新型水空两用发动机概念设计与研究

为实现发动机的水空两用，提出了一种新型的多涵道水空两用发动机概念设计。在建立了初步的三维有限元模型的基础上，重点对水中模式的工作情况进行了分析计算，初选金属钠作为水反应燃料，得到了燃料流量、燃烧室压强、推力的变化关系及燃料流量和比冲的变化关系，初步确定了燃料流量的适宜范围，肯定了水中工作条件下的推进效果。使用CFD软件对金属水反应冲压发动机的参数设计进行了模拟分析，确定了最有利于金属水反应和水冲压发动机推进效果的参数选择。初步评定新型水空两用发动机达到了设计目的。

随着科技和时代的发展，飞行器呈现出越来越多样化的发展势头，多栖飞行器即是这种环境下的产物；同时在另一方面，面对未来战争的需求，只能在天空中飞行的飞机有一定局限性，如果有既能在空中飞行，又能潜入水下航行的水空两用飞机，将会获得特别的作战效能甚至带来新的作战方式的转变， 对未来战争的发展具有重要的意义[1]。

目前世界上对水空两用飞行器的研究的主要目的是为了研制出一种配合潜艇作战的快速武器而进行的，称之为潜射无人机。虽然潜射无人机目前只是处于初期的研制、论证和试验阶段，并没有成熟的运用于战场发挥其作用，但它的发展情况和前景很受各国相关部门关注。美国先后研制了海上搜索者、鸿鹅、海上哨兵三型潜射无人机[2] [3]。

要实现飞行器的水空两栖作战就必然需要有一个能够水空两用的动力装置。目前世界上潜射无人机的动力装置多采用燃料电池动力系统， 在空中依靠电力驱动飞行， 其缺点是无法实现长时间的空中巡航， 且无法完成潜艇式的水中行进，极大地限制了水空两用飞行器的应用。本概念设计即是针对水空两用飞行器的新概念动力装置设计。该设计借鉴了传统涡轮风扇发动机，同时有机融合了金属-水反应冲压发动机，总体设想是在空中工作时使用涡扇发动机实现喷气推进以提升空中巡航能力，在水下工作时使用金属-水反应发动机实现水冲压喷射推进，使得飞行器在水中也能像潜艇一样航行。

2. 新型水空两用发动机概念设计及总体方案 2.1. 新型发动机总体方案设计 新型水空两用发动机为实现在空中和水下两种不同工况条件下的持续工作，其设计参考了中小型涡轮风扇发动机及外骨架结构形式[4] [5]，取消了中心转轴，同时舍弃了压气机、涡轮的静子叶片，代之以内、外转子层，使得压气机和涡轮均实现对转。位于内转子层内部的中央涵道，作为水中工作时的介质通道，同时为安置金属水反应冲压发动机提供了结构上的基础。具体的结构实现形式如下： 发动机前部支撑架固定安置在发动机罩内，发动机罩与发动机尾部支撑架固定安置在飞行器的发动机安装架上。外转子层通过前止推轴承、后止推轴承及圆周轴承安装在支撑架上，可绕轴心转动。内转子层通过前止推轴承、后止推轴承及圆周轴承安装在支撑架上，可绕轴心转动。为保证强度和刚度，可在发动机罩及内、外转子层上布置加强筋。压气机叶片与涡轮叶片固定装于榫槽上，榫槽分布于外转子层内侧及内转子层外侧。

风扇叶片固定装于外转子层外侧的榫槽上。

环形燃烧室固定安装在内转子层上， 可随内转子层一起转动。如图1 所示。