下一代戰(zhàn)斗機(jī)動力裝置發(fā)展進(jìn)入新階段

■ 李明/中國航發(fā)研究院 李炎/中國航發(fā)動研所

戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)是航空動力技術(shù)的制高點(diǎn)。下一代戰(zhàn)斗機(jī)的動力裝置或?qū)⒉捎米冄h(huán)技術(shù)，并在關(guān)注傳統(tǒng)的推力指標(biāo)的同時，將更加重視包括大功率提取、電氣化、整機(jī)冷卻等綜合能量管理能力，并兼顧燃油經(jīng)濟(jì)性。

新年伊始，美歐紛紛公布了下一代戰(zhàn)斗機(jī)動力的最新進(jìn)展及未來重點(diǎn)。美國啟動F-35A換裝自適應(yīng)發(fā)動機(jī)項目的前期調(diào)研，英國與日本確定合作研發(fā)各自下一代戰(zhàn)斗機(jī)動力的驗證機(jī)，法國與德國完成“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”（FCAS）動力的關(guān)鍵技術(shù)測試。種種跡象表明，下一代戰(zhàn)斗機(jī)動力的發(fā)展已進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段。

美國啟動F-35A換裝自適應(yīng)發(fā)動機(jī)調(diào)研

2022年1月27日，美國國防部、空軍、空軍物資司令部（AFMC）、空軍全生命周期管理中心（AFLCMC）、推進(jìn)采購部（LPA）聯(lián)合發(fā)布信息征詢書（RFI），面向全球工業(yè)界開展關(guān)于“F-35換裝自適應(yīng)發(fā)動機(jī)”（FAER）項目的市場調(diào)研，要求各方在2月28日前提交反饋信息，并表示這將有助于確定市場提供完整推進(jìn)系統(tǒng)（如發(fā)動機(jī)和相關(guān)部件）的能力。推進(jìn)系統(tǒng)可以完全集成到F-35A中，并滿足推進(jìn)系統(tǒng)和飛機(jī)生產(chǎn)交付的時間表。FAER項目的目標(biāo)是完成自適應(yīng)發(fā)動機(jī)過渡項目（AETP）的工程與制造發(fā)展（EMD）階段。雖然官方宣稱征詢書僅用于規(guī)劃目的，但此舉標(biāo)志著這項已開展15年、耗資40億美元的旨在為戰(zhàn)斗機(jī)配裝三涵道架構(gòu)自適應(yīng)發(fā)動機(jī)的項目又前進(jìn)了一步。

美國下一代戰(zhàn)斗機(jī)概念

項目調(diào)研內(nèi)容

FAER項目調(diào)研內(nèi)容主要包括企業(yè)基本信息、項目實(shí)施計劃、飛行試驗、合同授予事項、風(fēng)險分析、維修保障及未來工作等7方面，共計25類問題，需要企業(yè)答復(fù)，綜合歸納如下。

一是企業(yè)基本信息。企業(yè)名稱、地址、聯(lián)系方式、近期相關(guān)經(jīng)驗，計劃合作和分包安排及以往與其合作經(jīng)歷，企業(yè)性質(zhì)、規(guī)模，本土還是外國企業(yè)。

二是項目實(shí)施計劃。計劃內(nèi)容包括：在進(jìn)入2028財年低速率初始生產(chǎn)（LRIP）前，F(xiàn)AER項目需要完成哪些零部件級、整機(jī)級的地面和飛行試驗；其中地面試驗需要多少臺發(fā)動機(jī)；如何處理完成試驗所需的大量材料；若在合同授出10個月內(nèi)，開展全尺寸發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計評審（CDR），存在哪些限制因素；FAER項目中5項最重要的成本要素是什么，企業(yè)如何降低成本；為達(dá)到項目要求，推進(jìn)系統(tǒng)要應(yīng)用在F-35A，企業(yè)打算采用哪種自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)；介紹發(fā)動機(jī)使用和維護(hù)需要的特殊支撐設(shè)備、特殊工具及其他任何支撐物品，闡明支撐設(shè)備的類型和數(shù)量。

三是飛行試驗。完成FAER項目需要多少臺發(fā)動機(jī)、多少架飛機(jī)、開展多少架次試驗；在FAER項目進(jìn)入低速率初始生產(chǎn)前，預(yù)期包含多少平臺集成，如硬件或軟件接口；為確保FAER項目在2028財年進(jìn)入低速率初始生產(chǎn)，需要解決哪些發(fā)動機(jī)技術(shù)風(fēng)險；為確保FAER項目在2029財年前準(zhǔn)備好生產(chǎn)，增材制造領(lǐng)域需要哪些成熟技術(shù)。

GE公司的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)驗證機(jī)XA100

普惠公司的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)驗證機(jī)XA101

四是合同授予事項。建議FAER項目采用哪種合同以及原因，建議何種激勵以及衡量標(biāo)準(zhǔn)；FAER作為一個保密的項目，這意味著什么；對價格選項有何提議；企業(yè)的生產(chǎn)線能力是否能滿足要求，如果滿足要求，是否存在限制因素；企業(yè)與F-35主承包商洛克希德-馬丁（洛馬）公司合作的經(jīng)驗或關(guān)系。

五是風(fēng)險分析。是否準(zhǔn)備好能在2024財年第一季度簽署合同，包括人員、能力、設(shè)施、設(shè)備等方面；FAER項目能否加速到5年以內(nèi)，如果可以，存在哪些風(fēng)險；發(fā)動機(jī)的海平面試驗和高空試驗，需要哪些設(shè)施及能力。

六是維護(hù)保障。為FAER項目制訂的未來維護(hù)方案，支撐兩級或三級維修策略，包括建立集中式中間維修設(shè)施（CIRF）是否存在挑戰(zhàn)；在低速率初始生產(chǎn)之前，有無規(guī)劃活動執(zhí)行，確保選定的方案能在需要時就緒。

七是未來工作。企業(yè)在供應(yīng)商基礎(chǔ)方面是否存在影響FAER項目的挑戰(zhàn)。

項目關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

根據(jù)信息征詢書可知，該項目被確定為保密項目，合同將在2024財年第一季度授出，自適應(yīng)發(fā)動機(jī)將在2028財年進(jìn)入LRIP，企業(yè)要確保在2029財年做好生產(chǎn)準(zhǔn)備。雖然征詢書是全球公開發(fā)布，但其目標(biāo)對象就是前期一直從事自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)研究的兩家本國企業(yè)——GE公司和普惠公司。

項目分析

F135雖是當(dāng)前在役的最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)，截至2022年1月已生產(chǎn)900多臺，配裝750多架F-35，但一直受設(shè)計問題、備件短缺以及維修能力不足等諸事困擾，導(dǎo)致F-35停飛事件時有發(fā)生，如2021年9月美國空軍的46架F-35A停飛。此外，圍繞近期一系列F-35墜毀的爭議，美國軍方還必須解決安全問題，發(fā)動機(jī)升級似乎也成為其中的一部分。美國國防部希望在降低F-35的發(fā)動機(jī)成本的同時支持最新的第4批次升級，能攜帶更多有效載荷和武器以及更先進(jìn)的傳感器和電子設(shè)備，這需要提高發(fā)動機(jī)的推力、功率提取及熱管理能力，而當(dāng)前使用的F135發(fā)動機(jī)難以滿足需求。根據(jù)會議版2022年國防授權(quán)法案（NDAA）描述，美國國會要求從2027年開始在當(dāng)前和未來的F-35上安裝新發(fā)動機(jī)，并要求空軍與國防部聯(lián)合對此制訂一項計劃。其中，F(xiàn)-35A采用AETP發(fā)動機(jī)；而F-35B和F-35C是采用AETP的衍生型還是普惠公司一直推崇的F135“增強(qiáng)型發(fā)動機(jī)套件”（EEP），仍持開放態(tài)度。

FAER旨在完成AETP的工程與 制 造 發(fā) 展（EMD）。AETP建 立在前期“自適應(yīng)通用發(fā)動機(jī)技術(shù)”（ADVENT）計劃、自適應(yīng)發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展（AETD）項目等系列技術(shù)工作基礎(chǔ)上，目標(biāo)是在2017—2022年完成自適應(yīng)發(fā)動機(jī)工程驗證機(jī)的詳細(xì)設(shè)計、制造和試驗評估。與F135發(fā)動機(jī)相比，AETP發(fā)動機(jī)的燃油效率提高25%，凈推力增大5%，加力推力增大10%，航程延長30%，熱管理能力顯著提升，滿足未來戰(zhàn)斗機(jī)上新型傳感器和定向能武器的巨大功率需求。

AETP由GE公司和普惠公司各自承擔(dān)，分別研制名為XA100、XA101的驗證機(jī)，合同金額分別為9.2億美元和8.7億美元。GE公司在2019年2月完成XA100詳細(xì)設(shè)計；2021年5月完成首臺XA100高空臺測試，達(dá)到所有測試目標(biāo)并超出預(yù)期；同年8月開始第二臺的測試，并于12月完成了第一階段測試，第二階段測試將于2022年第一季度在美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）進(jìn)行。普惠公司在2019年9月完成XA101的詳細(xì)設(shè)計評審，2021年開展了首臺XA101的測試工作。兩型驗證機(jī)已經(jīng)通過數(shù)字適配的方式與F-35進(jìn)行了集成測試，美國空軍計劃在2022財年初開始測試AETP的原型機(jī)。

AETP預(yù)計將在2022年完成，F(xiàn)AER項目可認(rèn)為是AETP的后續(xù)，借此持續(xù)推動自適應(yīng)技術(shù)的成熟，預(yù)計AETP發(fā)動機(jī)將于2027—2029年開始配裝F-35A，這也是技術(shù)發(fā)展的使然，是技術(shù)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用的一種方式。

英日聯(lián)合研發(fā)下一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)驗證機(jī)

2021年12月，英國羅羅公司宣布將與日本石川島播磨重工（IHI）聯(lián)合開發(fā)和交付未來的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)演示驗證機(jī)，預(yù)計于2022年年初正式啟動。兩公司將在2026年之前一直致力于驗證機(jī)開發(fā)，屆時再做出有關(guān)進(jìn)入完整開發(fā)計劃的關(guān)鍵決定。該項目發(fā)展的發(fā)動機(jī)可能將是兩國未來戰(zhàn)斗機(jī)的唯一動力。英國曾在2018年啟動下一代戰(zhàn)斗機(jī)“暴風(fēng)”項目，計劃在2025年開始驗證機(jī)試飛，2035年前后交付英國皇家空軍，2040年取代退役的“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)。日本在2020年確定開發(fā)下一代戰(zhàn)斗機(jī)F-X，計劃2024年開始制造原型機(jī)，2028年左右首飛，2031年批量生產(chǎn)，2035年起正式列裝服役。

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)的動力與推進(jìn)系統(tǒng)

項目特點(diǎn)及分工

雖然兩家公司沒有透露發(fā)動機(jī)將采用什么方案，但驗證機(jī)的工作將集中在推進(jìn)與動力/電力的聯(lián)合應(yīng)用。關(guān)鍵是能為飛機(jī)任務(wù)系統(tǒng)和傳感器的運(yùn)行提供大量電力，甚至為使用定向能武器鋪平道路。預(yù)計這兩型飛機(jī)都將采用隱身技術(shù)，發(fā)動機(jī)勢必會被深埋在飛機(jī)中，要求發(fā)動機(jī)體積更小但推力更大，能在更高的溫度下運(yùn)行，需要先進(jìn)的材料技術(shù)和熱管理能力；也可能采用推力矢量技術(shù)。驗證機(jī)將結(jié)合英國“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)技術(shù)倡議”（FCAS TI）開發(fā)的技術(shù)和IHI公司的XF9-1試驗型發(fā)動機(jī)驗證的技術(shù)。

羅羅公司為支持FCAS TI而開發(fā)和測試的發(fā)動機(jī)技術(shù)中，目前只公開了“嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)”（E2SG）技術(shù)，并在阿杜爾（Adour）發(fā)動機(jī)上開展了試驗。羅羅公司將試驗新的數(shù)字設(shè)計工具和先進(jìn)制造工藝，以加快開發(fā)速度，優(yōu)化開發(fā)時間和成本，并表示這些方法可以將新組件的設(shè)計從幾個月或幾年縮短至幾周。羅羅公司已經(jīng)證明其可以在5年內(nèi)開發(fā)出新型商用發(fā)動機(jī)的能力，并有信心在軍用發(fā)動機(jī)領(lǐng)域也能做到這點(diǎn)。對于是否采用自適應(yīng)技術(shù)，羅羅公司表示提供變循環(huán)能力“有多種形式”，公司也正在繼續(xù)探索。

嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)

XF9-1發(fā)動機(jī)和新一代戰(zhàn)斗機(jī)F-X

IHI自2018年以來一直在測試其新型大推力軍用航空動力XF9-1原型機(jī)，包括地面測試和高空臺測試。該發(fā)動機(jī)推力108kN，加力推力147kN，渦輪前最高溫度1800℃，長度4.8m，直徑1m。從典型指標(biāo)看，其性能與普惠公司的F119發(fā)動機(jī)相當(dāng)，而體積相對較小，較小的發(fā)動機(jī)體積意味著更多的燃油空間或更大的有效載荷艙以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗持久性。IHI一直在發(fā)展推力矢量噴管技術(shù)，還在開發(fā)可嵌入航空發(fā)動機(jī)的大功率電機(jī)，并在2020年的地面測試中達(dá)到了250kW的額定輸出。

XF9-1是日本航空業(yè)的歷史性突破，集成了日本過去幾十年培育的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)技術(shù)，提高了其在整機(jī)研制方面的能力。羅羅公司也表示XF9-1具有可以加入到新驗證機(jī)項目的能力。同時，日本在材料方面的突出能力也得到了羅羅公司的認(rèn)可，尤其是在陶瓷基復(fù)合材料、耐熱高溫合金和發(fā)動機(jī)電子設(shè)備的開發(fā)。

項目分析

雖然英日兩國的未來戰(zhàn)斗機(jī)平臺對航程、速度的要求不盡相同，但使用相同的動力裝置在技術(shù)上是可行的。早在20世紀(jì)80年代，兩公司就共同參與了大型民用渦扇發(fā)動機(jī)V2500的開發(fā)和生產(chǎn)。自2020年以來，兩國一直在探索如何合作，形成技術(shù)互補(bǔ)。項目如果成功，“暴風(fēng)”和F-X兩型戰(zhàn)斗機(jī)通用的動力裝置可節(jié)省數(shù)億美元成本。此次合作意味著英國轉(zhuǎn)向亞太地區(qū)，以及日本將其防務(wù)合作關(guān)系擴(kuò)大到傳統(tǒng)盟友美國之外。

法德“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”發(fā)動機(jī)開展關(guān)鍵技術(shù)研究

2022年1月10日，法國國防部武器裝備局（DGA）宣布對下一代歐洲戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)（NEFE）技術(shù)開展了重大測試，支撐未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)（FCAS/SCAF）項目戰(zhàn)斗機(jī)的動力開發(fā)。未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)項目于2019年啟動的前瞻性系統(tǒng)，由法國、德國和西班牙聯(lián)合開展并由DGA主承包，計劃于2035年首飛，2040年投入使用，旨在取代這些國家當(dāng)前使用的戰(zhàn)斗機(jī)，滿足未來空中優(yōu)勢需求，其核心包括下一代戰(zhàn)斗機(jī)（NGF）。NGF預(yù)計將是一種大型雙發(fā)隱身戰(zhàn)斗機(jī)，約30t，能夠介入競爭激烈的空域，奪得制空權(quán)以確?？罩袃?yōu)勢，需要時可投放核武器。NGF的演示驗證機(jī)采用M88發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型，由法國賽峰集團(tuán)與德國MTU公司新組建的歐洲軍用發(fā)動機(jī)團(tuán)隊（EUMET）負(fù)責(zé)研制，西班牙ITP公司作為EUMET的主要合作伙伴參與。賽峰集團(tuán)負(fù)責(zé)整體設(shè)計集成和熱端部件開發(fā)；MTU公司負(fù)責(zé)冷端部件，并提供維護(hù)、修理和大修（MRO）服務(wù)；ITP公司負(fù)責(zé)開發(fā)低壓渦輪和噴管等工作。

歐洲下一代戰(zhàn)斗機(jī)

Turenne項目開發(fā)的高壓渦輪

集成了新型高壓渦輪的原型機(jī)在DGA試驗臺上測試

動力分析

NEFE發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊、質(zhì)量更輕，推力約120kN，渦輪前溫度可能達(dá)到1827℃，預(yù)計還會采用變循環(huán)技術(shù)，目標(biāo)是在超聲速下保持高推力并減少低空巡航時的油耗，同時第三涵道氣流還能為航電設(shè)備提供額外的冷卻。發(fā)動機(jī)將采用矢量噴管，便于飛機(jī)操縱；還會探索混合電推進(jìn)技術(shù)以進(jìn)行機(jī)載能量管理。對現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)而言，航電設(shè)備及系統(tǒng)冷卻的功率和熱/能量管理可能比推力更重要。

項目進(jìn)展

較高的渦輪前溫度對發(fā)動機(jī)至關(guān)重要，DGA在2015年啟動渦輪葉片研究（Turenne）項目，包含兩個階段，由賽峰集團(tuán)開展，擬到2025年使渦輪前溫度比“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)用M88發(fā)動機(jī)提升250℃。賽峰集團(tuán)計劃于2027年在改進(jìn)型M88發(fā)動機(jī)上驗證相關(guān)技術(shù)。

第一階段持續(xù)了5年，開展新渦輪的現(xiàn)代流程設(shè)計、數(shù)字化試驗以及生產(chǎn)制造，包括可擴(kuò)展的數(shù)字模型、三維數(shù)值模擬、數(shù)字化設(shè)計的新型金屬合金，并使用3D打印樣件，還獲得了國際專利。

第二階段從2019年開始，賽峰集團(tuán)被授予1.3億美元，高壓渦輪被集成至M88發(fā)動機(jī)。測試中使用熱敏涂料示溫技術(shù)，將實(shí)際高壓渦輪葉片熱譜圖與第一階段數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。之后發(fā)動機(jī)將在DGA的推進(jìn)試驗臺上進(jìn)行數(shù)月的耐久性測試，目的是對這些新渦輪葉片實(shí)施加速老化，以驗證其使用壽命及其在長時間內(nèi)保持高性能運(yùn)行的能力。

2021年，法國國防部還啟動了加速開發(fā)用于新渦輪的合金和多層材料系統(tǒng)（ADAMANT）研究項目，由DGA與法國國家航空航天研究院（ONERA）和賽峰集團(tuán)合作開展，目的是研發(fā)用于渦輪葉片和渦輪盤的新一代耐高溫金屬材料和陶瓷基復(fù)合材料。

結(jié)束語

美國在新一代戰(zhàn)斗機(jī)動力方面的發(fā)展可謂一騎絕塵，自適應(yīng)發(fā)動機(jī)即將進(jìn)入工程與制造發(fā)展階段，本世紀(jì)20年代末大概率會擁有自適應(yīng)的XA100、XA101和加強(qiáng)版的F135，可能會引起未來的戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)方式的變革。歐洲在大型航空裝備研發(fā)上有聯(lián)合的傳統(tǒng)，主要考慮技術(shù)難度和未來市場等綜合因素，法德兩國珠聯(lián)璧合，確定了下一代動力的發(fā)展路線，并完成了部分關(guān)鍵技術(shù)的研究驗證。脫歐后的英國更加特立獨(dú)行，但一直將航空動力技術(shù)視為看家本領(lǐng)、引領(lǐng)本國未來繁榮的關(guān)鍵，羅羅公司的出口值能占全國的2%，公司業(yè)務(wù)占全國GDP的0.6%，下一代動力無疑是其發(fā)展的重中之重，與日本聯(lián)合則屬錦上添花，意在出口市場。