这个涡轮间燃烧器的具体位置在哪里呢?应该在下图所示的两级低压涡轮之间:

第二个方面的创新是更加简单、更加隐身的进气和排气系统。可以在宽广范围内调节的风扇和压气机所提供了一个额外的好处:发动机对进气的要求降低,可以适应变化范围很大的进气。这使得进气道可以更加简单。而可变距涡轮导向叶片甚至涡轮间燃烧器,又使发动机的排气不再需要复杂的可调节喷口。这些优点也为动力系统实现高度隐身创造了条件。下图是一种全方位隐身的动力系统示意图:

图中进气道屏蔽了发动机前面的叶片、喷管屏蔽了发动机后部的涡轮之类的装置。另外,进气道除了给发动机供气,还为发动机及其附件的散热以及发动机排气的降温提供空气。这些都是有效的雷达和红外隐身措施。
下图右下角所示的进气/排气整合(Inlet/Exhaust Integration)表示出了如何把进气道的部分气流用来冷却发动机排气的方法。

第三个方面的创新是发电系统的创新。下一代飞机需要非常大的电能,一是因为下一代武器中有微波武器甚至激光武器;二是因为飞机会采用电操纵方式。上面图中的左上角指出了下一代发动机的附件整合(Subsystem Integration),其中提到了两种新技术:内部起动/发电机(Internal Starter/Generator)和磁性轴承(Magnetic Bearings)。
我对这方面所知甚少,但是鉴于下一代飞机会非常依赖电能以使用诸如微波、激光等新式武器,我特别列出这一点以作强调。
变!变!变!之向未来咆哮的黑鸟心
当黑鸟的心脏,J58 发动机咆哮的时候,很少有人能不为之动容:


PW(普拉特惠特尼公司)在上个世纪五六十年代开发的这个发动机使黑鸟以三点二倍音速的速度持续飞行。直道几十年后今天,黑鸟仍保持着使用空气发动机的载人飞机的官方最快速度记录。下图是黑鸟的照片:

下图是黑鸟在高空以三倍音速持续飞行的艺术家想象图:

J58 也是变循环发动机,却与 GE 走的不是一个路子。J58 是在涡轮喷气和压气机辅助冲压发动机之间转换的变循环。
下面 J58 照片中,可以清楚地看到有三个粗大的管子,它们一端连接在发动机压气机的位置(图中右侧一端)、另外一端连接在发动机加力燃烧室:

J58 的另一侧有同样的三个管子:

这六个粗大的管子叫涡轮旁路管道,它们起自 J58 的第四级与第五级压气机之间,终于涡轮后面、加力燃烧室之前。在活门的作用下,这些涡轮旁路通道使得 J58 得以在涡喷和冲压发动机模式之间转换。下面根据一张 J58 的剖视示意图来具体谈谈这个变循环是如何实现的:

上图中发动机上方的管路就是涡轮旁路通道(Compressor Bleed Air Bypass Turbines)。这个通道在第四级和第五级压气机之间与发动机通过内部排气活门(Internal Bleed)连接、然后终止于加力燃烧室(Afterburner Section)。在内部排气活门(Internal Bleed)后面的外部排气活门(External Bleeds),其作用是调节涡轮旁路通道中的气压。
当黑鸟在低速飞行时,内部排气活门关闭,压气中所有气流进入主燃烧室,以典型的涡轮喷气方式工作。
当黑鸟以三倍音速飞行时,内部排气活门开启,前四级压气机中的一部分气流通过内部活门进入涡轮旁路通道,直接进入加力燃烧室。这些经前四级压气机压缩的空气在加力燃烧室中为加力燃烧室喷出的燃料提供燃烧的氧气,从而使 J58 以压气机辅助冲压发动机方式工作。
这种变循环方式能否在未来继续发展呢?
PW 在 J58 基础上,有两个发展方案:继续使用涡轮旁路通道和可变流控制。
下图是继续使用涡轮旁路通道的方案示意图:

这应该是在 J58 基础上进一步提高冲压模式效率的努力,因为涡轮旁路通道处于所有压气机之后,使得进入加力燃烧室的进气有更高的压力。
值得注意的是图中特别在左下角注明了可变压气机(Variable geometry compressor),这也是ACE适应性循环发动机非常重要的变循环手段。
下图是可变流控制方案:

这个方案把一根一根管状的涡轮旁路通道用一个结构简单的外涵道代替,而且直接在外涵道设置了燃烧室。这个外涵道燃烧室在图中用右起第二组文字注明为低排放涵道燃烧室(Low-emissions duct-burner)。
同样值得注意的,是图中特别在左下角注明了可变风扇(Variable fan),这仍然是 ACE 适应性循环发动机非常重要的变循环手段。
我对这两个方案的看法,可以用四个字来概括:锦上添花。
首先,上述两个方案完全可以在现有发动机技术上开发出来,使现有发动机有更广的速度范围。毕竟可变风扇/压气机在现有发动机技术水平也是成熟的,虽然变化的范围不大;
其次,ACE 适应性循环的关键技术:大幅度可变的风扇/压气机,也可以大规模地扩展上述两个方案的使用范围。而在 ACE 的基础上或者象方案一那样加涡轮旁路通道,或者象方案二那样直接用涵道燃烧室,都是使 ACE 进一步拥有向冲压发动机转换能力的途径。
目前基于常规涡轮风扇发动机的 F119,可以使 F-22 以大于一点五倍音速巡航;以 ACE 适应性循环发动机为动力的下一代超音速飞机大概可以高达二点四倍音速的速度巡航。如果采用上面介绍的方案,是否能使飞机在更高的速度巡航呢?
J58 的咆哮推进着黑鸟在几十年后的今天仍然保持官方速度记录,J58 的咆哮也鼓舞着 PW 在涡轮+冲压的道路上继续前进。但随着二十一世纪的来临,J58 的咆哮终于等到了回声——火神的回声。
火神是下面概念图所示高超音速飞行器的两套接力式动力装置之一:

图中的高超音速飞机正在大气层的边缘飞行。超高音速的气动加热使飞机外表成红热状态。
这种高超音速飞机有两套接力式动力装置:一是火神,负责把飞机从跑道静止加速到四倍音速以上;二是超音速燃烧冲压发动机(以下简称超燃冲压),把飞机从超过四倍音速加速到高超音速。超燃冲压要把飞机加速到多高速度?美国的计划是先实现六、七倍音速,但最终很可能要实现十倍音速以上。本文只谈这个接力的第一段——火神,因为这正是 J58 几十年的咆哮得到回声的所在。
