美國(guó)空軍自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

李輝　陳宇

目前，美國(guó)空軍戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正在進(jìn)行“規(guī)則改變者”式的發(fā)展改革，空軍研究實(shí)驗(yàn)室與普拉特·惠特尼、通用電氣航空公司等發(fā)動(dòng)機(jī)制造商啟動(dòng)的研發(fā)項(xiàng)目，目標(biāo)都是提高速度和航程、降低對(duì)加油機(jī)的依賴，同時(shí)創(chuàng)新空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)，確保美軍未來(lái)的空中優(yōu)勢(shì)。

軍用航發(fā)的巨大進(jìn)步

美國(guó)空軍計(jì)劃，到2021年通過建造和測(cè)試適飛的發(fā)動(dòng)機(jī)，使下一代戰(zhàn)斗機(jī)增加30%的航程，提供足夠的能量用來(lái)發(fā)射機(jī)載定向能武器，同時(shí)利用先進(jìn)的冷卻技術(shù)改善戰(zhàn)斗機(jī)的隱身性能。在這三大優(yōu)勢(shì)之外，美軍還希望新一代發(fā)動(dòng)機(jī)促進(jìn)F-35聯(lián)合攻擊機(jī)的升級(jí)改造，提升低空高速飛行性能，能夠貼著樹梢飛行，使其具備目前無(wú)法現(xiàn)實(shí)的能力。為此，美軍計(jì)劃啟動(dòng)全新的發(fā)展項(xiàng)目，并在短時(shí)期內(nèi)完成研制工作，力爭(zhēng)在2020年代初開始量產(chǎn)下一代發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于美軍已經(jīng)度過了預(yù)算緊縮的困難時(shí)期，新型發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目將得到相對(duì)充足的經(jīng)費(fèi)保障，有利于未來(lái)的量產(chǎn)列裝。普拉特一惠特尼公司先進(jìn)研發(fā)與技術(shù)部主任詹姆斯·肯揚(yáng)表示，公司從F-22和F-35項(xiàng)目中積累了豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)空軍。美國(guó)海軍和公司內(nèi)部在2012年以來(lái)進(jìn)行的后期投資，又使公司的技術(shù)水平發(fā)生了“巨大進(jìn)步”，公司將全力投入自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的下一階段研發(fā)。

噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)利用“布雷頓循環(huán)”的原理工作，燃?xì)鉁u輪通過空氣與燃料的混合與壓縮，將燃燒后的氣體定向排放，從而產(chǎn)生推力，是20世紀(jì)最著名的航空科技之一。21世紀(jì)以來(lái)，航發(fā)工程師們對(duì)“布雷頓循環(huán)”原理進(jìn)行了改良，重點(diǎn)是尋求增大推力與燃油效率之間的平衡，也就是要提高燃油效率，哪怕是1%～2%的提升。

在節(jié)油領(lǐng)域，商用飛機(jī)已經(jīng)引入了大風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)概念，并成功運(yùn)用到運(yùn)輸機(jī)之上。風(fēng)扇越大，驅(qū)動(dòng)的空氣越多，單位體積燃油產(chǎn)生的推力也因此越大，一般來(lái)說(shuō)要有四分之三的空氣通過發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)。但是，在戰(zhàn)斗機(jī)上無(wú)法安裝3，6米的大風(fēng)扇，因此必須發(fā)展其他的大推力技術(shù)。

“自適應(yīng)多用途發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（ADVENT）”項(xiàng)目就是在這一背景下產(chǎn)生，2007年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)項(xiàng)目，意圖融合自適應(yīng)和可變循環(huán)的推進(jìn)概念，研發(fā)一種高效的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以改變飛機(jī)的通風(fēng)壓力比，飛行員可以采用節(jié)油巡邏飛行模式，也可高速或超聲速飛行，由于普拉特一惠特尼公司當(dāng)時(shí)主要進(jìn)行F119和F135發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，通用公司和勞斯萊斯北美科技公司（RRNAT）得到了ADVENT的研發(fā)合同。另外，美國(guó)空軍在ADVENT項(xiàng)目的同時(shí)，也啟動(dòng)了“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展（AETD）”計(jì)劃，AETD項(xiàng)目當(dāng)時(shí)的目標(biāo)是在3年內(nèi)使AETD成熟，在2020年裝備到空軍多種型號(hào)戰(zhàn)斗機(jī)，最終發(fā)展為第6代推進(jìn)系統(tǒng)。

AETD計(jì)劃的技術(shù)含量其實(shí)并不比ADVENT多，但是采用“可變循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)”可以使耗油率下降25%或更多。以遠(yuǎn)程轟炸機(jī)為例，裝備自適應(yīng)可變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)之后，可以降低飛機(jī)的起飛重量，因此獲得更大的作戰(zhàn)半徑。節(jié)油的高速飛行可以縮短轟炸機(jī)從基地到目標(biāo)區(qū)的反應(yīng)時(shí)間，提高安全通過敵方防空系統(tǒng)的能力。2017年，AETD項(xiàng)目第一階段已經(jīng)結(jié)束，F(xiàn)-35聯(lián)合攻擊機(jī)將是AETD項(xiàng)目最大受益者，未來(lái)將惠及轟炸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)。

自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的下一階段研發(fā)命名為“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)過渡項(xiàng)目”（AETP），項(xiàng)目從2016年夏季開始，為期5年，合同價(jià)值10億美元，由普拉特一惠特尼和通用電氣航空公司共同完成。通過改良技術(shù)提高成熟度，使飛機(jī)的推力特性、穩(wěn)定性、耐久性大幅提高，并更加節(jié)能高效，適合戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)和戰(zhàn)術(shù)飛行等全部主要空戰(zhàn)平臺(tái)，成為真正“航發(fā)多面手”。

新材料技術(shù)提升推進(jìn)效率

目前，美國(guó)空軍也在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上應(yīng)用新型材料，比如陶瓷基復(fù)合材料（CMC），提升部件的受熱能力，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)能夠達(dá)到更高溫度，從而提升燃料效率。陶瓷基復(fù)合材料部件質(zhì)量很輕，制成的部件能夠在融化金屬的溫度工作，對(duì)于制冷的要求也低，而制冷又是降低能效的主要因素之一。

更重要的是，目前的技術(shù)已經(jīng)證明“三氣流”噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，核心機(jī)氣流、風(fēng)扇氣流與核心機(jī)外圍區(qū)域的第三路氣流合并，能夠提升推進(jìn)效率，降低燃料消耗，向核心機(jī)提供額外的推進(jìn)氣流和冷卻空氣，該技術(shù)已經(jīng)在普惠公司的F135發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了驗(yàn)證。

通用電氣航空公司先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目經(jīng)理丹·麥克科米克表示，自適應(yīng)和可變循環(huán)以及高溫材料技術(shù)是在戰(zhàn)斗環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，這種方式不改變基本的物理學(xué)原理，通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)體系，使更多的空氣流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是能夠提高推進(jìn)效率，這與目前基于20世紀(jì)40年代弗蘭克·惠特爾第一代渦輪噴氣原理的前線戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)完全不同。

通用電氣航空公司設(shè)計(jì)的AETD發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)3級(jí)可變形自適應(yīng)風(fēng)扇，一個(gè)適應(yīng)“三流”的大型環(huán)形涵道，一個(gè)高壓壓氣機(jī)，壓氣機(jī)借鑒了空客A320neo和波音737 MAX客機(jī)采用的CFM國(guó)際公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，而CFM又是通用電氣與法國(guó)賽峰各占50%股份的合資公司。

通用電氣目前研發(fā)的產(chǎn)生高效推力的許多商用技術(shù)都已經(jīng)成熟，已經(jīng)有能力向軍用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化。CFM56作為世界上最成功的商用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，目前已經(jīng)交付了3萬(wàn)臺(tái)，其技術(shù)是B-1B“槍騎兵”轟炸機(jī)使用的F101渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要基礎(chǔ)，也是KC-135加油機(jī)的換發(fā)項(xiàng)目的候選發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，通用電氣有能力將商用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)擴(kuò)展到戰(zhàn)斗機(jī)上。

節(jié)油科技提升作戰(zhàn)效能

通用電氣公司表示，自適應(yīng)可變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提升25%的燃油效率（SFC），節(jié)約也10億加侖的燃油，同時(shí)，戰(zhàn)斗機(jī)換裝新一代發(fā)動(dòng)機(jī)之后，作戰(zhàn)半徑還能增加25%～30%，在目標(biāo)上空停留時(shí)間增加40%，或者是多覆蓋36%的目標(biāo)，對(duì)加油機(jī)的依賴也能減少74%。

這些能力對(duì)于美國(guó)空軍編制縮減的調(diào)整改革至關(guān)重要。目前，美國(guó)空軍的機(jī)隊(duì)與1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)相比，戰(zhàn)斗機(jī)中隊(duì)縮減了59%，飛機(jī)總數(shù)縮減了37%，因此提升每架飛機(jī)的作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)用途，是填補(bǔ)裝備缺口的有效途徑。endprint

麥克科米克表示，自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率能夠帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)，也能使作戰(zhàn)平臺(tái)擔(dān)負(fù)多樣化任務(wù)。對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)而言，到達(dá)目標(biāo)區(qū)上空、滯空完成任務(wù)然后撤出作戰(zhàn)空域，都需要有燃油效率作為保證，與敵方進(jìn)行空戰(zhàn)時(shí)，也需要有強(qiáng)大的推力和性能作為保證。

自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是冷卻。F135這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)如果采用三氣流模式，將成為重要的冷卻源，排出發(fā)動(dòng)機(jī)各種機(jī)載系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。戰(zhàn)斗機(jī)采用復(fù)合材料的絕熱機(jī)身，內(nèi)部的航電系統(tǒng)都產(chǎn)生大量熱能，三氣流能夠提供一種熱管理方式，是一種規(guī)則改變者類的技術(shù)。比如，F(xiàn)-35聯(lián)合攻擊機(jī)通過熱管理，就能夠長(zhǎng)時(shí)間在亞聲速和152米的低空飛行，目前F-35的這種能力還受限。

F135之外的其他發(fā)動(dòng)機(jī)，三氣流也有雙重用途。在冷卻所有機(jī)載航電設(shè)備之外，還能產(chǎn)生兆瓦級(jí)的電力，為下一代的機(jī)載武器系統(tǒng)供電，比如機(jī)載激光器和高能微波武器。鑒于自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的潛在能力，美國(guó)空軍已經(jīng)在2016年加速投資AETP項(xiàng)目，并認(rèn)定該項(xiàng)目是下一代發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中的低風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)。

如果說(shuō)ADVENT項(xiàng)目當(dāng)初只是純科技研究項(xiàng)目，解決了推進(jìn)系統(tǒng)改良中的基礎(chǔ)性工程和物理學(xué)難題，并沒有對(duì)硬件進(jìn)行多長(zhǎng)改良，那么AETD項(xiàng)目發(fā)揮的就是橋梁紐帶作用，開始發(fā)展部件和相關(guān)測(cè)試，降低了與量產(chǎn)制造相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

作為AETD項(xiàng)目的重要組成部分，普惠公司在2013年在試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)了三氣流風(fēng)扇，2017年初又計(jì)劃在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下驗(yàn)證三氣流技術(shù)。通用電氣于2016年秋季在俄亥俄州懷特一帕特森空軍基地進(jìn)行了壓氣機(jī)試驗(yàn)，2017年5月，進(jìn)行了風(fēng)扇和核心機(jī)的試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，所有試驗(yàn)計(jì)劃在6月之前完成。

接下來(lái)，美國(guó)空軍將進(jìn)入為期5年的AETP階段，設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、測(cè)試全尺寸的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，推力達(dá)到20411千克力的級(jí)別。在為F-35提供F135發(fā)動(dòng)機(jī)之外，普拉特一惠特尼將開始制造下一代F135發(fā)動(dòng)機(jī)。

應(yīng)于多種作戰(zhàn)平臺(tái)的AETP項(xiàng)目

AETP項(xiàng)目為通用電氣航空公司提供了回歸前線戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)。通用電力沒有被選為F-22戰(zhàn)斗機(jī)和F-35聯(lián)合攻擊機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)初始制造商，原計(jì)劃在2011年與普惠競(jìng)爭(zhēng)F-35發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)會(huì)，也因時(shí)任國(guó)防部長(zhǎng)羅伯特·蓋茨的“短期節(jié)約成本措施”而被取消。

因此，AETP項(xiàng)目是通用電氣進(jìn)入下一代發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的門票，有望重現(xiàn)在美國(guó)空軍20世紀(jì)80年代“大發(fā)動(dòng)機(jī)之戰(zhàn)”中在F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)動(dòng)力裝置項(xiàng)目上的輝煌。目前，美國(guó)空軍已經(jīng)將AETP項(xiàng)目從“推進(jìn)技術(shù)過渡”項(xiàng)目中剝離出來(lái)，使項(xiàng)目具有更大的透明度。盡管美國(guó)空軍的2017年度預(yù)算仍然緊張，但是AETP項(xiàng)目處于優(yōu)先發(fā)展地位，5年的研發(fā)資金高達(dá)24億美元，從2017財(cái)年的2.85億美元，穩(wěn)定地增長(zhǎng)到2021財(cái)年的6.032億美元。

普惠公司在2016年就曾透露，AETP發(fā)動(dòng)機(jī)將得益于AETD項(xiàng)目的成熟技術(shù)，比如經(jīng)過驗(yàn)證的渦輪葉片冷卻技術(shù)，就能使未來(lái)的量產(chǎn)型戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到迄今最高的渦輪機(jī)溫度。盡管AETP發(fā)動(dòng)機(jī)名義上是F-35這樣中型戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力裝置，但是美國(guó)空軍希望它拓展成為一種多用途發(fā)動(dòng)機(jī)，以AETP為基礎(chǔ)形成系列發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。

美國(guó)空軍2017財(cái)年預(yù)算文件顯示，AETP項(xiàng)目將使自適應(yīng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)從科技驗(yàn)證向多平臺(tái)通用自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)建造的方向發(fā)展，工程制造發(fā)展工作將為形成戰(zhàn)斗機(jī)動(dòng)力的綜合發(fā)展路線圖奠定基礎(chǔ)。美國(guó)國(guó)防部的合同文件顯示，AETP項(xiàng)目將采取成熟的部件技術(shù)，降低下一代推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，并將在多種作戰(zhàn)平臺(tái)上應(yīng)用。

美國(guó)空軍最高采購(gòu)官阿諾德·小班奇中將表示，AETP不僅適合F-22和F-35，其技術(shù)還將帶來(lái)許多副產(chǎn)品，能夠應(yīng)用到F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)升級(jí)項(xiàng)目，比如制造縮比的小型發(fā)動(dòng)機(jī)。

麥克科米克表示，24億美元的合同將由兩家公司共同參與，盡管當(dāng)前美國(guó)空軍削減了三分之二作戰(zhàn)中隊(duì)，預(yù)算環(huán)境也不允許兩家發(fā)動(dòng)機(jī)制造商年復(fù)一年地競(jìng)爭(zhēng)，但是普拉特一惠特尼和通用電氣可以分別向不同的作戰(zhàn)平臺(tái)提供自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。另一方面，由于兩家公司都能提供不同的技術(shù)，美國(guó)空軍因此樂于向兩家公司分別投資。對(duì)于下一代發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)空軍未來(lái)需要做出的選擇是：財(cái)政上負(fù)擔(dān)不起競(jìng)爭(zhēng)，戰(zhàn)略上負(fù)擔(dān)不起單一的制造商。

編輯：石堅(jiān)endprint