無人機技術的迅猛發展深刻改變著現代戰爭形態，動力裝置作為無人飛行平臺的“心臟”，直接決定飛行器的航程、載荷能力與機動性能。隨著無人機任務譜系不斷拓展，對動力系統提出了既要低耗油率以保證長航時作業，又要滿足低成本可消耗經濟性的雙重苛刻要求。

然而，現有小型渦輪發動機在成本與耗油率之間難以兼得。短壽低成本單軸渦噴/渦扇發動機結構簡單、制造成本低，但耗油率通常高達1.2 kg/(daN·h)以上，無法滿足遠程長航時任務需求。低耗油率雙轉子渦扇發動機通過分軸設計實現壓縮系統與膨脹系統最優匹配，耗油率可降至0.6-0.7 kg/(daN·h)，但復雜的結構、眾多的零件以及對先進材料與精密制造的依賴導致成本居高不下。美國F107系列發動機雖實現低耗油率，卻因采用金屬陶瓷渦輪等先進材料成本高昂；FJ44系列采用長壽命設計及獨立潤滑系統，成本更高。因此，如何在保持雙轉子構型熱力學優勢的同時大幅降低發動機成本，成為當前小型渦扇發動機研制的核心技術挑戰。

低成本低耗油率雙轉子渦扇發動機并非簡單折衷，而是在深入理解熱力學機理與制造工藝基礎上，通過構型創新與設計優化實現的系統性解決方案。其技術內涵體現在三個層面：熱力循環層面通過合理壓氣機構型匹配提升總壓比，在不顯著提高渦輪前溫度的前提下改善熱效率；結構設計層面采用一體化集成設計大幅減少零件數量，通過整體葉輪、一體化承力機匣、內置式電機等創新使零件數減少50%以上；材料工藝層面合理選用工業級貨架材料和低成本成形工藝，采用精密鑄造、鈑金件、增材制造替代復雜鍛造和機械加工，選用工業級標準件替代航空專用件，實現成本大幅下降。

一、小型渦輪發動機國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外小型渦輪發動機研究起步較早，美國處于領先地位。從發展歷程看，美國對小型渦扇發動機的研制理念經歷了從性能優先到經濟可承受性優先的重大轉變。20世紀70年代，為滿足巡航導彈需求，威廉姆斯國際公司研制了F107系列發動機，推力約2.7 kN，耗油率約0.68 kg/(daN·h)，成功應用于BGM-109“戰斧”巡航導彈，成為彈用渦扇發動機經典之作。1988年實施的IHPTET計劃首次系統提出小型發動機技術發展目標，設定了推重比提升100%、耗油率降低30%的跨越式目標，推動F122、F415等改進型號問世。21世紀啟動的VAATE計劃將經濟可承受性提升到與技術性能同等重要地位，提出使發動機經濟可承受性提高8.9倍的目標。羅爾斯·羅伊斯公司2022年發布的奧菲斯發動機驗證機采用數字工具和快速制造技術，18個月內完成設計制造，速度是傳統發動機的2倍，工程資源僅需常規的1/3，體現了快速敏捷研發與低成本交付的現代理念。

歐洲同樣取得顯著成就。透博梅卡公司Arbizon系列發動機通過模塊化設計與材料優化實現成本降低，廣泛用于多種反艦導彈。法國微型渦輪發動機公司TRI系列在多型無人機和導彈上獲得應用。俄羅斯聯合發動機公司為X-59研制的36MT發動機，以及土星科研生產聯合體TRDD-50系列，體現了簡單結構、低成本設計的技術特色。P125-300渦扇發動機零件數量少、結構緊湊，生產工時僅1038小時，成本降低效果顯著。

1.2 國內研究現狀

中國小型渦輪發動機研制起步較晚，但已逐步具備自主研發能力。科研院所方面，中國航發沈陽發動機研究所在雙轉子渦扇發動機總體設計、循環參數優化等方面開展了系統研究；中國航發湖南動力機械研究所專注于中小型航空發動機研制；北京動力機械研究所和中國航天科工集團三十一研究所在彈用渦輪發動機領域具有深厚積累，成功研制多型配裝反艦導彈和巡航導彈的小型渦噴/渦扇發動機。高校中，西北工業大學在微型渦噴發動機總體綜合設計方法研究方面進展顯著；南京航空航天大學在發動機控制規律、故障診斷方面深入研究。民營企業如臺灣Kingtech公司、保定玄云渦噴動力設備公司專注于航模級和工業級微型渦噴發動機研制，在低成本設計和快速制造工藝方面積累了有益經驗。

從技術水平看，國內現役小型雙軸渦扇發動機已能滿足耗油率指標要求，但仍處于相對較高成本水平，結構設計較為復雜，零件數量偏多，對先進材料和精密制造依賴較強，與可消耗型無人飛行平臺的經濟性要求尚有差距。近年來，國內相關單位開始探索一體化設計、增材制造、工業級貨架產品應用等降本增效技術路徑，為下一代低成本低耗油率發動機研制奠定技術基礎。

二、低成本低耗油率雙轉子發動機構型設計

2.1 低成本設計理念與技術路徑

低成本設計理念涵蓋結構簡化、材料優選、系統集成和工藝創新四個維度。

低成本緊湊結構設計倡導一體化簡化設計。風扇轉子、離心葉輪、高低壓渦輪轉子、導向器等關鍵旋轉件全部采用整體結構，消除傳統裝配所需的連接件和定位結構，提高轉子剛性。壓氣機機匣、進氣機匣、中介機匣、軸承座等承力構件采用一體化設計及增材制造，將原本需要數十個零件的復雜組件合并為單個整體構件，零件數量減少約50%，機械加工和裝配成本大幅下降。取消傳統附件傳動系統，采用全電小尺寸附件，進一步簡化布局，提高可靠性。

發電機內嵌式轉子結構設計利用低壓轉子前后支點之間的軸向空間，采用與發動機低壓轉子同軸的內嵌式電機設計，使發電機轉子與低壓轉子融為一體。這一設計取消傳動齒輪箱和相關附件，實現發電機與軸承共用冷卻系統，簡化管路布局，實現空間、轉子動力學的多重優化。

新型燃油/滑油混合冷卻技術實現燃油預熱與軸承潤滑冷卻一體化。通過新型供油結構使燃油首先進入軸承座環腔，冷卻軸承座并預熱燃油，其中小部分燃油經環腔開孔用于軸承潤滑，其余進入燃燒室蒸發燃燒。這一技術實現預熱、潤滑、冷卻、燃燒多功能一體化，完全取消獨立滑油系統，大幅減少附件數量，降低系統復雜度和成本。

短環形回流蒸發管燃燒室設計采用分級分區設計，提高點火可靠性和燃燒穩定性的同時增加摻混長度，改善燃燒室出口溫度均勻性。短環形回流設計減小軸向跨度，優化轉子支承間距，改善軸系轉子動力學特性。火焰筒采用鈑金結構替代復雜鑄造件，通過沖壓成型和焊接工藝制造，大幅降低模具費用和加工成本；噴嘴采用工業級貨架產品，避免航空專用噴嘴的高額費用。

2.2 兩種構型方案概述

在同等水平總體循環參數與發動機外廓尺寸約束下，構建兩種低成本低耗油率雙轉子渦扇發動機構型進行對比研究。

方案A：1級軸流風扇 + 1級斜流加1級離心組合式高壓壓氣機 + 短環形回流蒸發管燃燒室 + 1級軸流高壓渦輪 + 1級軸流低壓渦輪。高壓壓氣機采用斜流-離心組合型式，斜流壓氣機介于軸流與離心之間，既繼承離心壓氣機單級壓比高、工作范圍寬的特點，又具備軸流壓氣機大流量和高效率的潛力，可在單轉子結構下實現較高總壓比，避免多級軸流壓氣機帶來的復雜結構和成本增加。

方案B：1級軸流風扇 + 1級增壓級 + 1級離心高壓壓氣機 + 短環形回流蒸發管燃燒室 + 1級軸流高壓渦輪 + 1級軸流低壓渦輪。在風扇與高壓壓氣機之間增設一級增壓級，通過提高低壓壓氣機壓比提升整機總壓比。在渦輪前溫度受低成本材料限制的前提下，提高總壓比是改善熱效率、降低耗油率的主要技術路徑。增壓級的引入帶來多重收益：總壓比提高直接提升循環熱效率；壓氣機出口壓力提高使核心機物理流量增加，獲得更大推力；增壓級增加的功率需求使低壓渦輪做功增加，改善高低壓轉子功率匹配，有利于渦輪效率提升。方案A追求極致緊湊，方案B側重性能潛力。

2.3 循環參數優化

循環參數選取需在推力性能、經濟性、穩定性及可靠性之間尋求最優平衡，特別考慮成本約束，避免追求過高指標導致成本失控。

涵道比選取2～4。高涵道比可提高推進效率、降低耗油率，但小型發動機涵道比增加會帶來低壓轉子轉速降低、低壓渦輪級數增加、徑向尺寸增大等問題。

總增壓比設定在15左右。提高總壓比可提升熱效率，但高壓比會導致壓氣機級數增加、葉片短薄引起端部損失增加、高壓轉子負荷加大、穩定工作范圍變窄等問題。

渦輪前溫度控制在1400-1500 K范圍。大涵道比渦扇發動機渦輪前溫度普遍在1600 K以上，需要單晶葉片、復雜冷卻結構和熱障涂層等昂貴技術。對于可消耗型無人飛行平臺，壽命僅需數十至數百小時，渦輪前溫度不宜過高，以降低對先進材料和復雜冷卻的依賴，控制成本。

基于設計要求和當前部件設計水平，采用控制變量方法確定最佳部件設計參數組合，通過航空發動機總體性能軟件進行循環參數優化，優化目標以巡航狀態耗油率最小化為主要指標，兼顧起飛推力、高空推力保持能力和穩定工作裕度。

三、總體性能分析與低耗油率機理

3.1 兩種構型總體性能計算

在同等水平總體循環參數與發動機外廓尺寸約束下，通過總體性能軟件對方案A和方案B進行設計點與非設計點性能計算。針對空射型無人飛行平臺需求，發動機需空射后10秒內達到設計轉速，巡航狀態連續工作22小時以上，因此將巡航狀態作為評估耗油率的主要工況點。

計算結果表明，在標準大氣海平面條件下，方案B在設計點、地面非設計點及高空非設計點耗油率均優于方案A：設計點降低0.66%，地面非設計點降低1.10%，高空非設計點降低1.18%，具有全包線優勢。將方案A高壓壓氣機效率提升至0.82形成SA1方案后，方案B仍保持耗油率優勢，三個工況點分別低0.05%、0.39%和0.71%，說明方案B的優越性不僅源于壓氣機效率差異，更在于構型本身的熱力學潛力。

與國外典型發動機對比，方案B耗油率較IET單軸渦扇系列降低61.41%，較F415降低45.67%，與長壽命低耗油率的FJ44-1C僅相差7.48%，證明方案B在保持雙轉子低耗油率特性的同時成功實現成本控制。

3.2 低耗油率熱力學機理分析

方案B耗油率優于方案A的內在機理可從熱力學角度分析。渦扇發動機耗油率與熱效率和推進效率的乘積成反比。在兩種方案涵道比相近條件下，耗油率差異主要源于熱效率。

通過熱力循環分析，方案B在設計點、地面非設計點及高空非設計點的熱效率比方案A分別提高2.56%、2.37%和2.64%。熱效率提升的根本原因在于增壓級引入改變了功率分配關系。方案B增設的增壓級增加了低壓壓氣機總壓升，要求低壓渦輪提供更多驅動功率。在高壓渦輪功率基本不變條件下，低壓渦輪做功增加意味著燃氣在低壓渦輪中焓降增大，渦輪膨脹比提高。這帶來兩方面收益：低壓渦輪出口壓力和溫度降低，燃氣可利用能量增加，排氣損失減少；低壓渦輪做功增加使低壓轉子轉速適當提高，改善低壓渦輪效率特性。兩者共同作用使整機熱效率提升。

這一機理揭示了在渦輪前溫度受成本約束難以提高的條件下，通過合理分配高、低壓壓氣機壓比，增加低壓渦輪做功，是提升熱效率的有效途徑。

3.3 效費比綜合分析

引入效費比分析方法，將方案A、B與同類典型發動機進行綜合對比。方案A、B價格基于現有發動機加工價格，考慮未來批產目標訂價，通過增加工廠家報價評估得出。估算中充分考慮低成本設計帶來的降本效益：雖然增加低壓軸和低壓渦輪等部件，但通過整體葉輪、一體化3D打印承力機匣、導向器集成設計以及合理選材，有效優化結構和加工工藝，鑄造模具費用大幅降低，承力框架、軸承等零件數量減少，機械加工和焊接成本下降。此外，方案A、B相較于單軸渦扇系列推力提高23%，單位推力價格優于單軸渦扇系列。

對比分析顯示，方案B效費比優勢顯著：較IET單軸渦扇系列高出12.7%，較FJ44發動機高出101.16%-116.25%，較F415高出11.97%-28.15%，較方案A高出11.7%。

各類發動機效費比差異的內在原因：FJ44采用長壽命設計理念，高低壓渦輪葉盤分離，配備獨立潤滑和齒輪傳動附件，設計和制造成本遠高于軍用可消耗型發動機；IET單軸渦扇系列雖以低成本為目標，但受單軸構型熱力學限制，推力小、耗油率高；F415采用5級軸流壓氣機，零件多、成本高，耗油率相對較高。方案A、B成功結合雙軸渦扇的低耗油率與單軸渦噴/渦扇的低成本優勢，通過緊湊布局、內置同軸共腔電機、混合冷卻技術、低成本選材、一體化增材制造等創新設計，在保持較低制造成本的同時實現優異熱效率，獲得較高效費比。方案B憑借更優耗油率，效費比進一步超越方案A，更能滿足無人飛行平臺對低成本可消耗動力系統的需求。

四、典型應用案例分析

4.1 巡航導彈動力應用

巡航導彈是小型渦扇發動機最具代表性的應用領域。美國BGM-109“戰斧”巡航導彈采用威廉姆斯F107-WR-400/402渦扇發動機，推力約2.7 kN，耗油率約0.68 kg/(daN·h)，憑借低耗油率動力，結合約450 kg燃油載量，射程達1600公里以上。俄羅斯Kh-55巡航導彈配裝TRDD-50系列渦扇發動機，推力約3.5 kN，耗油率約0.69 kg/(daN·h)，體現簡單耐用技術風格。未來巡航導彈向更快、更遠、更精、更隱蔽方向演進，對動力系統提出更高要求，低成本始終是核心要求。

4.2 無人機動力應用

無人機是小型渦扇發動機另一重要應用領域。MQ-1“捕食者”等第一代察打一體無人機大多配裝渦槳或活塞式發動機，飛行速度慢、升限低。MQ-9“死神”等第二代開始配裝渦扇發動機，顯著提升飛行速度和載荷能力。MQ-20“復仇者”等第三代采用渦扇發動機，因耗油率低、推重比高、與無人機匹配度好，成為首選動力。歐洲神經元無人作戰驗證機采用羅爾斯·羅伊斯Adour渦扇發動機衍生型號。中國航發在2025亞洲通用航空展上展出的AEF100渦扇發動機可滿足2～5噸級中高空無人機需求，F406渦扇發動機專為高空高速察打一體無人機研制，推力600公斤級，展現國內最新進展。

未來高空長航時無人機對耗油率要求更為嚴苛，無人作戰飛機對推重比和加速性提出更高要求，低成本低耗油率雙轉子渦扇發動機以其平衡的綜合性能將在其中占據重要地位。

五、未來發展趨勢與展望

5.1 技術發展趨勢

總體構型創新將繼續深化。本研究對比表明在離心壓氣機前增設增壓級可顯著提升熱效率，未來可探索三轉子構型在小型發動機上的應用可能，通過更精細轉速匹配拓展穩定工作范圍、提升部件效率，但需在性能與成本之間審慎權衡。變循環發動機通過調節幾何通道改變涵道比和壓氣機工作點，實現寬速域高效工作，對未來高速無人機具有重要價值。

低成本材料與工藝將持續突破。增材制造技術將使更復雜的一體化結構成為可能，進一步減少零件數量、縮短制造周期。新型鈦合金、高溫合金粉末材料的發展將提升增材制造件力學性能和耐久性。復合材料在風扇葉片、機匣等部件上的應用將更廣泛，既減輕重量又降低制造成本。工業級陶瓷基復合材料成熟后有望以低成本實現更高渦輪前溫度。

混合動力系統將成為重要發展方向。采用小型渦扇發動機作為核心的混合電推進系統，通過渦輪驅動發電機產生電力，再由電動機驅動風扇或螺旋槳，可實現部件靈活布局和能量優化管理。中國航發已展出的兆瓦級混合動力系統、800kW級渦輪混電能源系統代表了這一方向的最新探索。

數字工程與智能技術將重塑研發模式。基于數字孿生的全流程數字化研發可將研制周期縮短50%以上、工程資源減少三分之二。基于模型的系統工程、人工智能輔助設計、自動化優化算法等技術將廣泛應用于小型發動機研發，大幅降低研發成本和周期。智能控制與健康管理系統可實時監控發動機狀態、優化工作參數、預測剩余壽命，在保證任務可靠性的同時降低維護成本。

5.2 市場布局展望

軍用無人機市場是當前最主要需求來源，全球已有近百個國家和地區擁有軍用無人機，察打一體無人機、無人偵察機、無人作戰飛機、電子戰無人機等多種類型為小型渦扇發動機提供廣闊市場空間。可消耗型無人機概念的普及使低成本動力需求更加迫切。

巡航導彈市場雖單型號采購量有限，但作為戰略威懾力量地位不可替代。高超音速技術發展推動巡航導彈向更高速度、更遠射程演進，低成本可消耗動力仍是基本特征，同時需兼顧高速性能和寬速域工作能力。

民用無人機市場快速興起，工業級無人機在測繪、巡檢、物流、農業等領域應用日益廣泛，對長航時、大載荷能力需求持續增長。小型渦扇發動機可為大型工業無人機提供動力解決方案，拓展作業半徑和任務能力。低空經濟政策逐步放開，城市空中交通、eVTOL飛行器等領域將催生新的動力需求。

公務機與通用航空市場是傳統應用領域，小型渦扇發動機在這一市場的成熟應用為無人機領域提供技術儲備，形成軍民用相互促進的良性循環。中國應堅持自主創新與開放合作并重，突破核心關鍵技術，形成自主可控技術體系，積極參與國際合作，融入全球產業鏈，滿足國防需求的同時拓展民用市場。

六、小型低成本低耗油率渦扇發動機結論

（1）在同等水平總體循環參數與發動機外廓尺寸約束下，方案B（風扇+增壓級+離心壓氣機）比方案A（風扇+斜流-離心組合壓氣機）耗油率更低：設計點降低0.66%，地面非設計點降低1.10%，高空非設計點降低1.18%。與國外典型發動機相比，方案B耗油率較IET單軸渦扇系列降低61.41%，較F415降低45.67%，與長壽命低耗油率FJ44-1C僅相差7.48%，驗證了方案B的低耗油率優勢。

（2）方案B低耗油率的熱力學機理在于增壓級引入改變了功率分配關系，使低壓壓氣機總壓升提高，低壓渦輪做功增加，燃氣焓降增大，排氣損失減少，熱效率提升。方案B在設計點、地面非設計點及高空非設計點熱效率較方案A分別提高2.56%、2.37%和2.64%。

（3）通過一體化結構設計、內嵌式電機、燃油/滑油混合冷卻、短環形回流燃燒室等低成本技術，在保持雙轉子構型熱力學優勢的同時大幅降低制造成本。效費比分析表明，方案B效費比較IET單軸渦扇系列高出12.7%，較FJ44高出101.16%-116.25%，較F415高出11.97%-28.15%，較方案A高出11.7%，實現了低成本與低耗油率的統一。

（4）小型低成本低耗油率雙轉子渦扇發動機在巡航導彈和無人機領域具有廣闊應用前景。未來技術將向構型創新、先進材料工藝、混合動力和數字智能方向發展，市場布局呈現軍用民用并舉、國內國際雙循環的多元化格局。

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