美國空軍自適應(yīng)發(fā)動機發(fā)展現(xiàn)狀

李輝　陳宇

目前，美國空軍戰(zhàn)斗機發(fā)動機正在進行“規(guī)則改變者”式的發(fā)展改革，空軍研究實驗室與普拉特·惠特尼、通用電氣航空公司等發(fā)動機制造商啟動的研發(fā)項目，目標都是提高速度和航程、降低對加油機的依賴，同時創(chuàng)新空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)，確保美軍未來的空中優(yōu)勢。

軍用航發(fā)的巨大進步

美國空軍計劃，到2021年通過建造和測試適飛的發(fā)動機，使下一代戰(zhàn)斗機增加30%的航程，提供足夠的能量用來發(fā)射機載定向能武器，同時利用先進的冷卻技術(shù)改善戰(zhàn)斗機的隱身性能。在這三大優(yōu)勢之外，美軍還希望新一代發(fā)動機促進F-35聯(lián)合攻擊機的升級改造，提升低空高速飛行性能，能夠貼著樹梢飛行，使其具備目前無法現(xiàn)實的能力。為此，美軍計劃啟動全新的發(fā)展項目，并在短時期內(nèi)完成研制工作，力爭在2020年代初開始量產(chǎn)下一代發(fā)動機。

由于美軍已經(jīng)度過了預(yù)算緊縮的困難時期，新型發(fā)動機項目將得到相對充足的經(jīng)費保障，有利于未來的量產(chǎn)列裝。普拉特一惠特尼公司先進研發(fā)與技術(shù)部主任詹姆斯·肯揚表示，公司從F-22和F-35項目中積累了豐富的發(fā)動機設(shè)計經(jīng)驗，美國空軍。美國海軍和公司內(nèi)部在2012年以來進行的后期投資，又使公司的技術(shù)水平發(fā)生了“巨大進步”，公司將全力投入自適應(yīng)發(fā)動機的下一階段研發(fā)。

噴氣式發(fā)動機利用“布雷頓循環(huán)”的原理工作，燃氣渦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世紀最著名的航空科技之一。21世紀以來，航發(fā)工程師們對“布雷頓循環(huán)”原理進行了改良，重點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，商用飛機已經(jīng)引入了大風扇發(fā)動機概念，并成功運用到運輸機之上。風扇越大，驅(qū)動的空氣越多，單位體積燃油產(chǎn)生的推力也因此越大，一般來說要有四分之三的空氣通過發(fā)動機的核心機。但是，在戰(zhàn)斗機上無法安裝3，6米的大風扇，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)動機技術(shù)（ADVENT）”項目就是在這一背景下產(chǎn)生，2007年，美國空軍研究實驗室啟動項目，意圖融合自適應(yīng)和可變循環(huán)的推進概念，研發(fā)一種高效的航空發(fā)動機。自適應(yīng)發(fā)動機可以改變飛機的通風壓力比，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時主要進行F119和F135發(fā)動機的研發(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，美國空軍在ADVENT項目的同時，也啟動了“自適應(yīng)發(fā)動機技術(shù)發(fā)展（AETD）”計劃，AETD項目當時的目標是在3年內(nèi)使AETD成熟，在2020年裝備到空軍多種型號戰(zhàn)斗機，最終發(fā)展為第6代推進系統(tǒng)。

AETD計劃的技術(shù)含量其實并不比ADVENT多，但是采用“可變循環(huán)推進系統(tǒng)”可以使耗油率下降25%或更多。以遠程轟炸機為例，裝備自適應(yīng)可變循環(huán)發(fā)動機之后，可以降低飛機的起飛重量，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從基地到目標區(qū)的反應(yīng)時間，提高安全通過敵方防空系統(tǒng)的能力。2017年，AETD項目第一階段已經(jīng)結(jié)束，F(xiàn)-35聯(lián)合攻擊機將是AETD項目最大受益者，未來將惠及轟炸機和戰(zhàn)斗機。

自適應(yīng)發(fā)動機的下一階段研發(fā)命名為“自適應(yīng)發(fā)動機過渡項目”（AETP），項目從2016年夏季開始，為期5年，合同價值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、轟炸機和戰(zhàn)術(shù)飛行等全部主要空戰(zhàn)平臺，成為真正“航發(fā)多面手”。

新材料技術(shù)提升推進效率

目前，美國空軍也在發(fā)動機部件上應(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)動機運行時能夠達到更高溫度，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)動機的可行性，核心機氣流、風扇氣流與核心機外圍區(qū)域的第三路氣流合并，能夠提升推進效率，降低燃料消耗，向核心機提供額外的推進氣流和冷卻空氣，該技術(shù)已經(jīng)在普惠公司的F135發(fā)動機上得到了驗證。

通用電氣航空公司先進戰(zhàn)斗機發(fā)動機項目經(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)境下實現(xiàn)高效推進的關(guān)鍵技術(shù)，這種方式不改變基本的物理學原理，通過改變發(fā)動機體系，使更多的空氣流經(jīng)發(fā)動機，但是能夠提高推進效率，這與目前基于20世紀40年代弗蘭克·惠特爾第一代渦輪噴氣原理的前線戰(zhàn)斗機發(fā)動機已經(jīng)完全不同。

通用電氣航空公司設(shè)計的AETD發(fā)動機結(jié)構(gòu)包括一個3級可變形自適應(yīng)風扇，一個適應(yīng)“三流”的大型環(huán)形涵道，一個高壓壓氣機，壓氣機借鑒了空客A320neo和波音737 MAX客機采用的CFM國際公司的LEAP發(fā)動機技術(shù)，而CFM又是通用電氣與法國賽峰各占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)動機轉(zhuǎn)化。CFM56作為世界上最成功的商用噴氣式發(fā)動機，目前已經(jīng)交付了3萬臺，其技術(shù)是B-1B“槍騎兵”轟炸機使用的F101渦扇發(fā)動機的重要基礎(chǔ)，也是KC-135加油機的換發(fā)項目的候選發(fā)動機。因此，通用電氣有能力將商用發(fā)動機技術(shù)擴展到戰(zhàn)斗機上。

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)動機能夠提升25%的燃油效率（SFC），節(jié)約也10億加侖的燃油，同時，戰(zhàn)斗機換裝新一代發(fā)動機之后，作戰(zhàn)半徑還能增加25%～30%，在目標上空停留時間增加40%，或者是多覆蓋36%的目標，對加油機的依賴也能減少74%。

這些能力對于美國空軍編制縮減的調(diào)整改革至關(guān)重要。目前，美國空軍的機隊與1991年海灣戰(zhàn)爭時相比，戰(zhàn)斗機中隊縮減了59%，飛機總數(shù)縮減了37%，因此提升每架飛機的作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)用途，是填補裝備缺口的有效途徑。endprint

麥克科米克表示，自適應(yīng)發(fā)動機的燃油效率能夠帶來諸多優(yōu)勢，也能使作戰(zhàn)平臺擔負多樣化任務(wù)。對戰(zhàn)斗機而言，到達目標區(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，與敵方進行空戰(zhàn)時，也需要有強大的推力和性能作為保證。

自適應(yīng)發(fā)動機的另一個優(yōu)勢是冷卻。F135這樣的發(fā)動機如果采用三氣流模式，將成為重要的冷卻源，排出發(fā)動機各種機載系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。戰(zhàn)斗機采用復(fù)合材料的絕熱機身，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)合攻擊機通過熱管理，就能夠長時間在亞聲速和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)動機，三氣流也有雙重用途。在冷卻所有機載航電設(shè)備之外，還能產(chǎn)生兆瓦級的電力，為下一代的機載武器系統(tǒng)供電，比如機載激光器和高能微波武器。鑒于自適應(yīng)發(fā)動機的潛在能力，美國空軍已經(jīng)在2016年加速投資AETP項目，并認定該項目是下一代發(fā)動機研發(fā)中的低風險技術(shù)。

如果說ADVENT項目當初只是純科技研究項目，解決了推進系統(tǒng)改良中的基礎(chǔ)性工程和物理學難題，并沒有對硬件進行多長改良，那么AETD項目發(fā)揮的就是橋梁紐帶作用，開始發(fā)展部件和相關(guān)測試，降低了與量產(chǎn)制造相關(guān)的技術(shù)風險。

作為AETD項目的重要組成部分，普惠公司在2013年在試驗臺上試驗了三氣流風扇，2017年初又計劃在實際的發(fā)動機環(huán)境下驗證三氣流技術(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行了壓氣機試驗，2017年5月，進行了風扇和核心機的試驗臺試驗，所有試驗計劃在6月之前完成。

接下來，美國空軍將進入為期5年的AETP階段，設(shè)計、研發(fā)、制造、測試全尺寸的自適應(yīng)發(fā)動機，推力達到20411千克力的級別。在為F-35提供F135發(fā)動機之外，普拉特一惠特尼將開始制造下一代F135發(fā)動機。

應(yīng)于多種作戰(zhàn)平臺的AETP項目

AETP項目為通用電氣航空公司提供了回歸前線戰(zhàn)斗機發(fā)動機市場競爭的機會。通用電力沒有被選為F-22戰(zhàn)斗機和F-35聯(lián)合攻擊機的發(fā)動機初始制造商，原計劃在2011年與普惠競爭F-35發(fā)動機的機會，也因時任國防部長羅伯特·蓋茨的“短期節(jié)約成本措施”而被取消。

因此，AETP項目是通用電氣進入下一代發(fā)動機競爭的門票，有望重現(xiàn)在美國空軍20世紀80年代“大發(fā)動機之戰(zhàn)”中在F-15和F-16戰(zhàn)斗機動力裝置項目上的輝煌。目前，美國空軍已經(jīng)將AETP項目從“推進技術(shù)過渡”項目中剝離出來，使項目具有更大的透明度。盡管美國空軍的2017年度預(yù)算仍然緊張，但是AETP項目處于優(yōu)先發(fā)展地位，5年的研發(fā)資金高達24億美元，從2017財年的2.85億美元，穩(wěn)定地增長到2021財年的6.032億美元。

普惠公司在2016年就曾透露，AETP發(fā)動機將得益于AETD項目的成熟技術(shù)，比如經(jīng)過驗證的渦輪葉片冷卻技術(shù)，就能使未來的量產(chǎn)型戰(zhàn)斗機發(fā)動機達到迄今最高的渦輪機溫度。盡管AETP發(fā)動機名義上是F-35這樣中型戰(zhàn)斗機的動力裝置，但是美國空軍希望它拓展成為一種多用途發(fā)動機，以AETP為基礎(chǔ)形成系列發(fā)動機產(chǎn)品。

美國空軍2017財年預(yù)算文件顯示，AETP項目將使自適應(yīng)渦輪發(fā)動機從科技驗證向多平臺通用自適應(yīng)發(fā)動機建造的方向發(fā)展，工程制造發(fā)展工作將為形成戰(zhàn)斗機動力的綜合發(fā)展路線圖奠定基礎(chǔ)。美國國防部的合同文件顯示，AETP項目將采取成熟的部件技術(shù)，降低下一代推進系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)風險，并將在多種作戰(zhàn)平臺上應(yīng)用。

美國空軍最高采購官阿諾德·小班奇中將表示，AETP不僅適合F-22和F-35，其技術(shù)還將帶來許多副產(chǎn)品，能夠應(yīng)用到F-15和F-16戰(zhàn)斗機升級項目，比如制造縮比的小型發(fā)動機。

麥克科米克表示，24億美元的合同將由兩家公司共同參與，盡管當前美國空軍削減了三分之二作戰(zhàn)中隊，預(yù)算環(huán)境也不允許兩家發(fā)動機制造商年復(fù)一年地競爭，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)平臺提供自適應(yīng)發(fā)動機技術(shù)。另一方面，由于兩家公司都能提供不同的技術(shù)，美國空軍因此樂于向兩家公司分別投資。對于下一代發(fā)動機，美國空軍未來需要做出的選擇是：財政上負擔不起競爭，戰(zhàn)略上負擔不起單一的制造商。

編輯：石堅endprint