美國自適應發動機技術轉化應用前瞻

■ 晏武英 譚米 / 中國航發研究院

2021年，GE公司和普惠公司相繼完成了首臺自適應發動機的地面測試，美國自適應發動機轉化項目（AETP）也隨之接近尾聲，項目的技術成果轉化成為各方關注的焦點。

自適應發動機概念從2006年提出至今已歷時15年，歷經自適應通用發動機技術（Advent）計劃、自適應發動機技術發展（AETD）計劃和自適應發動機轉化項目（AETP），到2021年終于實現了整機集成驗證。承擔AETP項目的GE公司和普惠公司宣布分別在2021年5月和9月完成了第一臺自適應發動機（XA100和XA101）地面測試，均達到原定燃油效率提升25%、推力增加10%的目標。兩家公司下一步將繼續開展第二臺發動機的測試，美國空軍也宣布將在2022年在阿諾德工程發展中心對兩家的原型機進行為期一年的試驗。同時，美國空軍正式啟動了面向下一代戰斗機（美國劃代標準下的六代機）的下一代自適應推進（NGAP）項目，開展原型發動機的設計、制造和評估。美國空軍曾經在AETP項目啟動時設想過3種技術轉化路徑：直接用于F-35發動機升級、縮放通用核心機用于六代機動力，以及縮放核心機或部件用于F-22、F-15、F-16等現役飛機發動機改進。當前，自適應發動機技術已經基本成熟，轉化應用到哪型飛機和發動機則成了各方關注的重點，也引發了各種爭論。

F-35換發：鏡花水月

美國空軍設想的自適應發動機技術轉化應用路徑

截至2021年11月，美國空軍在役的F-35戰斗機超過300架，但卻因發動機交付延遲和故障頻發導致大面積停飛：2020年計劃交付的136臺F135發動機有115臺延遲，平均每臺發動機暴露出的質量問題超過1200個；2021年發動機短缺最多時達48臺，停飛率超過15%。同時，美國空軍還計劃對F-35進行重大升級，2023年服役的第4批次飛機將提高武器掛載數量和種類、換裝新型傳感器、提升機載設備能力，這也就需要更高的推力、功率和冷卻能力，現有的F135發動機已經無法滿足需求。此外，F135發動機即將迎來2000h的首次翻修，這些因素的疊加促使美國國防部開始考慮對F-35戰斗機的動力系統進行升級或替換。

2021年7月13日，美國空軍采購主管達琳·科斯特洛和副參謀長戴維·納霍姆中將在眾議院武裝力量委員會的聽證會上表示，空軍非常關注AETP發動機的測試。分析表明，AETP發動機相比F135發動機油耗降低25%，可使F-35的航程增加30%、加速時間縮短18%、空氣系統熱管理能力提升167%，從而將飛機應對的目標數量提高3倍或消除對加油機的依賴，增加飛機生存能力并滿足第4批次及后續批次提升任務系統和武器載荷能力的要求。F-35項目將持續密切關注AETP的進展，一旦空軍的需求明確，將考慮對AETP配裝F-35進行評估。上述表態隨即引來各方關注。

美國空軍全生命周期管理中心先進飛機項目辦公室負責人戴爾·懷特將軍在2021年8月12日表示，AETP與現有發動機在結構和技術上差異較大，因此不太可能用新的動力裝置對現有飛機進行改造。

而眾議院在2021年8月30日提交的2022財年國防授權法案（NDAA）草案中要求國防部提供一份采辦策略，用于AETP推進系統持續研發和集成，并從2027財年開始用于F-35A，同時還要求海軍提供一份將AETP或其他先進推進系統整合入F-35B和F-35C的報告。眾議院武裝力量委員會主席亞當·史密斯此前抨擊F-35項目為“老鼠洞”，他在2021年8月31日指出，隨著近些年導彈技術的進步，F-35的生存能力已經在高對抗環境失去優勢，而應發展更小、更易生存的平臺，特別是無人機。同時，他還力推在F-35項目中引進更多的競爭，尤其是發動機，認為目前美國已經有足夠能力來實現面向未來的競爭。

2021年9月15日，F-35項目執行官埃里克·菲克中將表示，第4批的F-35確實需要更大的推力和冷卻能力，并與普惠公司和國防部共同研究一系列增強動力的選項。但如果空軍想將AETP發動機用于F-35A上，就得自行承擔全部研發和集成費用，因為這種發動機并不適用于其他軍種和其他國家的F-35，而這些用戶一致同意為了盡量保持一致性而節省成本，“誰想要不一樣的就必須自己花錢”。

F135發動機交付延遲和質量問題情況（來源：GAO-21-226）

2021年9月20日，空軍部長弗蘭克·肯德爾表示，空軍非常希望將AETP項目發展的新發動機用到F-35A上，但其在經濟上是否可承受要取決于海軍是否參與，他已經與海軍部長德爾·托羅進行了磋商，但結論尚不明朗。自美國空軍成立以來，噴氣式戰斗機由于壽命相對較短，且國防裝備論證和采辦策略日漸成熟，尚未對戰斗機進行過換發，僅有美國海軍的F-14艦載戰斗機由于TF30發動機實在難堪重任，迫不得已地換為更加穩定的F110發動機。

作為AETP項目的承擔方之一，GE公司表示能夠滿足眾議院提出的時間表，并渴望接受挑戰，但這種發動機無法滿足F-35B的要求，如果加以改進的話會大大超出眾議院設定的預算和時間表。另一承擔方普惠公司則表示，盡管AETP可以適用于F-35A，但更換新發動機會使整個項目在50年的生命周期內成本增加400億美元，而且也趕不上F-35A第4批次在2023年服役的需要，會造成整個機隊同時運行兩種不同的發動機，增加了生產、維護和培訓的成本。普惠的母公司雷神技術公司總裁格雷格·海斯則反對為F-35換裝自適應發動機，認為這將是一項困難且昂貴的工作，而且時間表過于激進。

與之對應的是，普惠公司一直在努力推動F135發動機的升級，2021年3月提出的兩份改進方案可使推力和航程提高10%以上，F-35B的垂直升力提高5%，熱管理提高50%。9月又將其整合為F135“增強型發動機套件”（EEP），可在前期已經將F135單位成本降低50%的基礎上，再降低36%的首次翻修成本，并在2028年無縫接入現有的生產線。

普惠公司提出的F135“增強型發動機套件”

綜合相關各方反應，在AETP項目實現自適應發動機驗證和F135無法滿足飛機要求的背景下，美國參議院力主將AETP發動機用于F-35；而F-35項目管理方也試圖推動F-35動力升級或換發；美國空軍認為AETP的確可以對F-35有很大的提升，但又因為這種發動機只適用于F-35A而不得不獨自買單，正在試圖尋求海軍一起承擔研發費用。供應商方面，GE公司自然是希望獲得重新進入美國五代機動力的龐大市場，而且在六代機動力尚需時日并需要與普惠競爭的情況下，多一種選擇未嘗不可；但普惠公司并不愿意失去在F-35戰斗機發動機唯一供應商的位置，因此主推的是分兩階段實施的F135改進方案。即第一階段可以視為小改方案，利用已有的技術，重點針對F135存在的問題盡快實現推力提升和質量穩定；第二階段則是充分利用AETP項目的成果，大量引入除三涵道架構以外的技術，對F135進行重大升級，類似于從F100-100到-220、再到-229的過程，最終實現F135的穩定成熟。

從各方的反應來看，F-35發動機能力的提升是必須實施的，但升級和換發兩種途徑各有優劣：升級成本低、見效快、潛力小；換發收益高、成本高、時間長。盡管眾議院對換發頗為積極，但國防授權法案還需要參議院和總統審議，能否保留對AETP項目的預算尚未可知。同時，國會和國防部還可以利用普惠公司的心理，以推動AETP發動機競爭為籌碼，施壓普惠公司拿出成本更低、性能更好、進度更快的F135改進方案。因此，以F135升級作為F-35的發動機能力提升途徑的可能性更大一些，而從費效比的角度看，換發則并不劃算。

AETP：蠟炬成灰

盡管F-35換發屢屢成為各方的爭論焦點，但AETP項目最核心的目的仍然是為用于六代機的發動機提供低風險的技術儲備，其主要任務是設計和制造自適應發動機原型，完成部件試驗評估和性能表征，并為制造工藝改進提供信息。原型發動機將開展海平面、高空等多種狀態試驗和耐久性評估來演示燃油效率的提高、推力的增加和新的部件技術，從而對性能以及熱管理、可靠性和可支持性等領域的風險進行量化。GE公司和普惠公司都計劃研發全新的核心機，并各自制造3臺試驗發動機。首臺發動機將測試基本的機械設計，第二臺用來評估性能和可操作性，第三臺則用于評估耐久性。

AETP項目包括詳細設計、發動機制造和發動機評估3部分，初步設計則由之前的AETD項目完成。AETD項目在2012年啟動時，作為自適應發動機技術預先研究的ADVENT計劃并未結束，承擔研究任務的GE公司和羅羅公司都尚未實現技術驗證。但美國國防部于2011年中止了GE公司和羅羅公司聯合承研的F-35替換發動機項目F136，而普惠公司的F135發動機研發工作也基本告一段落，都面臨著戰斗機發動機團隊無米下鍋的窘境。而當時美國空軍下一代戰斗機的圖像仍未清晰，國防部不得不先啟動自適應發動機驗證項目保留住研發力量，然后盡量放慢節奏等待飛機需求確定。因此整個項目被分為了兩個階段，各4年時間。第一階段是AETD，完成自適應發動機的整機方案設計（即初步設計）、關鍵部件和核心機的研發和驗證；第二階段為AETP，在AETD的整機方案基礎上進一步完成詳細設計、發動機制造和試驗評估。這種安排也給了普惠公司充足的時間，從只有一個三涵道風扇到實現整機集成驗證，勉強與GE公司站到了同一起跑線上。

AETP和NGAP項目預算變化情況

盡管美國國防部在AETP項目伊始給兩家企業的合同都不到10億美元，但到2020財年，在空軍提交的預算中，整個項目的預計經費合計達到了30.9億美元。在2021財年預算中，AETP所屬的預算項目下新增了下一代自適應推進（NGAP）項目，并已經在2019財年撥付了1.06億美元，且編列了到2024財年總計12.7億美元的經費預算。同時，AETP的經費相比此前的預算發生了大幅下降，2021財年甚至只有原計劃的三分之一左右。相應調減的經費則分配給了NGAP項目，二者總和相加仍接近34億美元。而從GE公司和普惠公司近期公開的信息來看，各自都只會完成兩臺AETP發動機的測試，原計劃的第三臺基本確定取消，這也與AETP經費的削減相互印證。

新增加的NGAP項目的任務是開展能夠滿足下一代空中優勢（NGAD）能力的自適應發動機原型設計和部件風險降低工作，演示可以通過縮放滿足NGAD發動機尺寸要求的自適應發動機技術，同時確保適當的制造和技術就緒水平。2016年，GE公司和普惠公司被授予的AETP合同中都包含了NGAP任務的選項，一旦六代機需求確定就立刻激活。因此，2019年5月，美國空軍六代機需求確定后，NGAP也隨之啟動。由此可見，AETP發動機并不能直接滿足六代機的需要，必須由全新的NGAP項目來滿足尺寸要求，說明六代機動力的尺寸與AETP相去甚遠，無法由后者簡單“縮放”來實現。

從以上分析可以看出，AETP項目本來就是為了在六代機需求尚未明確的情況下，臨時以F-35為配裝對象設計的自適應發動機驗證機，而在需求明確且與其差異較大時，AETP也就完成了其歷史任務。也正是在這種情況下，美國參議院本著物盡其用的原則，為AETP找到了另一條出路——F-35換發，并建議將2022財年的1350萬美元經費大幅提高到2.7億美元，以加速將AETP整合入F-35戰斗機。只不過AETP發動機只適合F-35A，與其他機型適配難度過大，難以撼動F135的正統位置，美國空軍也不可能同時研發兩種大小不一、性能相近的六代機發動機，最終AETP轉化為型號的幾率很小，而實際上稱之為自適應發動機“過渡”項目更加契合一些。

NGAP：天選之子

在美國空軍2022財年的預算申請中，NGAP項目的工作內容包括初始設計、初步設計、自適應原型計劃、詳細設計、發動機制造和發動機評估共6部分。其中，第一階段（初始設計、初步設計）從2020財年第一季度到2023財年第二季度，第二階段（自適應原型計劃、詳細設計、發動機制造、發動機評估）從2022財年第三季度到2026財年第四季度，兩階段之間存在一年的重疊期。在經費分配上，在2020財年和2021財年為GE公司和普惠公司各提供約2.8億美元的初步設計經費后，從2022財年開始，NGAP的詳細設計和原型開發經費授予方為“待定”。此舉表明，美國空軍先讓兩家公司開展需求分析（初始設計）和方案設計（初步設計），結合AETP發動機的實測結果，到2022財年進行對比，最終有可能只選一家進入詳細設計階段。

美國空軍六代機數字化敏捷研發概念

美國國防采辦流程“中間級采辦”路徑定位

盡管NGAP項目的周期長達7年，但結合美國空軍六代機數字化研發理念和國防采辦流程創新，六代機動力的研制進度或許會大大出乎預料。六代機數字化研發理念的核心是通過應用敏捷開發、數字工程和開放式架構，實現快速迭代發展。具體來說是，不再強調經久耐用，只求在10 ～ 15年里保持足夠先進；不再強調在性能上均衡地全面領先，只要關鍵技術到位，就著手研發和裝備；不再強調規模經濟，可能每年訂購24架，只持續3 ～ 5年，總數不超過幾百架，但利用數字化設計與制造、增材制造降低成本。按照這一理念，美國空軍在2019年5月完成NGAD的備選方案分析，到2020年9月就完成首架驗證機試飛，僅僅用時一年多，充分體現出數字化研發的優勢。

而眾議院武裝力量委員會在國防授權法案中提出，期望國防部對AETP配裝F-35A采用“中間級采辦”能否實現快速原型和部署進行評估，這也是AETP能在2027年服役的關鍵。“中間級采辦”模式是美國國防部于2018年在國防采辦程序中增加的，包括采用創新性技術在5年內開發出原型機的快速原型項目，以及采用經過驗證的技術在6個月內投入生產并在5年內完成部署的快速部署項目。這種采辦模式能夠實現技術的快速驗證和轉化，與美國六代機數字化研發理念不謀而合，對于已經實現多輪技術驗證的自適應發動機更是相得益彰，預計美國很有可能在六代機動力研發中采用“中間級采辦”，從而實現到2027年完成飛行驗證并達到可用狀態。

在NGAP發動機的推力等級上，上文已經分析過與AETP存在較大差異。據美國《航空周刊》報道，NGAP的尺寸可能更支持下一代雙發戰斗機，推力可能會明顯低于F119發動機。而美國空軍表示NGAD飛機可能是包含多種機型的“系統簇”概念，且單個機型并不強調全面領先，其推力的需求可能會大幅下降，但在研制進度和數字化程度的要求會大幅提高。此外，NGAD首架驗證機從研發到首飛僅用時一年多，其動力必然在當前在產且推力適當的發動機中選擇。目前美國空軍仍在接收的戰斗機發動機僅有F135與F110、F100兩種級別，F135推力與AETP接近，且明顯高于F119，可供選擇的就只有129kN的F110和F100了，即使擴大到其他軍種，也只有推力98kN的F414發動機。因此，可以初步判斷NGAD驗證機有可能采用兩臺推力在100 ～130kN之間的發動機，而NGAP的推力級別也不會相差太大。

結束語

自適應發動機技術經過十多年的研發已經基本成熟，在下一步轉化路徑的選擇上，當前風頭無兩的AETP項目由于不符合六代機的需求而面臨完成即終結的命運，成為名副其實的“過渡”項目。為了物盡其用，美國眾議院力推將AETP用于F-35，但這種用途面臨各種困難，更可取的是利用其技術成果對F135加以改進。而真正面向六代機的NGAP有可能采用數字化敏捷研發和“中間級采辦”等創新途徑，到2027年左右就將完成工程研制。最終美國自適應發動機技術的轉化應用可能會是明修棧道（AETP）、暗度陳倉（NGAP、F135改進）。