2020年軍用航空動力發展綜述

■ 顏瑾釗 李明 / 中國航發研究院

受新冠肺炎疫情影響，2020年全球經濟萎縮、國內生產總值（GDP）下滑，但全球國防開支卻增長1.9%，保持了7年的不間斷增長，對動力裝置的研發投入也隨之水漲船高。當前，對于戰斗機的動力，三代機仍是主力擔當、四代機業已成熟、下一代的研發穩步推進；而轟炸機和旋翼機的動力則繼續升級換代。

歐美持續投入戰斗機動力換代發展

即使沒有明確的航空平臺牽引發動機的需求，美國依然采取技術推動策略，一直超前研發，保持航空發動機的持續換代升級。歐洲則針對較確切的需求，幾乎與飛機同步發展動力裝置，考慮政治、經濟、市場、能力等綜合因素，法德兩國選擇合作研發下一代動力，英國則是獨立開展。從型號研發的角度來看，以F135為典型代表的四代機動力現已基本成熟，進入大批量生產、維護保障、改進升級階段；俄羅斯的“產品30”大量技術細節公布，正在開展二階段試驗；F110、AL-41F-1S等三代機動力，憑借成熟的技術、充沛的產能、穩定的后勤保障，仍是戰斗機動力的中流砥柱。

歐美持續研發下一代戰斗機動力

美國自適應發動機將在2025年前具備飛行能力GE航空集團和普惠公司按計劃在2022年第二季度之前各自完成“下一代自適應推進”（NGAP）系統的獨立競爭設計，并將在3年后完成全尺寸發動機評估。NGAP系統的研發包括初步設計、詳細設計、發動機制造和發動機評估等4個階段。美國空軍分別授予了GE航空集團和普惠公司價值4.27億美元合同，以支持NGAP系統的研發。據報道，美國的自適應發動機將在2025年前具備飛行能力。

GE航空集團的自適應發動機

“暴風”戰斗機及發動機

FCAS戰斗機及其動力裝置

英國“暴風”戰斗機動力采用先進電氣技術，預計2035年服役羅羅公司表示將在下一代戰斗機“暴風”項目中應用近5年一直在開發的世界頂尖技術。為了更電氣化、更智能，未來戰斗機的電力需求將達到前所未有的水平，包括武器、大功率的傳感器、通信系統、作動系統、附件及常規航電設備等。電氣化導致熱負荷隨之增加，需要在飛機隱身的前提下進行妥善管理。“暴風”啟動之前，羅羅公司已經開始相關研究，如完全嵌入燃氣輪機發動機核心機的起動機發電機，即“嵌入式起動機發電機”（E2SG）的演示驗證項目，發動機不僅產生飛機所需推力，還為飛機所有系統提供電力，并管理由此產生的熱負荷。

法德采用變循環技術，演示驗證機將在2027年就緒法國賽峰集團公布了“未來作戰航空系統”（FCAS）的動力裝置的部分技術細節。該發動機由賽峰集團和德國MTU航空發動機公司在2019年年初確定合作研發，前者負責熱端部件的研發與集成，后者負責冷端部件并提供維護、修理與大修（MRO）服務。該發動機具有變循環能力能夠調節涵道比，矢量噴管更易于飛機操縱；并將探索混合動力技術以進行機載能量管理。結構更緊湊、質量更輕的該發動機能產生強大推力，支持超聲速巡航以及長時間的低速巡航。由于渦輪前溫度預計將高達2100K，賽峰集團將研發可以承受此溫度的先進技術和材料。演示驗證發動機將在2027年準備就緒。

美國F135生產保障能力提升，俄羅斯持續發力“產品30”

美國大批生產F135發動機并進行改進維護洛克希德-馬丁（洛馬）公司在2020年全年交付123架F-35戰斗機，截至2020年年底，該機共交付了600余架，累計飛行時間超過34.5萬h；作為其動力的F135發動機由普惠公司獨家提供。美國在加速生產F135發動機的同時，已著手對其進行改進升級研究，并推進建立一個有效的全球支持網絡，提供發動機全生命周期的使用保障支持。

在批量生產方面，普惠公司從21世紀初就相繼獲得了一系列F135合同，配裝前11批次小批量生產的F-35，并在2019年宣布與美國國防部簽訂了一份價值57億美元的332臺F135發動機生產合同，包含第12批次和第13批次發動機，第14批次的定價期權，以及配套的項目管理、工程支持和生產支持。

在改進升級方面，普惠公司在2020年3月宣布獲得價值約3.198億美元的發動機改進合同，涉及為美國海軍、空軍以及日本生產交付的32臺F135-PW-100。10月，普惠公司獲得對F135開展升級研究和作戰評估的合同，來確定F-35及后續型號對發動機不斷增長的要求，以支持未來武器系統能力要求，評估集中在提升推力和動力熱管理能力，以及減少燃油消耗等。

在維護保障方面，美國國會要求在2021年財年增購24%的F-35，并額外建設包括飛機和發動機在內的備件和場站級維修能力。4月，美國向韓國開始提供價值6.75億美元的F-35及F135維修服務。11月，普惠公司開始在挪威啟用F135的MRO和升級工廠，計劃到2021年年底形成初始大修能力，工廠可為未來數10年F135的全球用戶提供MRO、升級及后勤支持等一系列服務。12月，普惠公司獲得6.42億美元的F135使用和維護合同，支持美國空軍、海軍、海軍陸戰隊、國際客戶的F135的外場使用，合同預計將于2021年11月完成。

俄羅斯“產品30”進行二階段試驗俄羅斯多功能戰斗機蘇-57的第二階段動力“產品30”發動機（也稱“30號機”）進行第二階段試驗。“產品30”由俄羅斯聯合發動機集團（UEC）研發，采用變涵道比設計，渦輪前溫度高達1950 ～2100K，最大推力可達107.8kN，加力推力176.4kN，推重比大于10：1，耗油率與AL-31F發動機相當。兩臺“產品30”可使蘇-57在不開加力狀態下巡航速度達Ma1.5。等離子點火系統提高了發動機紅外和雷達隱身能力，矢量噴管大幅提升了飛機各狀態下的機動性。首架配裝“產品30”的蘇-57將于2022年完成。

三代機動力成熟可靠，仍是主戰裝備

F110發動機再獲大批生產訂單GE航空集團獲美國空軍授予的4份F110-GE-129發動機生產合同，屬于不確定交付/不確定數量（IDIQ）性質，價值約7.07億美元，將為第70批次F-16C/D及F-15QA戰斗機提供動力，以及安裝、備件和升級發動機管理系統。合同涉及多個對外軍售項目。

2020年5月，美國空軍為461臺F-15EX用發動機發起競爭性招標，要求2023年6月開始交貨，預計生產將持續到2030年。6月，美國空軍授予GE航空集團1.01億美元固定價格合同，采購F-15EX用F110-GE-129發動機，包括發動機安裝、備件及現代化的發動機監控系統。9月，GE航空集團向空軍交付了首臺發動機。

F414發動機為韓國下一代戰機KF-X提供動力GE航空集團為韓國航空工業公司的KF-X飛機交付了首臺F414-GE-400K發動機。KF-X是韓國正在研發的下一代戰斗機，以替換F-4D/E、F-5E/F，計劃在2023年開始飛行試驗，2026年完成開發。作為研發計劃的一部分，GE航空集團將在2021年前為6架原型機飛行試驗提供15臺F414發動機。韓國空軍計劃采購120架KF-X，配套的240臺發動機及備用發動機由GE航空集團提供。

配 裝 蘇-30的AL-41F-1S正加緊生產俄羅斯空軍計劃在2021年將基于蘇-30SM設計的蘇-30重型戰斗機新型號投入使用，將配裝更加先進的AL-41F-1S發動機（即117S），該型發動機目前正在生產中。AL-41F-1S在AL-31F基礎上持續改進而來，配裝蘇-35戰斗機，不僅具有更大的推重比、爬升率和可操縱性，而且效率和功率也更高；能提高戰斗機飛行速度，改善飛行性能。使用單一類別的標準發動機可減輕空軍的維修負擔。

美俄加速戰略轟炸機動力升級換代

美國發布B-52H換發信息征詢書

2020年4月23日，美國空軍發布了B-52H轟炸機的換發需求草案。B-52H以普惠公司的8臺TF33發動機為動力，自20世紀60年代初開始服役。美國空軍打算采購608臺民用發動機，外加備用發動機和支援設備，以確保該重型轟炸機可以服役至2050年。GE航空集團、普惠公司和羅羅公司均對參與此計劃表示了興趣。GE航空集團打算以CF34-10和“通行證”(Passport)等兩型發動機參與競標，普惠公司打算以PW800發動機參與競標，羅羅公司打算以由BR700衍生而來的F130發動機競標。

圖-160M換裝NK-32-02發動機

俄羅斯圖-160M換發首飛

圖-160M戰略轟炸機換裝NK-32-02新型發動機在11月完成首飛，這是繼圖-160M在2月完成首飛后達到的又一里程碑。NK-32-02推力高達245kN，是俄羅斯目前推力最大的航空發動機，采用新型冷卻系統，壓氣機和渦輪葉片都采用了新材料，與圖-160使用的NK-321相比，不論是節油性能、使用壽命，還是推力都有所提高，使圖-160的航程增加了1000km以上。NK-32-02由俄羅斯聯合發動機集團研制，已具備批量生產條件，預計將于2021年供應新一批NK-32-02。而對于下一代戰略轟炸機“遠程航空兵未來航空綜合體”（PAK DA）的動力，據俄羅斯透露，目前正處于原型機研制階段，預計將于2021—2022年完成。NK-32-02發動機的研制將為新一代動力裝置奠定基礎。

美國新一代旋翼機動力產品和技術發展順利

新一代渦軸發動機T901完成關鍵設計評審

美國陸軍確定入圍“未來攻擊偵察直升機”（FARA）原型機研制的兩個方案，分別是西科斯基公司的“襲擊者”X和貝爾公司360“不屈”。GE航空集團的新一代渦軸發動機T901被指定為FARA項目的唯一動力，同時也是600架AH-64“阿帕奇”和1300架UH-60“黑鷹”直升機的升級動力。

與“阿帕奇”“黑鷹”的當前動力T700發動機相比，T901功率將提高50%達到2240kW，耗油率降低25%，功重比提高65%，設計壽命提高20%，生產和維修成本均降低35%，且能在1830m高度、35℃的環境下保持性能。

T901在2019年進入工程和制造開發（EMD）階段，在2020年7月完成系統級關鍵設計評審（CDR），受新冠肺炎疫情影響采用的是線上評審的方式。此后，T901進入了下一個關鍵里程碑，即XT901首臺發動機整機試驗；2021年預計完成發動機整機試驗；2024年與平臺一起完成飛行驗證；2028年未來攻擊偵察直升機進入服役狀態，形成初始戰斗力。

未來經濟可承受渦輪發動機計劃即將完成

GE航空集團即將完成“未來經濟可承受渦輪發動機”（FATE）計劃，開發一型3730 ～7460kW的渦軸發動機。FATE計劃由GE航空集團和美國陸軍聯合出資，旨在達到一系列發動機質量、成本和性能目標，包括油耗降低35%，功重比提高80%，設計壽命提高20%，生產和維護成本比目前使用的傳統發動機降低45%。

截至2020年10月，GE航空集團已經完成兩臺發動機的測試，以及幾項部件測試，包括進口粒子分離器、壓氣機、燃燒室和渦輪。目前發動機已完成超過130h的測試，獲得了2200多個穩態數據點。

在FATE計劃中開發和驗證的技術將用于下一代渦軸發動機、正在研制的T901發動機，以及T700和T408等現役發動機產品。

T901渦軸發動機部件示意

結束語

縱觀2020年世界軍用航空動力技術和產品的發展，傳統燃氣渦輪發動機仍是當前航空裝備的主流動力形式，形成了“三代是主力，四代是先鋒，自適應、電氣化是可見未來”的基本格局，不斷融合新技術，改進、提高燃氣渦輪航空發動機的綜合性能，縮短研發時間、降低全生命期成本仍是各國目前的主攻方向。