟航空渦噴發動機略加改裝即可作為其巡航動力裝置。由於航空渦噴發動機結構複雜、製造成本高、體積和重量大，使用維護不便等缺點，在20世紀60年代中期曾被火箭發動機擠出了巡航飛彈的套用領域。
隨著巡航飛彈技術的不斷發展，飛彈射程越來越大。液體火箭和固體火箭發動機比沖小的問題日益明顯，它們的最佳航程僅為50 km左右。而渦噴、渦扇發動機能夠在亞聲速條件下使飛彈的航程達到100~2000km，因此，20世紀70年代以後，燃氣渦輪發動機又重新回到了巡航飛彈的套用領域。其中，彈用渦扇發動機與渦噴發動機相比，耗油率低、紅外輻射弱，更適合作為大射程巡航飛彈的動力裝置，但是發動機結構複雜，成本相對較高；彈用渦噴發動機結構簡單，製造成本低，使用方便，缺點是發動機耗油率大，飛彈射程比渦扇發動機短，適用作為近程巡航飛彈的動力裝置。
彈用燃氣渦輪發動機設計要求
美國空軍20世紀70年代開展AGM一86A SCAD研究計畫時，根據飛彈情況對彈用渦扇發動機提出了十分明確的設計要求，這些設計要求與航空渦輪噴氣發動機有明顯的差別，主要包括：
(l)發動機的體積和質量限制。隨著技術的發展，巡航飛彈從陸基走向各種作戰平台，如飛機、艦艇、潛艇和戰車，飛彈的外形和體積日益小型化，並要考慮各平台之間的通用性。因此，彈用燃氣渦輪發動機的體積和質量必須滿足飛彈的要。
(2)成本設計要求。飛彈是消耗性武器，製造成本是影響飛彈套用的重要因素。彈用渦噴發動機的成本通常是飛彈成本的1/3，發動機的成本對飛彈影響至關重要。發動機成本控制是一項綜合性技術，它涉及飛行器的任務剖面分析、發動機設計技術要求、製造工藝技術和試驗技術等.將在後面討論。
(3)推力與低耗油率的要求。與航空發動機相比，彈用燃氣渦輪發動機要求小推力，現代巡航飛彈體積小，飛行阻力小，因此所需發動機推力不大。在保證推力的前提下，耗油率儘可能小，耗油率與飛彈的射程密切相關。
(4)彈用燃氣渦輪發動機的起動包線和工作包線。起動包線是發動機能夠可靠點火起動的空域範圍、彈用燃氣渦輪發動機設計中要考慮地面(海面)和空中發射。發動機點火起動範圍：高度為0~8000m，速度Ma=0.5~0.9。工作包線是發動機巡航飛行的空域範圍，高度為0~12000m，Ma=0.5~0.9。
(5)發動機引氣要求。由於飛彈燃油系統的需要，要從壓氣機出口引出增壓空氣，通常引氣量不大於發動機空氣流量的0.5%。發動機能夠滿足飛彈引氣量的要求。
(6)功率輸出。大射程巡航飛彈要求發動機能夠提供電源輸出。由於航程大，彈上的各用電設備使用電池很不經濟，甚至不可能。一般情況下，需用發動機帶動一個3~4 kw的發電機。
(7)儲存時間。彈用燃氣渦輪發動機要能長期儲存。一般可達10~15年以上，要保證隨即使用時的完好性和可用性。
(8)工作壽命。彈用燃氣渦輪發動機的工作壽命隨飛彈的任務剖面變化而變化。
彈用燃氣渦輪發動機的主要設計原則
(1)立足於成熟技術。航空然氣渦輪發動機的研製是一項複雜工程、研製成本高，周期長，技術風險大。所以動力裝置立足於成熟技術改型用於巡航飛彈，是縮短飛彈研製周期，降低研製成本，提高研製成功率的重要保障。
(2)一次使用、長期儲存。彈用渦噴發動機為短工作壽命型。發動機工作壽命的設計包括飛彈動力航程的飛行時間、發動機出廠的調試與驗收試驗時間、儲存階段的維護和使用前的檢測運轉時間。
(3)快速起動能力和多種起動方式。飛彈武器必須能夠快速反應，彈用渦噴發動機應該滿足這一要求。
(4)較高的抗進氣畸變與抗過載能力。抗畸變能力越強，發動機工作的可靠性越高，適用範圍越廣。有的飛彈總體設計為了外形尺寸小，採用埋入式進氣道結構，進氣道出口流場品質可能更差，因而對發動機的抗畸變能力要求更高。
(5)尺寸小、重量輕、結構簡單。彈用燃氣渦輪發動機要求尺寸小、重量輕是顯然的，所有的動力裝置都是如此。
(6)不維護或少維護。降低維護需求，是彈用燃氣渦輪發動機設計要考慮的問題之一。固體火箭發動機和衝壓發動機在這方面很好，彈用渦噴發動機相比之下情況略有不同。渦噴發動機要進行簡單的定期吹轉檢查和少量的零件更換(如非金屬密封件)，不必把發動機從彈上分解下來。
(7)選擇適當的性能指標，提高可靠性。低成本是飛彈對彈用渦噴發動機設計的一個重要要求。在低成本設計的同時，不能犧牲發動機的可靠性
(8)環境的適應性。環境適應性有著廣泛內容，低溫環境對彈用渦噴發動機的影響很大。
彈用燃氣渦輪發動機製造工藝
彈用燃氣渦輪發動機的製造工藝雖會影響或制約發動機整體及零件的設計，但也可以為發動機整體及零件的設計提供更廣闊的想像空間。彈用燃氣渦輪發動機的製造工藝與航空發動機的製造工藝並無本質的區別，許多工藝方法和製造手段都是借鑑過來的。但是為了滿足體積小、成本低、結構簡單等設計要求，彈用燃氣渦輪發動機的製造工藝在某些方面表現出一些特色。
（1）整體式零件的無餘量精密鑄造技術
由於小型化提出的要求和帶來的便利，彈用燃氣渦輪發動機上廣泛使用整體式零、部件。
（2）整體式葉輪數控加工技術
製造過程中，需要機械加工成形的整體式零件，廣泛採用數位化特種加工技術，如電火花成形加工、電火花切削、電子束加工、電解加工等。
（3）小變形的電子束坪
製造過程中，需要焊接的整體式零件，可以採用電子束焊接技術。電子束焊變形小，熱影響區小，通常用來焊接彈用燃氣渦輪發動機的主軸，或者聯接壓氣機轉子和渦輪轉子。經過焊
接的轉軸或聯合轉子的兩端要求具有良好的同心度，電子束焊的精度可以保證做到這一點。
（4）組合結構裝配工藝技術
組合結構裝配工藝技術是彈用燃氣渦輪發動機的另一個工藝特點。在發動機中常將金屬與非金屬結合在一起，完成某些設計功能。在發動機總裝時，先分別進行幾個大模組部件的部裝，然後再把這些大模組快速組裝起來，總裝工藝十分簡練。
彈用燃氣渦輪發動機結構實例
（1）J402系列發動機
（2）航空研究公司的ETJ1000發動機
（3）寇第斯-懷特公司的發動機
（4）普惠公司的STJ422發動機
關鍵設計技術及發展趨勢
20世紀80)年代美國海軍與陸軍聯合開展彈用燃氣渦輪發動機先進部件技術研究計畫(SECT計畫)，針對彈用燃氣渦輪發動機研製中的主要技術困難，提高彈用燃氣渦輪發動機的水平.為200。年巡航飛彈研製提供先進技術儲備。
美國的設計師主要從三個方面考慮如何開展彈用燃氣渦輪發動機關鍵技術研究：
（1）發動機系統研究與部件技術集成;
（2）明確發動機研究方向與技術途徑;
（3）展開具體的發動機部件技術研究。
他們選取20世紀80年代的一組典型的彈用燃氣渦輪發動機為基本型，套用小發動機先進的部件技術(SECT)對基本發動機實施性能改進，按照任務剖面的完成情況和全周期壽命的使用成本(LLC)水平，來評估發動機關鍵技術取得的效果。
彈用燃氣渦輪發動機關鍵設計技術(s ECT計畫)包括以下幾個方面。
（1）發動機循環參數最佳化分析
（2）部件氣動設計與匹配技術
（3）整體式葉輪CAD/CAM一體化技術
（4）複合材料技術
（5）發動機與飛彈一體化設計技術
（6）生命周期成本（LLC）分析
