总体丨北航陈敏教授顶刊：自适应循环发动机发展现状及性能设计综述

自适应循环发动机（Adaptive Cycle Engine, ACE）被视为下一代航空器推进系统的关键候选方案。其独特的设计理念一方面能够使发动机能够在高推力模式和低油耗模式之间灵活切换，从而完美适应多样化的飞行任务需求。另一方面，通过主动调节涵道比，能够再发动机节流时保持进口流量不变，从而显著降低进气道溢流阻力。然而，ACE系统中复杂的耦合机制和新型部件的引入，为其性能设计带来了严峻挑战。具体而言，这种挑战主要体现在以下几个方面：首先，多工作模式切换过程中的动态特性控制需要精确的调节策略；其次，新型部件的集成对整机可靠性和稳定性提出了更高要求；最后，性能优化过程中需要权衡多个相互制约的设计指标。这些技术难题的突破对于实现ACE的工程化应用至关重要，同时也推动了航空推进系统设计理论的创新发展。

本研究系统梳理了自适应循环发动机（ACE）的技术发展脉络，其研究历程揭示出相较于传统发动机，ACE在推重比提升、油耗优化及任务适应性等方面展现出显著性能优势。然而，其高昂的研发成本和潜在的技术风险构成了制约发展的关键瓶颈。在此背景下，寻求技术创新与风险控制的最佳平衡点已成为推进ACE技术突破的核心议题。本文将从匹配机理这一根本性问题出发，系统分析ACE的性能特征与优化潜力，并基于性能优化理论和数值缩放技术，深入探讨ACE性能设计中的关键技术难题及其解决方案。

本研究通过系统回顾自适应循环发动机（ACE）的发展现状，从构型分析、性能优化和数值缩放技术的总体性能设计角度深入剖析了提升性能优势与降低技术风险的关键要素：

首先，涵道比调节作为实现ACE变循环特征的核心技术，其关键在于通过性能优化设计发动机可变几何部件的最优控制律，进而使得使发动机能够在全飞行包线内灵活调控流量分配与热力学参数，不仅显著提升了推力性能，同时优化了燃油经济性，为拓展飞行任务边界提供了技术支撑。

其次，新型部件和结构的引入是ACE区别于传统发动机的显著特征。数值缩放技术的应用，在保证计算效率与精度的同时，实现了对新部件与发动机系统匹配关系的精确解析。该方法能够明确部件工作可行域，为部件设计提供了定量化指导，从而有效降低部件-整机迭代的试错成本。

再次，技术成熟度不足是导致ACE开发成本居高不下的重要原因。通过引入非确定性设计框架和稳健设计方法，能够量化设计与制造过程中的不确定性对发动机性能的影响。这种稳健性能设计方法的建立，为在现有技术水平内有效降低开发风险提供了理论依据。

最后，核心派生设计理念是降低ACE开发成本的关键策略。通过对现有核心引擎的改进与复用，充分发挥成熟技术的优势，可显著降低关键技术的研发成本，同时提升开发效率。这种创新性设计理念不仅加速了ACE的工程化进程，也为未来航空发动机技术的发展提供了新的思路。

第一作者：

陈敏，北京航空航天大学能源与动力工程学院教授，博士生导师，现任某涡扇发动机技术验证项目总体方案论证与重要节点把关的评审专家、中国航天科工集团三院重大专项技术专家、中国工程热物理协会气动热力学和能量有效利用专业分委会青年委员。在航空动力系统总体设计与优化、智能设计理论与方法、发动机健康管理算法开发与系统设计等领域开展了具有显著学术及应用价值的研究工作，主持30余项研究课题，含2项国家自然基金，4项国家级重点/重大项目专题。在国内外航空期刊及会议上发表中英文论文60篇；第一完成人获得中国航空学会2014年度科学技术奖二等奖；获2017年北航青年教师教学基本功大赛一等奖,2017年北京市青年教师基本功大赛最佳教案奖，2017年北京市青年教师基本功大赛三等奖；指导学生获2018年、2022年美国AIAA本科生发动机设计大赛冠军。代表性研究成果发表于Aerospace Scienceand Technology, AIAA Journal, ASME J. Gas Turbines Power, Applied Energy,Applied Thermal Engineering等国际航空及能源学术期刊。

通讯作者：

张纪元，北京航空航天大学航空发动机研究院助理研究员，担任院级重大科研项目总师助理，承担先进航空动力创新工作站等科研项目4项。2012年-2022年就读于北京航空航天大学能源与动力工程学院，先后获得学士及博士学位。研究方向为航空发动机总体性能仿真与设计，重点关注自适应循环发动机的总体性能稳健性设计，涉及控制规律稳健性设计、不确定性影响的量化与控制。参与国家自然基金等科研项目8项，发表学术论文10余篇，其中5篇被SCI检索期刊收录，其中4篇发表于Q1区期刊（3篇论文发表于TOP10%期刊，1篇发表于《AIAAJournal》），论文被引次数达100余次。申请一项发明专利，参与2项专著编写。