揭秘美國六代戰機發動機：讓戰機飛得更快更遠

　　中新網6月26日電據中國國防科技信息網報道，美國海軍和空軍都在開始制定其下一代戰斗機的需求（分別稱之為“F/A-XX”和“F-X”項目），但是相關配套發動機的研制工作早已啟動，新一代發動機將決定第六代戰斗機可達到何種水平，而空軍和海軍的第六代戰斗機都將速度更快、航程更遠、效率更高。

　　發動機將是F/A-XX和F-X項目研制中最具挑戰性的技術部分之一。因此，美國國防部已經開始研制下一代推進系統的工作。發動機制造商普惠公司和通用電氣公司介紹了各自用於第六代戰斗機的發動機概念研究工作。

　　通用電氣公司自適應循環發動機項目總經理丹·麥考密克表示：“正如我們當前所見，在關於第六代戰斗機的討論中，推進系統的能力成為影響飛機尺寸、進排氣設計的關鍵因素，並影響設定何種載油量以滿足航程需要。非常需要將推進系統集成至第六代戰斗機的設計流程之中。”

　　兩家公司已經開始具有革命性的新型自適應循環噴氣發動機的研制工作，用於配套F/A-18E/F和F-22后繼機。

　　新一代發動機將能夠改變其涵道比，從而實現飛行包線范圍內不同速度、高度點的性能最優，當代發動機僅能實現包線中某一特定點的性能最優。

　　航空發動機必須先於配套飛機平台發展，對於這一問題，美國空軍和海軍都已在1970年代麥道公司的F-15A和格魯門公司的F-14A項目的發動機問題中吸取了足夠的教訓。

　　下一代戰斗機的部分關鍵要求可以從空軍研究實驗室和海軍研究辦公室的研發工作目標中一窺端倪。

　　美國空軍已通過自適應通用發動機技術（ADVENT）、自適應發動機技術發展和下一代（NextGen）項目推進第六代戰斗機F-X配套發動機的技術成熟，而美國海軍則通過變循環先進技術（VCAT）項目實現相關技術成果滿足海軍的應用需要。

　　通用電氣公司第六代戰斗機推進系統專家杰夫·馬丁表示，根據一些要求，推斷第六代戰斗機將具備較現有打擊戰斗機遠得多的航程。此外，第六代戰斗機還將具有更快的速度、非常高的加速性和卓越的亞聲速巡航效率。馬丁稱：“（目前要求的）底線是利用變循環發動機滿足各類需求，而非設計一個巨大的飛機。”變循環發動機能夠通過更改配置實現任意速度、高度點的最高效率。例如，它可以像渦噴發動機一樣在超聲速飛行，也可以在亞聲速巡航時具有大涵道比渦扇發動機的效率。現有跡象意味著第六代戰斗機將設計需要更好地滿足超聲速巡航性能要求，即使這項性能並非明確的要求。

　　馬丁稱：“海軍已經提出了甲板彈射攔截任務，所以（第六代戰斗機）必須迅速達到數百海裡之外的區域，同時要求盡可能快，還必須盡可能高效。”該項使命任務很容易讓人聯想起昔日F-14的典型作戰任務，即從甲板起飛攔截蘇聯的轟炸機群，以防止蘇聯發動對航母的巡航導彈攻擊。蘇聯解體后，該任務不再成為美航母艦載機的任務要求，而中國的快速崛起使得這樣的威脅可能再次重現。馬丁指出：“我尚不清楚超聲速巡航是否會是主要要求，也不清楚這是否會帶來不同。第六代戰斗機將有相當好的長細比，將是一架超聲速飛機。因此，需要採用變循環發動機實現超聲速巡航。無論如何，超聲速巡航時都需要更多的燃料。”

　　緊密的合作伙伴關系

　　盡管美國海軍和空軍擁有獨立的項目，但是據美國空軍研究實驗室的官員稱，雙方正在密切合作，在一份聲明中稱：“發動機領域（空軍和海軍）是一個密切合作的團隊，我們已經對海軍完全透明。我們已經邀請海軍參與所有的評審。我們從海軍專家中獲得額外的見解。海軍已經成為ADVENT和AETD項目的真正參與者。”馬丁介紹了海軍相關工作的部分細節。他表示，海軍VCAT項目真正的目的是確定和實施，為滿足海軍第六代戰斗機的需要，在空軍實驗室相關項目的基礎上還需開展的特殊項目。據馬丁稱，VCAT項目最終將進行部分推進裝置試驗，這已証明是非常有價值。海軍項目已經提供了定義發動機工作確切循環的重要信息，同時機身和發動機需要作為一個集成的整體考慮。

　　普惠公司下一代戰斗機發動機總經理詹姆斯·肯揚表示，對於普惠公司而言，VCAT項目還意味著探索除風扇外，是否發動機的其他部分可採用可變設計。他表示“這將帶來更大程度可變性。你可以通過改變其他設定替代改變涵道比，深入其中就會發現很大的改變彈性。”技術成熟度對於空軍而言，目標是在2018年裡程碑A決策前實現發動機具有較高的技術成熟度，從而支撐第六代戰斗機F-A轉入技術開發階段的需要。

　　然而，直到裡程碑B決策，即進入工程和制造開發階段前，發動機的生產都不需要裝備好。馬丁表示：“如果在裡程碑B時達到技術成熟度等級6級，那麼就是很好的情況。”自適應發動機技術已經設定在今年年度前達到技術成熟度等級6級，如果需要將在2021年完成生產型發動機的准備工作。

　　自適應循環發動機的一項關鍵技術是自適應風扇，它將允許發動機根據高度和速度利用第三涵道來流改變發動機的涵道比。第三涵道的氣流用於增加或減少發動機的涵道比，或用於冷卻。馬丁稱：“我們能夠有效地改變整個飛行包線的發動機性能。”在較高的超聲速段，第三涵道能夠通過允許額外的氣流通過發動機減少溢出阻力，但是由於進氣道幾何的物理特性，馬赫數2.2以上的性能仍舊受到限制。麥考密克稱“第三涵道對於超聲速幫助良多。”

　　例如，戰斗機用自適應循環發動機將在起飛和超聲速飛行這些需要高單位推力時採用小涵道比配置。較小的涵道氣流流經發動機核心機。但是小涵道比大單位推力高噴氣速度的配置意味著較低的推進效率，這對高效巡航飛行而言極為不利。因此，自適應風扇允許發動機在巡航狀態下，轉入大涵道比構型以獲得較高的推進效率。實現未來自適應循環發動機的更高效不僅僅依賴自適應風扇，新型材料的應用允許發動機在更大壓比和更高溫度環境下運行。

　　第一種戰斗機用變循環發動機是1990年代出現的通用電氣公司的YF120發動機，該機惜敗於配裝F-22的普惠公司F119發動機。麥考密克說：“YF120發動機是一種關注不同區域的自適應循環發動機。ADVENT和AETD主要是關注燃油效率，當然AETD項目還有額外的推力能力要求，以及顯著改進熱管理的需要。而YF120發動機關注的是如何利用自適應變循環滿足飛機超聲巡航需要。”

　　第一步空軍實施了其第六代變循環發動機的第一步，即在2007年由空軍研究實驗室啟動自適應通用發動機技術（ADVENT）項目。空軍研究實驗室的目標將下一代發動機技術發展至技術成熟度等級6級（TRL-6）和制造成熟度等級6級（MRL-6），達到該等級意味著可制造原型機並進行相關環境試驗。

　　通用電氣公司和羅爾斯羅伊斯公司分別獲得了ADVENT項目為期6年的合同，生產下一代發動機驗証機。普惠公司的ADVENT設計並未入選該項目，但是公司仍利用自身資源發展相關技術，以期獲得的后續工作。肯揚表示普惠公司的工作主要是圍繞F-135發動機風扇改進型的研制，該發動機配裝洛克希德公司的F-35聯合打擊戰斗機。普惠公司使用該風扇在公司的壓縮機研究設施上進行自適應風扇能力的驗証。肯揚表示：“在該試驗中，我們能夠驗証控制來流通過不同涵道的能力。”最終，普惠公司的自主投資獲得了豐厚的回報。

　　實現自適應循環

　　與此同時，經過六年的發展，通用電氣公司在2013年11月26日開始測試其ADVENT發動機驗証機。目前，ADVENT發動機試驗工作正在進行之中，預計在今年晚些時候結束。麥考密克表示：我們在（俄亥俄州）埃汶代爾擁有一個完整的自適應循環技術發動機。它不是一個僅具備自適應循環功能的發動機，而是一台完全功能的發動機，具有滿足下一代推進系統已經成熟的全套技術。“

　　麥考密克表示通用電氣公司的ADVENT發動機配有可產生第三涵道氣流的自適應風扇，超級高壓壓氣機和新型燃燒系統，應用了諸如陶瓷基復合材料等不同類型的新材料和冷卻技術。

　　在試驗中，通用電氣公司的ADVENT設計核心機溫度超過其目標值130華氏度。據該公司介紹，該發動機創造了美國空軍研究實驗室評估的噴氣發動機推進裝置的組合壓氣機和渦輪的最高溫度記錄。

　　此外，麥考密克表示ADVENT發動機驗証機在很多指標方面超出預期，包括燃油消耗。ADVENT的燃油效率目標是減少25%的油耗。空軍研究實驗室隨后開展的自適應發動機技術發展（AETD）項目是為了將ADVENT項目開發技術進一步發展成具備飛行能力的設計。ADVENT項目的主要目的是驗証自適應循環發動機工作的可行性。工程師並未考慮重量、尺寸或其他因素，而這些因正是關乎發動機是否能夠成功配裝戰斗機。

　　麥考密克表示：”AETD正應用ADVENT獲得的全套技術，並將其發展、成熟，並正在尋求利用這些技術設計真正可以配裝飛機的發動機。“但是AETD項目並非ADVENT項目的直接延續。美國空軍進行了新項目的競爭，最終通用電氣公司和普惠公司贏得勝利，而羅爾斯羅伊斯公司則被淘汰出局。

　　初步設計然而，兩家中標公司必須完成完整的發動機設計以進行初步設計評審（PDR）。PDR原定於2014年11月進行，但那時美國空軍支持兩家公司將其推遲至2015年2月。

　　推遲PDR的原因主要有兩個。一個主要原因是AETD項目的后繼NextGen項目可能無法在2016財年前啟動。

　　麥考密克表示：”由於后繼項目在2016財年才能啟動，因而通過調整初步設計評審裡程碑的時間，將有助於我們調配人力資源。第二個原因是空軍研究實驗室有意，實際上是鼓勵我們推后時間，從而和我們競爭對手當前初步設計評審的時間表相一致。“在AETD項目中，有兩階段的試驗。第一階段包括一些燃燒室試驗台，其中一個是完整的環形燃燒室。此外，通用電氣公司將會試驗集成排氣系統的試驗台和使用陶瓷基復合材料的部件，所有這些應當在2015年初完成。

　　麥考密克表示：“我們正在進行試驗，其中主要是燃燒室部分。實際上，我們正在試驗第三個獨立燃燒室設計，我們還即將開始的噴管試驗，將在NASA位於克利夫蘭（俄亥俄州）試驗室進行相關試驗，預計將持續整個夏天。試驗的第二階段包括風扇試驗台、壓縮機試驗台和核心機試驗。”通用電氣公司計劃在2015年末或2016年初進行風扇和壓縮機試驗，並在2016年底前進行核心機試驗。麥考密克表示，在AETD項目中並未進行發動機整機試驗。當然，也是因為沒有任何要求和需要在該項目中進行整機試驗。

　　在AETD之后，是在美國空軍的NextGen項目下進行實用型自適應發動機的研制。今年早些時候，國防部長哈格爾宣布將投資10億美元以實現先進發動機的生產。然而，現在並無太多如何進行后續研發工作的細節透露。（許赟）

(來源:中新網)