新一代戰(zhàn)斗機及其動力發(fā)展解析

■ 王鵬 / 中國航發(fā)渦輪院

隨著科技進步和未來戰(zhàn)爭形態(tài)的演變，以美國為首的航空強國已經開始新一代戰(zhàn)斗機的研制競賽，提出了多種有人/無人作戰(zhàn)系統(tǒng)概念方案，相應的動力系統(tǒng)研發(fā)也已如火如荼地展開。

進入21世紀之后，先進戰(zhàn)斗機技術的發(fā)展方向出現(xiàn)了轉變，隱身性能成為現(xiàn)代戰(zhàn)斗機的重要技術指標。但這種技術到目前為止仍未完全普及，目前進入服役狀態(tài)的隱身戰(zhàn)斗機只有美國的F-22、F-35以及中國的殲20，而俄羅斯的蘇-57發(fā)展進度較為緩慢。雖然現(xiàn)代隱身戰(zhàn)斗機距離普及化發(fā)展尚需時日，但是下一代戰(zhàn)斗機的發(fā)展計劃早已開啟，以在未來空中戰(zhàn)場博弈中贏得先機。根據(jù)當前信息分析可以發(fā)現(xiàn)，因為各國航空技術水平及對未來空中作戰(zhàn)形態(tài)的理解不同，下一代戰(zhàn)斗機方案均是以當前技術發(fā)展為基礎，基本的技術特征也存在許多共同點。

下一代戰(zhàn)斗機方案解析

目前，關于下一代戰(zhàn)斗機到底是有人還是無人、具體性能指標包括哪些等問題，不同國家、不同軍種和不同承包商都有著不同的理解，而且隨著戰(zhàn)爭形態(tài)、國家戰(zhàn)略環(huán)境等形勢的變化，不同時期也有著不同的需求和認識。

美國

美國空軍于2016年5月31日正式對外發(fā)布了公開版《空中優(yōu)勢2030飛行規(guī)劃》。這份文件旨在針對2030年強對抗作戰(zhàn)環(huán)境，全面評估美國空軍當前及未來作戰(zhàn)需求，研判能力缺口，從多領域綜合考慮，提出裝備層面和非裝備層面的解決方案。這份文件描述了一種高生存力、高致命性平臺，它可由網絡空間和太空能力做支持，很多人相信這個描述指的就是下一代戰(zhàn)斗機。

為發(fā)展未來戰(zhàn)斗機，2010年11月美國空軍發(fā)布了下一代戰(zhàn)斗機能力征詢書，期望在2030年左右形成初始作戰(zhàn)能力。根據(jù)公開資料，美國洛克希德-馬?。羼R）、波音、諾斯羅普-格魯門（諾格）等公司提出了多種下一代戰(zhàn)斗機方案（見圖1）?？v觀這些方案，均有一個共同的顯著特征——高隱身氣動布局（飛翼式布局、無垂尾、背負式進氣道），這充分說明了美國空軍對隱身性能的更高追求。但這些方案都未能使美國空軍完全滿意，一是研發(fā)成本可能創(chuàng)歷史新高，二是研發(fā)進度無法滿足軍方2030年形成初始作戰(zhàn)能力的目標，三是部分新概念技術效果不如預期且成熟度過低。

最終，美國決定摒棄有關下一代戰(zhàn)斗機特征的討論，將重點放在如何定義穿透性制空的能力上來。目前，美國正在抓緊研制的穿透性制空作戰(zhàn)飛機，雖沒有冠以“下一代戰(zhàn)斗機”的名號，但仍具有超越以往戰(zhàn)斗機的遠航久航、高殺傷力、全向極低隱身等能力，足以構成美國“下一代戰(zhàn)斗機”。

圖2 俄羅斯“鰩魚”無人戰(zhàn)斗機

圖3 俄羅斯公布的米格-41概念圖

俄羅斯

俄羅斯基于降低飛行員培訓費用的出發(fā)點，認為下一代戰(zhàn)斗機必將是無人駕駛的。無人戰(zhàn)斗機可以突破有人飛機對飛機速度、體積和質量等的限制，進一步提升極限作戰(zhàn)性能。早在2005年，俄羅斯米格飛機設計局就展示了下一代戰(zhàn)斗機——“鰩魚”噴氣式隱身無人戰(zhàn)斗機（見圖2）。據(jù)稱，這種戰(zhàn)斗機具備高速、隱身和無人駕駛等特性?！蚌庺~”使用了先進的隱身技術，能悄然突破敵方的防空系統(tǒng)，對重要目標實施攻擊；其發(fā)動機采用扁平噴嘴，減少了熱輻射量，也可規(guī)避敵方的紅外線探測設備；發(fā)動機進氣道被飛機的前翼遮擋，避免被雷達搜索到輻射波；控制板接合部、起落架艙門和機艙門處在幾條平行的線上，大大降低了雷達截面積；沒有水平和垂直尾翼，所有武器都藏于機體內的兩個彈艙中。雖然2012年“鰩魚”無人機項目由于各種原因暫停研發(fā)，但蘇霍伊設計局目前正在研制的“獵人”無人機借鑒了“鰩魚”的部分技術，并移植了蘇-57戰(zhàn)斗機的部分技術。2019年，“獵人”無人機與蘇-57戰(zhàn)斗機完成了首次聯(lián)合飛行。

此外，俄羅斯還透露了另一種下一代戰(zhàn)斗機方案——米格-41（見圖3），可以看出俄羅斯在下一代戰(zhàn)斗機的需求上突出了對速度的追求，結合之前的米格-25、米格-31等型號的特點，可以發(fā)現(xiàn)俄羅斯在戰(zhàn)斗機發(fā)展上，有依托速度提升突防能力的傳統(tǒng)。從戰(zhàn)斗機生存力角度看，隱身和速度是可以相互權衡的兩個因素。速度提高了，對隱身的需求則可以適當降低。同時，根據(jù)相關研究，突防效能與飛行速度基本成線性正比關系，因此飛行速度越高，對突防越有利。

歐洲

2018年4月，法國和德國正式啟動未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)（FCAS）計劃，定義了一個以下一代戰(zhàn)斗機（NF）（見圖4）為核心、多種元素相互連接協(xié)同的“系統(tǒng)族”，計劃在2040年前投入使用，用于替換兩國空軍的“臺風”（Typhoon）和“陣風”（Rafale）戰(zhàn)斗機。其中，法國達索公司為總承包商，空客防務及航天公司為無人僚機和空戰(zhàn)云總承包商。2019年6月，德國與法國聯(lián)合研制的新一代戰(zhàn)斗機全尺寸模型在第53屆巴黎航展首次亮相。

受到英國脫歐影響，英國在參與德國和法國的FCAS項目時遇到阻撓。2018年7月，英國發(fā)布《作戰(zhàn)航空戰(zhàn)略》，要求使英國能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“暴風”（Tempest）項目。在2018年7月第51屆英國范堡羅航展上，英國發(fā)布了“暴風”全尺寸模型，采用雙發(fā)設計，具有傾斜雙垂尾。相關資料表明，相對于低成本和簡單性等方面，“暴風”更優(yōu)先考慮續(xù)航能力和無空中加油航程，并采用有人駕駛，同時還可能作為無人機使用，即可選無人駕駛方案。作為“暴風”戰(zhàn)斗機發(fā)動機承包商，羅羅公司從2015年就開始針對下一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機展開技術開發(fā)與驗證，其目標是提供更加智能、能提供更多功率提取的多電發(fā)動機，以滿足先進機載電子設備和定向能武器的需求。

然而，歐洲的“鷹獅”“臺風”和“陣風”3型戰(zhàn)斗機并行發(fā)展、市場份額均不理想、技術也未能領先的歷史經驗讓部分歐洲國家意識到，歐洲無法承擔同時開展兩個先進戰(zhàn)斗機研發(fā)項目所需的巨額成本，潛在市場也極為有限。為避免重蹈覆轍，空客公司于2020年6月16日表示，希望與英國在2020年12月31日完成脫歐貿易協(xié)定談判后，深入討論將法國、德國、西班牙3國聯(lián)合研發(fā)的FCAS項目與英國、瑞典、意大利聯(lián)合研發(fā)的“暴風”戰(zhàn)斗機項目進行合并的可能性。

圖4 德國和法國聯(lián)合研制的下一代戰(zhàn)斗機（NF）概念圖（來源：達索公司）

圖5 日本F-X戰(zhàn)斗機概念圖

日本

日本在下一代戰(zhàn)斗機的研發(fā)上也不甘落后。日本首架國產隱身戰(zhàn)斗機的樣機——先進技術驗證機TDX“心神”于2015年試飛，日本計劃在其技術基礎上發(fā)展下一代戰(zhàn)斗機F-X（見圖5），并計劃于2035年服役。日本對下一代戰(zhàn)斗機的定義為首先發(fā)現(xiàn)、首先攻擊、首先摧毀，這點與歐美不同，并提出了以信息化、智能化、敏捷性為代表的下一代戰(zhàn)斗機的日本概念。據(jù)防務新聞網站10月31日報道，日本已選定三菱重工作為該國新一代戰(zhàn)斗機的主要承包商，并計劃選擇海外合作伙伴進行技術合作，尤其是開展隱形技術研發(fā)合作。

總體趨勢

綜上所述，雖然各國對下一代戰(zhàn)斗機的定位有所不同，但是從當前的技術發(fā)展來看，下一代戰(zhàn)斗機的基本技術特征已表現(xiàn)出一些共性趨勢。即通過全新的一體化機體設計，采用新型先進動力和智能化飛行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)飛機在各種任務環(huán)境下的高隱身性、高機動性和長續(xù)航，并能夠適應未來聯(lián)合作戰(zhàn)概念和多域戰(zhàn)對時時在網、高度互聯(lián)的需求，并且能夠提供滿足定向能武器需求的能量。

鑒于不同軍種、不同作戰(zhàn)場景下的不同需求，下一代戰(zhàn)斗機還可能具有有人和無人兩個版本或者可選無人駕駛。此外，人工智能也將是下一代戰(zhàn)斗機應用的核心技術之一。借助人工智能技術，戰(zhàn)斗機可以自主感知作戰(zhàn)環(huán)境并進行作戰(zhàn)姿態(tài)調整，還可以對目標進行自主分析，在無人工介入的情況下，完成對威脅較大的目標的攻擊選擇，最終實現(xiàn)在各種不同作戰(zhàn)任務之間的敏捷切換。

下一代戰(zhàn)斗機動力技術

下一代戰(zhàn)斗機的關鍵技術包括飛機氣動設計技術、動力技術、材料技術、控制技術等。其中，動力技術是制約未來戰(zhàn)斗機向更快、更高和更遠發(fā)展的關鍵要素。通過對下一代戰(zhàn)斗機的需求分析，可以總結出下一代戰(zhàn)斗機動力技術發(fā)展的主要趨勢。

機動性優(yōu)先級低于續(xù)航和掛載能力

為滿足戰(zhàn)爭需要，美國軍方要求下一代戰(zhàn)斗機不僅要具有高空高速性能，而且要具有機動、敏捷和隱身等方面的性能。波音和洛馬公司發(fā)布的下一代戰(zhàn)斗機概念都采用了無尾或V形尾翼結構，可以滿足作戰(zhàn)常規(guī)機動性、過失速機動性、敏捷性、短距起降、超聲速巡航、隱身等性能需求的推力矢量無疑成為提高戰(zhàn)斗機機動能力的重要支撐。

然而，隨著遠程武器的發(fā)展，未來空軍基地和航空母艦等基地設施可能更易受導彈等的攻擊，因此，未來戰(zhàn)斗機需要具備更強的遠航和武器掛載能力，確保在基地被毀或航空母艦停留在更遠安全距離時仍能執(zhí)行作戰(zhàn)任務，同時能應對導彈威脅。而這勢必以犧牲自身的機動性為代價。根據(jù)美國空軍的預計，未來在可視距離范圍內的空戰(zhàn)將越來越少，因此將以機動性的權衡來換取可持續(xù)的高速度和更大的有效載荷。

變循環(huán)發(fā)動機

變循環(huán)發(fā)動機（VCE）技術是新一代戰(zhàn)斗機中應用潛力巨大的動力技術之一，其特點是通過改變發(fā)動機一些部件的幾何形狀、尺寸或位置來改變熱力循環(huán)。美國在通用經濟可承受先進渦輪發(fā)動機（VAATE）計劃下，實施了一項名為自適應通用發(fā)動機技術（ADVENT）的子計劃，用于驗證變循環(huán)發(fā)動機來滿足不同飛行器平臺，包括超聲速、亞聲速的攻擊/運輸及情報、監(jiān)視和偵察（ISR）平臺，以滿足未來對動力裝置多用途、低成本的要求。ADVENT 及后續(xù)的自適應發(fā)動機技術發(fā)展（AETD）和自適應發(fā)動機轉化項目（AETP）都集中在通過采用自適應風扇調節(jié)發(fā)動機低壓轉子來達到多用途能力，而2016年啟動的空中優(yōu)勢自適應推進技術（ADAPT）計劃則更關注發(fā)展高壓轉子的自適應結構，以及將核心機與發(fā)動機的整體變循環(huán)工作特性相結合的方法。

近30年來，除美國以外的其他航空發(fā)動機公司，如英國的羅羅公司、法國的賽峰集團、日本的工業(yè)科學與技術研究所等，也在不斷地進行變循環(huán)發(fā)動機概念設計和方案設計研究并進行試驗驗證，取得了一定的研究成果。進入20世紀90 年代后，美國、歐洲和日本又掀起研究超聲速和高超聲速推進系統(tǒng)的熱潮，其中都涉及到變循環(huán)發(fā)動機的相關技術研究。

關鍵技術——動力與熱管理系統(tǒng)

動力與熱管理系統(tǒng)對提升戰(zhàn)斗機性能和降低成本起著關鍵作用。動力與熱管理系統(tǒng)是一種綜合機電系統(tǒng)，將傳統(tǒng)上分立的輔助動力系統(tǒng)、應急動力系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)的熱管理功能綜合為一個系統(tǒng)，其雛形是“熱/能量管理組件”（T/EMM）。與傳統(tǒng)機電系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)中同一渦輪機械既用于輔助動力系統(tǒng)和應急動力系統(tǒng)發(fā)電，又用于環(huán)境控制系統(tǒng)冷卻和熱管理，不僅可減少系統(tǒng)質量和體積，還可提高可靠性和效率，同時又降低了成本。

2015年8月，美國空軍研究實驗室（AFRL）動力與控制部機械與熱系統(tǒng)分部發(fā)布了題為“混合循環(huán)動力與熱管理系統(tǒng)”的跨部門公告，向美國工業(yè)界征詢關于下一代戰(zhàn)斗機動力與熱管理系統(tǒng)的系統(tǒng)級解決方案。美國空軍在公告中指出，下一代戰(zhàn)斗機可能要求具備前所未有的先進能力，以保持對抗環(huán)境中的空中優(yōu)勢。這些能力包括先進電子攻擊、高功率激光器和低可探測性，所要求的電功率比目前戰(zhàn)斗機的機上發(fā)電能力高10倍以上。同時，對于未來的大功耗軍機而言，熱管理可能是比發(fā)電更需關注的問題?，F(xiàn)代飛機廣泛采用復合材料蒙皮、高效率發(fā)動機、深度嵌入式的機載系統(tǒng)，對飛機熱管理提出了嚴峻挑戰(zhàn)。此外，機上不同負載的工作周期差異相當大，有的在整個任務過程中連續(xù)工作，而有的運行時間只占任務執(zhí)行時間的5%，對熱管理系統(tǒng)的自適應性提出了較高的要求。

推進系統(tǒng)電氣化

為盡快實現(xiàn)先進機載電子系統(tǒng)和定向能武器在下一代戰(zhàn)斗機上的應用，各國都在嘗試通過不同的技術方案實現(xiàn)推進系統(tǒng)的電氣化，以滿足更大的功率提取需求。

圖6 安裝CMC葉片的F414驗證發(fā)動機

2002—2008年，歐洲43家航空工業(yè)組織共同開展了動力優(yōu)化飛機（POA）技術項目，其中羅羅公司為POA項目建立了發(fā)動機系統(tǒng)驗證平臺（ESVR），通過試驗驗證了多電發(fā)動機技術的可行性。EVSR用新型電氣系統(tǒng)代替了所有傳統(tǒng)的用齒輪箱驅動的系統(tǒng)，并采用了嵌入式發(fā)電機方案。2014年，該公司開始了嵌入式電起動機發(fā)電機（E2SG）的演示驗證項目，即在傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機核心機中完全嵌入起動機發(fā)電機，這也是 “暴風”項目配套動力的核心技術。該方案在節(jié)省空間的同時，還可以為未來戰(zhàn)斗機提供所需的大量電能，同時規(guī)避了傳統(tǒng)發(fā)動機通過其下方齒輪箱產生功率驅動發(fā)電機所帶來的活動件數(shù)量變多、復雜度增加、機體變大等不利于飛機隱身的缺點。2017年，E2SG驗證機項目啟動第二階段，將另一個電動機與發(fā)動機其他轉子連接，還在電網中加入了一個儲電系統(tǒng)，可以智能管理所有系統(tǒng)間的電力供應。

同時，美國空軍對于2035年左右的戰(zhàn)斗機期望是配備激光武器，這種武器所需的功率遠超當前燃氣渦輪發(fā)動機能夠達到的水平。從此需求出發(fā)，IHPTET和VAATE計劃的研究成果也不能滿足功率水平要求。因此，哪怕VAATE計劃尚未結束，美國空軍也迫不及待地在2016年對外披露了為期20年的頂層規(guī)劃支持經濟可承受任務的先進渦輪發(fā)動機技術（ATTAM）計劃，并隨后迅速展開招標工作。ATTAM計劃的重點是實現(xiàn)航空推進系統(tǒng)與機載電力系統(tǒng)的集成。

大量應用復合材料

相關研究表明，下一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的推重比大約會在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機發(fā)動機推重比的基礎上翻一番，達到15 ～20∶1。為了實現(xiàn)這一目標，渦輪前溫度將大幅提高。同時，壓氣機壓比也要在現(xiàn)有基礎上有所提升，但從輕量化考慮，下一代發(fā)動機要求壓氣機級數(shù)進一步減少，這意味著壓氣機材料需要具有質量輕、強度高的特性。這些新的性能要求必須通過新材料應用才可實現(xiàn)。復合材料具有質量輕、強度高的特點，其中陶瓷基復合材料（CMC）還具有顯著的耐高溫特性，被認為是實現(xiàn)下一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的關鍵材料。

GE公司認為其在下一代發(fā)動機競爭中的王牌，就是對輕質耐熱CMC的大量應用。F136只在第三級渦輪導向器采用了CMC，而現(xiàn)在CMC將被用在從燃燒室到低壓渦輪的整個熱端部件上，包括旋轉件。2014年在F414發(fā)動機上成功驗證了CMC在旋轉件上的應用（見圖6）。

結束語

隨著科技的進步，未來戰(zhàn)爭形態(tài)必然發(fā)生巨大的變化，電子戰(zhàn)、集群作戰(zhàn)等新作戰(zhàn)形式層出不窮。為了解決未來作戰(zhàn)需求，保持制空優(yōu)勢，以美國為代表的航空強國在現(xiàn)代戰(zhàn)斗機尚未普及裝備的情況下，積極開展下一代戰(zhàn)斗機的研制競爭。

美國已提出了多種下一代戰(zhàn)斗機概念方案，但究竟選擇哪一種方案，目前尚無定論。值得注意的是，雖然飛機方案尚未確定，據(jù)《航空周刊》消息，美國下一代發(fā)動機驗證機XA100/101將于2021年開始地面試驗。動力先行是美國一貫保持的研發(fā)思路，不管未來戰(zhàn)斗機何時成形，擬采用的動力裝置技術研究工作早已展開。超前開展的一系列發(fā)動機技術預先研究計劃的成果，為美國下一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的研發(fā)奠定了堅實的基礎。

隨著近20 年來我國對航空領域投資力度的加大和許多重大關鍵技術的突破，為了進一步縮小與發(fā)達國家的差距，我們也應當同步開始探索發(fā)展下一代戰(zhàn)斗機，尤其是加快開展下一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的研發(fā)。