最近，有一则公开科普**在流传，**中中科院工程热物理研究所所长朱俊强在2023年7月29日格致论道第99期上透露了一项研究成果。根据他的介绍，他们成功研制出了一系列新型发动机，包括超音速轻型涡喷、高升限低油耗轻型涡扇和高效费比轻型单转子涡扇。这些发动机已经形成了和1000公斤推力级的产品系列，并已经交付给军方。尽管战斗机和民航客机所使用的大推力发动机备受瞩目，但随着无人机和巡航导弹的迅速发展，小推力发动机的重要性也大幅提升。举例来说，美国空军正在研制的“忠诚僚机”xq-58以及“战斧”巡航导弹所使用的发动机推力都达到了1000公斤级。而c-802和rbs15反舰导弹所用的tri60涡喷则是400公斤级，jassm-er隐身巡航导弹所使用的特里达因cae j402涡喷则是700公斤级。小推力发动机并不仅仅是大推力发动机的简单缩小版本。
小推力发动机主要用于公务机、支线客机和教练机等场合，也更多地用于可消耗的场景，如靶机和巡航导弹，并且更加注重低成本。关于工程热物理所的这三个新型发动机，它们既是独立的成就，又是循序渐进的。其中，涡喷发动机简单轻巧，迎风阻力小，适用于低成本场合或超音速场合。通过采用更加省油的新型单转子涡扇来解决低成本问题后，新型涡喷发动机则更加注重超音速、高截面推力和多电等关键特性。典型的发动机附件系统凸显于机匣之外，增加了迎风面积和阻力。而喷气发动机都需要附件，从启动/发电机到燃油泵、滑油泵和散热系统，它们都占据一定的体积和重量。超音速发动机还需要收敛-扩散喷口，并且传统上采用液压作动机构，因此需要液压系统。在传统做法中，发动机通过机械方式带动启动/发电机、燃油泵、滑油泵和液压泵。然而，附件的安装不仅增加了重量和体积，还必须放置在机匣之外，进而增加了迎风面积和阻力。
在全电化之后，启动/发电机将被整合到中轴上，不再占用迎风面积。这已经成为先进发动机的通行做法。而全电化的附件系统正成为领导潮流的趋势，它大大降低了附件的体积、重量和成本。在解决加力启动时压气机稳定工作和加力燃烧室可靠点火的问题后，新型小涡喷发动机成为国内第一台超音速小涡喷发动机，可用于超音速无人机、靶机和巡航导弹。而高升限小涡扇则是专为高空无人机设计，需要在20000米高空稳定工作。高空长航时无人机在军事上扮演着不可或缺的重要角色。它可以以更高的巡航高度作为侦察-监视平台，进而获得更大的侦察-监视范围。同时，作为通信中继平台，它的中继通信距离也得以大幅提高。此外，高空长航时无人机还被广泛应用于打击平台，可以使用对地攻击导弹和滑翔炸弹，射程也随之增大。此外，高空巡航还可以避开主打中低空的野战防空系统的拦截，仅有高空远程防空导弹才能对其造成威胁。
作为高空适用的发动机，压气机的可靠点火在低压、低氧的环境下一直以来都是个问题。但是，从低空到高空所有空气密度条件下压气机的可靠和高效运行。压气机主要分为轴流式和离心式。轴流式压气机可以被视作多级串联的电风扇，它的空气流量大，迎风面积小，但每一级的增压有限。当进气压力较低时增压比较好，但进气压力较高时增压比就不尽如人意。好在多级串联后依然可以达到很高的增压比，但结构比较复杂，制造和维修成本较高。离心式则是单一的“火山形”叶轮，当然山尖指向进气方向。叶片和流道沿径向展开，进气在离心力的作用下向蜗壳甩出，达到增压。离心式压气机结构简单轻巧，制造和维修成本都低，增压比更高，但空气流量小，迎风阻力大，两级串连还行，多级串联效率急剧下降。轴流式（左上）vs离心式（右下）。由于离心式压气机的增压在径向进行，所以也称径流式压气机。轴流式压气机的增压当然就是在轴向进行。
在两者之间，其实还有斜流式，特点在两者之间，设计也比两者更加复杂。但在现代计算流体力学的帮助下，斜流式压气机正在得到重视，可以在相对于轴流式来说流量损失不大的情况下，大体保持相对于离心式的高增压比的优点。工程热物理所的高空小涡扇正是利用了斜流式压气机。小涡扇有用轴流式压气机的，更多的是用轴流-离心式压气机，用简化的轴流式压气机先初步增压一下，然后用离心式压气机进一步增压到规定的压力。工程热物理所的新型高空涡扇正是用轴流-斜流式压气机。从常见的轴流-离心式（左）改为先进的斜流-离心式，压气机效率和稳定性大大提高。斜流比轴流的增压比高，s形的弯管貌似损失很大，实际上在弯曲扩容中减速增压，损失并不像直观的那么大。发动机进气道的作用就是对进气减速增压，最后都有某种s形的扩容增压段。
离心式压气机最后形成的是“环形”高压气流，但发动机燃烧室并不在中轴线上，而且不是单一的，是沿着周长环形布置的多个“燃烧罐”。离心式压气机可以从蜗壳边缘分段汇集高压气流，分别注入燃烧室，操作简单高效；而轴流式压气机的高压气流需要分流、分配进入各个燃烧室，操作相对复杂。因此，早期的喷气发动机多采用离心式压气机，如罗尔斯-罗伊斯“尼恩”用于米格-15。但随着推力要求增加，空气流量增加，迎风阻力增大，轴流式压气机逐渐成为主流。而采用斜流式压气机后，稳定裕度不变的情况下，负荷提高90%，大大改善了压气机的运作。在这些关键技术的支持下，新型单转子涡扇发动机应运而生。喷气发动机靠动量守恒产生推力，向后“甩出”的空气流量越大，推力越大。涡喷用燃烧的热能产生膨胀，而压气机在前面“顶住”燃烧室产生的压力，膨胀只能向后，产生推力。但高温高速燃气的热力学效率较低。
按照热力学第二定律，最高的推进效率是从略高于环境空气的温度、速度中获得的。涡扇将部分高温燃气的能量转化为机械能，驱动风扇推动空气，产生推力，因此比涡喷省油。风扇推动的空气流经外涵道，参与燃烧和产生高温燃气的空气流经内涵道，外涵道与内涵道的空气流量之比称为涵道比，涵道比也是外涵道与内涵道的推力之比。高涵道比涡扇最为省油，因此先进民航科技的发动机都有十分粗大的外涵道。但风扇和低压压气机需要低速运转，高压压气机需要高速运转，一般涡扇用高速转子套低速转子的双转子结构解决不同速度的问题，相应地也需要高压涡轮和低压涡轮驱动高速和低速转子，结构复杂，制造和维修成本高。然而，采用斜流式压气机，配以复合掠风扇，转速就可以统一。这种新型单转子涡扇发动机采用复合掠风扇叶片和斜流式压气机。斜流式压气机的转速比轴流式的低压压气机更高，但比高压压气机低。
这里的斜流式压气机既可以是如图所示的单级斜流式压气机，也可能是高空小涡扇的斜流-离心式压气机，具体取决于推力水平和增压要求。在涡扇发动机的设计中，风扇叶片发挥着至关重要的作用。为了能够预压缩气流作为压气机使用，叶片需要逐渐增加后掠角度以弥补线速度的增加，从而提供均匀的进气速度和压力。而作为推力风扇的外涵道，则需要采用前掠角度来补偿线速度的增加，这种设计也更有利于叶片的受力。通过精细匹配后掠-前掠角和转速，可以实现较高的风扇效率。这种新型涡扇发动机不再像历史上的单转子涡扇那样简单粗暴，而是重量降低了20-30%。而全电化技术的应用进一步将其重量降低了20%，成本也降低了30%。此外，工程热物理所采用先进的陶瓷基复合材料作为涡轮材料，提高了涡轮的耐温能力，即使在涡轮前温度提高200℃的情况下，也减少了15%的冷却空气。这种设计不仅提高了推力，还将油耗降低了10%。
通过这些先进技术的应用，新型单转子涡扇发动机的油耗降低了28.5%。与同级涡喷相比，其零部件数减少了2/3，成本降低了80%。发动机是巡航导弹成本的重要组成部分。威廉姆斯fj44发动机不仅应用于巡航导弹，也应用于飞机。飞机级的fj44需要大大提高可靠性和耐久性，成本在200-230万美元一台。而“战斧”block v巡航导弹的单价约为200万美元，因此巡航导弹级别的fj44发动机成本肯定要低。将发动机成本降低80%的作用相当显著。我们已知工程热物理所的先进小推已经批量生产并交付使用。这种技术的成功应用是获得国家进一步支持、建立轻型涡轮动力全国重点实验室和航空发动机领域第一个国家重大科技基础设施的一个重要因素。实验条件可以在0-30000米高度、0-6马赫速度范围内自由变化，并将配备堪比“发动机全身ct”的全域间隙长的实时动态测量系统。
这种系统可用于单涵道、双涵道、三涵道、变涵道比的研究，还可应对转子、进气道畸变、强预冷、间隙控制、燃烧室-涡轮气热耦合、高超音速变姿态进气道-发动机匹配等问题进行研究。单涵道发动机是涡喷发动机，双涵道是典型涡扇，三涵道是最近涡扇，第三涵道不仅可在低空低速下提供额外推力，还可在高空高速下提供冷却气流，解决机上系统的热管理难题。这种设计对隐身飞机和民航客机都非常重要，因为它可以降低冷却和循环空气进气减少蒙皮开口和阻力损失。变涵道比是下一代战斗机的关键技术之一，它能够在不同速度和高度下实现最佳涵道比，并在起飞和高空飞行时自动调整推力和阻力。传统的转子叶片在旋转时会带动空气前进，但这也会带来能量损失。为了使下一级叶片能够有效工作，通常需要使用定子来整理旋转的气流。然而，转子和定子之间的来回扭转和校准也会带来能量损失，并增加机械、气动和热力学方面的复杂性。
强预冷是一种新颖的空天动力技术，它通过将空气中的氢和氧分离并液化冷却，然后使用液氢作为燃料，液氧作为氧化剂，并同时用作冷却介质。这将对准轨道和大气层边缘的飞行动力有着重要的意义，但也面临着巨大的技术挑战。发动机叶片由于热胀冷缩而产生形变。发动机内部的温度分布不均匀，重力和机动过载也会影响叶片的形状。因此，叶片和机匣之间的间隙控制非常关键。间隙过小会导致擦伤和过热，严重时甚至会发生断裂和**；而间隙过大则容易导致后级向前级“漏气”，从而损失气动和热力学效率。间隙控制是发动机技术中的机密，普拉特-惠特尼的pw1000g齿轮涡扇发动机和f135涡扇发动机都面临着间隙控制方面的问题，这也是中国航发难以避免的困境。燃烧室的设置对涡轮进气段的温度分布产生了影响，其中与燃烧室对应的区域温度较高，而燃烧室之间的间隙区域温度较低。这样的温度不均匀分布对涡轮前部的气动和热力学状态有很大影响，需要进行深入研究。
在高超音速飞行时，组合循环发动机（例如涡喷-亚燃冲压-超燃冲压）的模式切换和过渡、进气道与发动机的匹配以及发动机在复杂姿态下的稳定工作都是发动机开发成功和实际应用之间必须克服的难题。从更小的尺度上来说，**上的涡轴发动机主要采用轴流-离心式压气机，这是因为***对推力要求相对较低，对迎风阻力不敏感。工程热物理所在斜流式压气机方面的突破将对中国的涡轴技术发展起到积极的推动作用。陶瓷基复材在先进发动机中已经开始得到应用，但通过在无人机和巡航导弹上的小推力设备上积累经验后，将这些技术应用到战斗机和民航客机发动机上具有重要的准备意义。中国航发正在迅速进入自主创新领域，但这并不是通过追赶先行者来实现的，还需要在突破性发展方面选择性地“有所为、有所不为”。工程热物理所正朝着有所为的方向迅猛发展。
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