新一代戰斗機及其動力發展解析

■ 王鵬 / 中國航發渦輪院

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

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

下一代戰斗機方案解析

目前，關于下一代戰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，而且隨著戰爭形態、國家戰略環境等形勢的變化，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日正式對外發布了公開版《空中優勢2030飛行規劃》。這份文件旨在針對2030年強對抗作戰環境，全面評估美國空軍當前及未來作戰需求，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斗機。

為發展未來戰斗機，2010年11月美國空軍發布了下一代戰斗機能力征詢書，期望在2030年左右形成初始作戰能力。根據公開資料，美國洛克希德-馬丁（洛馬）、波音、諾斯羅普-格魯門（諾格）等公司提出了多種下一代戰斗機方案（見圖1）。縱觀這些方案，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，一是研發成本可能創歷史新高，二是研發進度無法滿足軍方2030年形成初始作戰能力的目標，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飛機，雖沒有冠以“下一代戰斗機”的名號，但仍具有超越以往戰斗機的遠航久航、高殺傷力、全向極低隱身等能力，足以構成美國“下一代戰斗機”。

圖2 俄羅斯“鰩魚”無人戰斗機

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點，認為下一代戰斗機必將是無人駕駛的。無人戰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性能。早在2005年，俄羅斯米格飛機設計局就展示了下一代戰斗機——“鰩魚”噴氣式隱身無人戰斗機（見圖2）。據稱，這種戰斗機具備高速、隱身和無人駕駛等特性。“鰩魚”使用了先進的隱身技術，能悄然突破敵方的防空系統，對重要目標實施攻擊；其發動機采用扁平噴嘴，減少了熱輻射量，也可規避敵方的紅外線探測設備；發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，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戰斗機的部分技術。2019年，“獵人”無人機與蘇-57戰斗機完成了首次聯合飛行。

此外，俄羅斯還透露了另一種下一代戰斗機方案——米格-41（見圖3），可以看出俄羅斯在下一代戰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，可以發現俄羅斯在戰斗機發展上，有依托速度提升突防能力的傳統。從戰斗機生存力角度看，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航空系統（FCAS）計劃，定義了一個以下一代戰斗機（NF）（見圖4）為核心、多種元素相互連接協同的“系統族”，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云總承包商。2019年6月，德國與法國聯合研制的新一代戰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，英國發布《作戰航空戰略》，要求使英國能獲得并保持制空能力，確保作戰優勢等，同時公布將啟動下一代戰斗機“暴風”（Tempest）項目。在2018年7月第51屆英國范堡羅航展上，英國發布了“暴風”全尺寸模型，采用雙發設計，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”更優先考慮續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”戰斗機發動機承包商，羅羅公司從2015年就開始針對下一代戰斗機發動機展開技術開發與驗證，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型戰斗機并行發展、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斗機研發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日完成脫歐貿易協定談判后，深入討論將法國、德國、西班牙3國聯合研發的FCAS項目與英國、瑞典、意大利聯合研發的“暴風”戰斗機項目進行合并的可能性。

圖4 德國和法國聯合研制的下一代戰斗機（NF）概念圖（來源：達索公司）

圖5 日本F-X戰斗機概念圖

日本

日本在下一代戰斗機的研發上也不甘落后。日本首架國產隱身戰斗機的樣機——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展下一代戰斗機F-X（見圖5），并計劃于2035年服役。日本對下一代戰斗機的定義為首先發現、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斗機的日本概念。據防務新聞網站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合作。

總體趨勢

綜上所述，雖然各國對下一代戰斗機的定位有所不同，但是從當前的技術發展來看，下一代戰斗機的基本技術特征已表現出一些共性趨勢。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，實現飛機在各種任務環境下的高隱身性、高機動性和長續航，并能夠適應未來聯合作戰概念和多域戰對時時在網、高度互聯的需求，并且能夠提供滿足定向能武器需求的能量。

鑒于不同軍種、不同作戰場景下的不同需求，下一代戰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斗機應用的核心技術之一。借助人工智能技術，戰斗機可以自主感知作戰環境并進行作戰姿態調整，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，最終實現在各種不同作戰任務之間的敏捷切換。

下一代戰斗機動力技術

下一代戰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斗機向更快、更高和更遠發展的關鍵要素。通過對下一代戰斗機的需求分析，可以總結出下一代戰斗機動力技術發展的主要趨勢。

機動性優先級低于續航和掛載能力

為滿足戰爭需要，美國軍方要求下一代戰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。波音和洛馬公司發布的下一代戰斗機概念都采用了無尾或V形尾翼結構，可以滿足作戰常規機動性、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斗機機動能力的重要支撐。

然而，隨著遠程武器的發展，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行作戰任務，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。根據美國空軍的預計，未來在可視距離范圍內的空戰將越來越少，因此將以機動性的權衡來換取可持續的高速度和更大的有效載荷。

變循環發動機

變循環發動機（VCE）技術是新一代戰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動機一些部件的幾何形狀、尺寸或位置來改變熱力循環。美國在通用經濟可承受先進渦輪發動機（VAATE）計劃下，實施了一項名為自適應通用發動機技術（ADVENT）的子計劃，用于驗證變循環發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 及后續的自適應發動機技術發展（AETD）和自適應發動機轉化項目（AETP）都集中在通過采用自適應風扇調節發動機低壓轉子來達到多用途能力，而2016年啟動的空中優勢自適應推進技術（ADAPT）計劃則更關注發展高壓轉子的自適應結構，以及將核心機與發動機的整體變循環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動機公司，如英國的羅羅公司、法國的賽峰集團、日本的工業科學與技術研究所等，也在不斷地進行變循環發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的熱潮，其中都涉及到變循環發動機的相關技術研究。

關鍵技術——動力與熱管理系統

動力與熱管理系統對提升戰斗機性能和降低成本起著關鍵作用。動力與熱管理系統是一種綜合機電系統，將傳統上分立的輔助動力系統、應急動力系統和環境控制系統的熱管理功能綜合為一個系統，其雛形是“熱/能量管理組件”（T/EMM）。與傳統機電系統相比，這種系統中同一渦輪機械既用于輔助動力系統和應急動力系統發電，又用于環境控制系統冷卻和熱管理，不僅可減少系統質量和體積，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分部發布了題為“混合循環動力與熱管理系統”的跨部門公告，向美國工業界征詢關于下一代戰斗機動力與熱管理系統的系統級解決方案。美國空軍在公告中指出，下一代戰斗機可能要求具備前所未有的先進能力，以保持對抗環境中的空中優勢。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斗機的機上發電能力高10倍以上。同時，對于未來的大功耗軍機而言，熱管理可能是比發電更需關注的問題。現代飛機廣泛采用復合材料蒙皮、高效率發動機、深度嵌入式的機載系統，對飛機熱管理提出了嚴峻挑戰。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工作，而有的運行時間只占任務執行時間的5%，對熱管理系統的自適應性提出了較高的要求。

推進系統電氣化

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

圖6 安裝CMC葉片的F414驗證發動機

2002—2008年，歐洲43家航空工業組織共同開展了動力優化飛機（POA）技術項目，其中羅羅公司為POA項目建立了發動機系統驗證平臺（ESVR），通過試驗驗證了多電發動機技術的可行性。EVSR用新型電氣系統代替了所有傳統的用齒輪箱驅動的系統，并采用了嵌入式發電機方案。2014年，該公司開始了嵌入式電起動機發電機（E2SG）的演示驗證項目，即在傳統燃氣渦輪發動機核心機中完全嵌入起動機發電機，這也是 “暴風”項目配套動力的核心技術。該方案在節省空間的同時，還可以為未來戰斗機提供所需的大量電能，同時規避了傳統發動機通過其下方齒輪箱產生功率驅動發電機所帶來的活動件數量變多、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動機其他轉子連接，還在電網中加入了一個儲電系統，可以智能管理所有系統間的電力供應。

同時，美國空軍對于2035年左右的戰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動機能夠達到的水平。從此需求出發，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年的頂層規劃支持經濟可承受任務的先進渦輪發動機技術（ATTAM）計劃，并隨后迅速展開招標工作。ATTAM計劃的重點是實現航空推進系統與機載電力系統的集成。

大量應用復合材料

相關研究表明，下一代戰斗機發動機的推重比大約會在現代戰斗機發動機推重比的基礎上翻一番，達到15 ～20∶1。為了實現這一目標，渦輪前溫度將大幅提高。同時，壓氣機壓比也要在現有基礎上有所提升，但從輕量化考慮，下一代發動機要求壓氣機級數進一步減少，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。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，被認為是實現下一代戰斗機發動機的關鍵材料。

GE公司認為其在下一代發動機競爭中的王牌，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，未來戰爭形態必然發生巨大的變化，電子戰、集群作戰等新作戰形式層出不窮。為了解決未來作戰需求，保持制空優勢，以美國為代表的航空強國在現代戰斗機尚未普及裝備的情況下，積極開展下一代戰斗機的研制競爭。

美國已提出了多種下一代戰斗機概念方案，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《航空周刊》消息，美國下一代發動機驗證機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思路，不管未來戰斗機何時成形，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動機技術預先研究計劃的成果，為美國下一代戰斗機發動機的研發奠定了堅實的基礎。

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達國家的差距，我們也應當同步開始探索發展下一代戰斗機，尤其是加快開展下一代戰斗機發動機的研發。