英國下一代戰(zhàn)斗機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)電氣化

■ 劉靜 李明 / 中國航發(fā)研究院

2020年1月9日，羅羅公司宣布將為英國下一代戰(zhàn)斗機(jī)“暴風(fēng)”（Tempest）項(xiàng)目開發(fā)世界一流的電氣技術(shù)，這意味著與“暴風(fēng)”配套的發(fā)動機(jī)將向提供電力與推力的綜合方向發(fā)展。

自20世紀(jì)60年代研制“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)以后，英國就一直沒再獨(dú)立研發(fā)過戰(zhàn)斗機(jī)整機(jī)，但其仍保留了完整的航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)，并牢牢抓住這個軍民用航空裝備領(lǐng)域的“要害”。在此基礎(chǔ)上，英國航空工業(yè)通過持續(xù)研發(fā)新的設(shè)計(jì)、材料、制造等相關(guān)技術(shù)，逐步提升核心能力，根據(jù)需求不斷推出新型發(fā)動機(jī)并進(jìn)行系列化改進(jìn)改型，并將技術(shù)變?yōu)橘Y金，進(jìn)而再投入新的研發(fā)，形成了較好的良性循環(huán)。英國的下一代戰(zhàn)斗機(jī)“暴風(fēng)”項(xiàng)目就是在這種背景下醞釀和發(fā)展的。

英國下一代戰(zhàn)斗機(jī)“暴風(fēng)”

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目

項(xiàng)目概況

多年來，英國和法國一直設(shè)想聯(lián)合發(fā)展一種“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”（FCAS/SCAF），并開展了FCAS關(guān)鍵技術(shù)的先期成熟和演示驗(yàn)證，但受英國脫歐等影響，該項(xiàng)目并未開展太多實(shí)質(zhì)性工作。2018年4月，法國和德國正式啟動FCAS計(jì)劃，定義了一個以“下一代戰(zhàn)斗機(jī)”（NF）為核心、多種元素相互連接協(xié)同的“系統(tǒng)族”，計(jì)劃在2040年前投入使用，用于替換兩國空軍的“臺風(fēng)”和“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)。2018年7月，英國發(fā)布《作戰(zhàn)航空戰(zhàn)略》，要求使英國能在國內(nèi)和全球獲得并保持制空能力，確保作戰(zhàn)優(yōu)勢等；同時公布將啟動下一代戰(zhàn)斗機(jī)“暴風(fēng)”項(xiàng)目，并展示了全尺寸模型。英國希望借此既維持其航空工業(yè)的高端研發(fā)能力，包括隱身技術(shù)、發(fā)動機(jī)、傳感器、航電設(shè)備以及各種先進(jìn)武器；又確保未來一流軍事力量；還能夠在未來戰(zhàn)斗機(jī)市場占據(jù)一席之地。為此，英國政府將在2025年前為“暴風(fēng)”項(xiàng)目投資20億英鎊進(jìn)行相關(guān)研究，工業(yè)界也將提供額外資金。項(xiàng)目計(jì)劃在2025年開始驗(yàn)證機(jī)試飛；若進(jìn)入裝備研制，將在2035年前后交付英國皇家空軍，在2040年取代退役的“臺風(fēng)”。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

“暴風(fēng)”項(xiàng)目由英國國防部和工業(yè)界組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)。國防部人員主要來自英國皇家空軍、國防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室以及國防裝備和保障局等。工業(yè)界主要有4家公司參與：英國BAE系統(tǒng)公司牽頭總體系統(tǒng)與集成，羅羅公司負(fù)責(zé)推進(jìn)系統(tǒng)，意大利萊奧納多公司負(fù)責(zé)綜合傳感器和航電系統(tǒng)，歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)（MBDA）負(fù)責(zé)機(jī)載武器系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)“暴風(fēng)”的快速研制及部署，英國效仿美國創(chuàng)建了皇家空軍快速能力辦公室（RCO），推行敏捷高效的創(chuàng)新采辦。該機(jī)構(gòu)目前為項(xiàng)目引入了下一代可消耗誘餌、集群無人機(jī)及其他能力，未來將進(jìn)一步擴(kuò)大技術(shù)集成選項(xiàng)、擴(kuò)展技術(shù)演示驗(yàn)證規(guī)模。

考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及市場等綜合因素，“暴風(fēng)”項(xiàng)目開始就采用了國際合作的方式，英國持續(xù)邀請國際合作伙伴加入，擬通過技術(shù)互補(bǔ)、資金投入、市場拓展等途徑提高項(xiàng)目質(zhì)量、分?jǐn)傎M(fèi)用降低成本。2019年7月、9月，瑞典、意大利分別正式加入，成為項(xiàng)目國際合作伙伴。

項(xiàng)目進(jìn)展

裝備研發(fā)前，勢必要開展大量可行性論證、技術(shù)風(fēng)險降低類工作，下一代戰(zhàn)斗機(jī)作為一個高度復(fù)雜的航空綜合體，尤為如此。

2018年7月，BAE系統(tǒng)公司獲英國國防部一份1年期合同，繼續(xù)開展“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”項(xiàng)目，主要研究未來“空戰(zhàn)”的概念、需求及其關(guān)鍵技術(shù)，用于定義下一代空戰(zhàn)能力，要求技術(shù)成熟度（TRL）達(dá)到3級，該結(jié)果可用于“暴風(fēng)”項(xiàng)目。截止到2019年10月，英國皇家空軍圍繞“暴風(fēng)”項(xiàng)目已經(jīng)啟動80個計(jì)劃，簽署160份合同，涉及可集成至戰(zhàn)斗機(jī)系統(tǒng)中的各種任務(wù)能力。

2020年，英國將加速項(xiàng)目開發(fā)，4家主要項(xiàng)目參與公司將于2020年12月前完成戰(zhàn)機(jī)性能分析，并計(jì)劃增加參與項(xiàng)目的英國員工人數(shù)由目前的1000人擴(kuò)大到2500人，要求項(xiàng)目在2020年年底前完成對英國未來空戰(zhàn)能力重要性的項(xiàng)目分析，確定“暴風(fēng)”的能力水平、合作方式、成本、交付時間表和采用哪些技術(shù)等內(nèi)容。

2021—2025年，“暴風(fēng)”項(xiàng)目將加速技術(shù)成熟與國際合作。

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)特點(diǎn)

“暴風(fēng)”是單座雙發(fā)戰(zhàn)斗機(jī)，帶傾斜雙垂尾、內(nèi)置彈艙，無平尾；具有菱形機(jī)頭、翼身融合體的后緣呈W形輪廓等特點(diǎn)，與當(dāng)前隱身戰(zhàn)機(jī)有相似之處。作為下一代戰(zhàn)斗機(jī)，“暴風(fēng)”還將集成融合一系列當(dāng)前正在開發(fā)或已經(jīng)應(yīng)用的先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，保證其在未來的領(lǐng)先性。

智能化

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)利用人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可達(dá)到較高的智能化程度。雖采用有人駕駛，但兼具無人自主駕駛的能力，可作僚機(jī)使用，同時還可指揮集群無人機(jī)。通過先進(jìn)的指揮控制系統(tǒng)和動態(tài)傳感器平臺，飛行員將更多地扮演“戰(zhàn)場指揮官”的角色。

信息化

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)特點(diǎn)

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗利用可重構(gòu)通信、傳感器融合等技術(shù)，能夠充分融入作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，與空天地海高帶寬連接組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場360°全向態(tài)勢感知，扮演力量倍增器的角色，形成協(xié)同攻擊和防御的作戰(zhàn)能力。“暴風(fēng)”的組網(wǎng)對象包括戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)、無人僚機(jī)、集群無人機(jī)等空中平臺，以及衛(wèi)星、海上艦艇、地面車輛、機(jī)動部隊(duì)等裝備或人員。

先進(jìn)武器

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)采用內(nèi)置模塊化載荷，可根據(jù)任務(wù)需求配置各種武器，如空空導(dǎo)彈、縱深攻擊巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈等，還可攜帶新型高超聲速導(dǎo)彈，甚至集群無人機(jī)。該機(jī)還計(jì)劃集成定向能武器，如激光、微波或粒子束等，這也是英國設(shè)計(jì)的首個攜帶此類武器的裝備，可顯著增強(qiáng)新機(jī)的攻擊能力。由于具備較強(qiáng)的拓展能力，根據(jù)任務(wù)需求，“暴風(fēng)”未來可扮演多用途作戰(zhàn)平臺的角色。

靈活能力

“暴風(fēng)”采用全虛擬可穿戴式座艙，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）頭盔實(shí)現(xiàn)沉浸式感知駕駛，可根據(jù)飛行員定制并支持快速升級。該機(jī)還將使用分布式、多光譜無源和有源光電和射頻系統(tǒng)，具有對抗網(wǎng)絡(luò)攻擊能力。戰(zhàn)斗機(jī)可靈活集成新的軟硬件系統(tǒng)，支持即插即用，并專門針對未來性能提升進(jìn)行了適應(yīng)性物理架構(gòu)設(shè)計(jì)。

飛發(fā)一體及推進(jìn)系統(tǒng)的電氣化

實(shí)現(xiàn)上述“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)先進(jìn)的技術(shù)特征和能力的關(guān)鍵，在于需要一個強(qiáng)大的動力能源系統(tǒng)作支撐，而現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)均無法滿足這一需求。因此，羅羅公司計(jì)劃設(shè)計(jì)一型全新的發(fā)動機(jī)。新發(fā)動機(jī)的研制一方面注重優(yōu)化與飛機(jī)的一體化設(shè)計(jì)，同時采用革命性的新技術(shù)提高發(fā)動機(jī)自身的能力。

飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)

一是對安裝進(jìn)行優(yōu)化。推進(jìn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上與飛機(jī)平臺氣動匹配，可優(yōu)化平臺總體性能、航程及載荷能力。

二是優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。利用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)作為“熱沉”來回收飛機(jī)平臺周圍的熱能，進(jìn)而省去了機(jī)載通風(fēng)系統(tǒng)，提高整體系統(tǒng)效率，通過大管路來冷卻渦輪和高溫尾氣以及武器艙等飛機(jī)部件。

三是采用智能電力管理系統(tǒng)。增加的發(fā)電能力結(jié)合智能電力管理系統(tǒng)，將不斷滿足飛機(jī)對電力增長的需要。該系統(tǒng)還可減少能量轉(zhuǎn)換裝置數(shù)量，將燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)作為首要動力源的潛力最大化。電力將存儲在大容量機(jī)載電池中，飛機(jī)不需要輔助動力裝置即可自主起動，可進(jìn)一步減輕總體質(zhì)量。

嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)

早在2000年，羅羅公司就曾啟動多電發(fā)動機(jī)的研究計(jì)劃，研究在發(fā)動機(jī)軸上安裝電動機(jī)，用電力系統(tǒng)取代液壓、氣壓系統(tǒng)等。2014年，該公司開始了“嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)”（E2SG）的演示驗(yàn)證項(xiàng)目，即將傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)核心機(jī)完全嵌入起動機(jī)發(fā)電機(jī)，這也是 “暴風(fēng)”項(xiàng)目配套動力的核心技術(shù)。

這種嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)，將磁體結(jié)合在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子上，將線圈置于磁體外側(cè)便形成發(fā)電機(jī)；而當(dāng)外界向線圈供電時，則可帶動轉(zhuǎn)子變成起動機(jī)。磁體同時應(yīng)用于高低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，形成兩個獨(dú)立的起動機(jī)發(fā)電機(jī)。利用這種嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上可拆除常規(guī)置于發(fā)動機(jī)外部的變速齒輪箱、油泵液壓泵、起動機(jī)和發(fā)電機(jī)等相關(guān)附件，進(jìn)而簡化外部結(jié)構(gòu)，減小發(fā)動機(jī)橫截面面積。附件的去除，“中和”了嵌入式電機(jī)系統(tǒng)帶來的質(zhì)量增加。在性能上，可提高發(fā)動機(jī)效率、響應(yīng)速度；在空氣稀薄的高海拔環(huán)境中，可利用該系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的能量提取量，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的喘振裕度。

E2SG主要研究40～150kW系列的起動機(jī)發(fā)電機(jī)，分為三個階段。

飛發(fā)氣動匹配

熱管理系統(tǒng)

綜合電力管理系統(tǒng)

嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)

第一階段，投資綜合電力設(shè)施——一個綜合電測試室，可以讓燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)與直流電路在物理上相連。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開展了在軍用的阿杜爾（Adour）發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)段安裝起動機(jī)發(fā)電機(jī)的一系列試驗(yàn)。得益于在電磁和傳熱兩個領(lǐng)域的創(chuàng)新，雖然封裝在高振動、高溫、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的嚴(yán)酷環(huán)境內(nèi)，但試驗(yàn)驗(yàn)證嵌入式電機(jī)系統(tǒng)能可靠地起動發(fā)動機(jī)并向飛機(jī)供電?；贓2SG項(xiàng)目在阿杜爾發(fā)動機(jī)上開展的試驗(yàn)工作，羅羅公司已開始開發(fā)AE3007發(fā)動機(jī)的嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)，額定功率40kW，用于RQ-4、MQ-4C和MQ-25等無人機(jī)。

第二階段，從2017年開始，主要研究連接低壓軸的第二臺起動機(jī)發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)中的能量存儲系統(tǒng)，以及所有系統(tǒng)間電力供應(yīng)的智能管理能力。項(xiàng)目正在研究在發(fā)動機(jī)的高低壓雙軸上安裝起動機(jī)發(fā)電機(jī)，根據(jù)循環(huán)中高低壓系統(tǒng)載荷的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而改善發(fā)動機(jī)的可操作性、響應(yīng)性和效率等性能。羅羅公司正在研究的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是電力管理智能控制系統(tǒng)，利用AI技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測飛機(jī)的電力供應(yīng)，對滿足電力需求做出智能決策；同時優(yōu)化，包括發(fā)動機(jī)效率在內(nèi)的各種因素，以減少燃油消耗或降低發(fā)動機(jī)工作溫度，延長部件壽命。

第三階段，將新型熱管理系統(tǒng)集成到整個系統(tǒng)，并集成更多的多電發(fā)動機(jī)附件。羅羅公司還打算展示一個先進(jìn)電力與推進(jìn)系統(tǒng)的全尺寸驗(yàn)證機(jī)，其中燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的所有部件都將吸納新技術(shù)，包括達(dá)到更高功率的雙軸嵌入式發(fā)電、先進(jìn)熱管理系統(tǒng)、針對未來戰(zhàn)斗機(jī)工作循環(huán)定制的儲能系統(tǒng)、能夠優(yōu)化燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和電力與熱管理系統(tǒng)之間性能的智能電力管理系統(tǒng)。

隱身設(shè)計(jì)

兩臺發(fā)動機(jī)在布局上都非常靠近飛機(jī)中線，采用S形進(jìn)氣道，探測不到葉片等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，有利于減少飛機(jī)的前向雷達(dá)截面積（RCS）。采用內(nèi)埋式排氣裝置，配合矩形噴管口，并且圓轉(zhuǎn)矩過渡段加強(qiáng)燃?xì)鈸交欤越档椭行臏囟?。壓氣機(jī)引氣降低高溫排氣溫度，抑制紅外輻射。

其他先進(jìn)技術(shù)

為控制飛機(jī)尺寸，設(shè)計(jì)者一般會選擇縮短發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道。但根據(jù)“雷神”無人驗(yàn)證機(jī)經(jīng)驗(yàn)，這樣會引起發(fā)動機(jī)喘振，這就需要抗進(jìn)氣畸變的風(fēng)扇來處理氣體分離等問題。新發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口采用可調(diào)整流葉片和抗畸變的風(fēng)扇系統(tǒng)，具有較高的畸變?nèi)萑潭取?/p>

在碳纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，羅羅公司已取得較大成功，包括在2020年1月開設(shè)了新工廠開展碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造，后續(xù)還將制造復(fù)合材料機(jī)匣，公司還通過增材制造技術(shù)減輕冷卻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。先進(jìn)的復(fù)合材料和增材制造技術(shù)應(yīng)用比例的提升，將有助于發(fā)動機(jī)簡化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、提高推重比。

在維修方面，考慮未來發(fā)動機(jī)的可靠性需要，當(dāng)前的日常目視檢查將改為由機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部開展，減少對檢查窗口的需求。

在提升發(fā)動機(jī)效率方面，羅羅公司于2019年獲得英國皇家空軍快速能力辦公室價值1000萬英鎊、為期兩年的合同，以開展先進(jìn)高馬赫數(shù)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、發(fā)展、分析和試驗(yàn)研究，主要是更好地理解反應(yīng)發(fā)動機(jī)公司（Reaction Engine）的強(qiáng)預(yù)冷技術(shù)，及其在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)上的集成應(yīng)用。未來“暴風(fēng)”發(fā)動機(jī)也可借鑒該技術(shù)，以提高效率、擴(kuò)大飛行包線。

結(jié)束語

發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的核心，這在下一代戰(zhàn)斗機(jī)上表現(xiàn)得尤為突出。下一代發(fā)動機(jī)的推力自然是要滿足超聲速巡航等基本性能要求，但由于未來戰(zhàn)斗機(jī)將攜帶大功率雷達(dá)、大量高功率傳感器與航電設(shè)備，甚至電動操縱面、定向能武器等，將導(dǎo)致飛機(jī)的熱負(fù)荷處理需求、電力的需求都達(dá)到空前水平，發(fā)動機(jī)須在保證推力、隱身等基本前提下滿足飛機(jī)對電、熱等方面的需求。綜上所述，下一代發(fā)動機(jī)將是集飛機(jī)的推力、電力及熱管理為一體的高度耦合系統(tǒng)。