■ 劉靜 李明 / 中國航發(fā)研究院

2020年1月9日，羅羅公司宣布將為英國下一代戰(zhàn)斗機“暴風(fēng)”（Tempest）項目開發(fā)世界一流的電氣技術(shù)，這意味著與“暴風(fēng)”配套的發(fā)動機將向提供電力與推力的綜合方向發(fā)展。

自20世紀(jì)60年代研制“鷂”式戰(zhàn)斗機以后，英國就一直沒再獨立研發(fā)過戰(zhàn)斗機整機，但其仍保留了完整的航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)，并牢牢抓住這個軍民用航空裝備領(lǐng)域的“要害”。在此基礎(chǔ)上，英國航空工業(yè)通過持續(xù)研發(fā)新的設(shè)計、材料、制造等相關(guān)技術(shù)，逐步提升核心能力，根據(jù)需求不斷推出新型發(fā)動機并進行系列化改進改型，并將技術(shù)變?yōu)橘Y金，進而再投入新的研發(fā)，形成了較好的良性循環(huán)。英國的下一代戰(zhàn)斗機“暴風(fēng)”項目就是在這種背景下醞釀和發(fā)展的。

英國下一代戰(zhàn)斗機“暴風(fēng)”

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機項目

項目概況

多年來，英國和法國一直設(shè)想聯(lián)合發(fā)展一種“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”（FCAS/SCAF），并開展了FCAS關(guān)鍵技術(shù)的先期成熟和演示驗證，但受英國脫歐等影響，該項目并未開展太多實質(zhì)性工作。2018年4月，法國和德國正式啟動FCAS計劃，定義了一個以“下一代戰(zhàn)斗機”（NF）為核心、多種元素相互連接協(xié)同的“系統(tǒng)族”，計劃在2040年前投入使用，用于替換兩國空軍的“臺風(fēng)”和“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機。2018年7月，英國發(fā)布《作戰(zhàn)航空戰(zhàn)略》，要求使英國能在國內(nèi)和全球獲得并保持制空能力，確保作戰(zhàn)優(yōu)勢等；同時公布將啟動下一代戰(zhàn)斗機“暴風(fēng)”項目，并展示了全尺寸模型。英國希望借此既維持其航空工業(yè)的高端研發(fā)能力，包括隱身技術(shù)、發(fā)動機、傳感器、航電設(shè)備以及各種先進武器；又確保未來一流軍事力量；還能夠在未來戰(zhàn)斗機市場占據(jù)一席之地。為此，英國政府將在2025年前為“暴風(fēng)”項目投資20億英鎊進行相關(guān)研究，工業(yè)界也將提供額外資金。項目計劃在2025年開始驗證機試飛；若進入裝備研制，將在2035年前后交付英國皇家空軍，在2040年取代退役的“臺風(fēng)”。

項目團隊

“暴風(fēng)”項目由英國國防部和工業(yè)界組成的聯(lián)合團隊共同開發(fā)。國防部人員主要來自英國皇家空軍、國防科學(xué)技術(shù)實驗室以及國防裝備和保障局等。工業(yè)界主要有4家公司參與：英國BAE系統(tǒng)公司牽頭總體系統(tǒng)與集成，羅羅公司負責(zé)推進系統(tǒng)，意大利萊奧納多公司負責(zé)綜合傳感器和航電系統(tǒng)，歐洲導(dǎo)彈集團（MBDA）負責(zé)機載武器系統(tǒng)。

為實現(xiàn)“暴風(fēng)”的快速研制及部署，英國效仿美國創(chuàng)建了皇家空軍快速能力辦公室（RCO），推行敏捷高效的創(chuàng)新采辦。該機構(gòu)目前為項目引入了下一代可消耗誘餌、集群無人機及其他能力，未來將進一步擴大技術(shù)集成選項、擴展技術(shù)演示驗證規(guī)模。

考慮技術(shù)、經(jīng)濟及市場等綜合因素，“暴風(fēng)”項目開始就采用了國際合作的方式，英國持續(xù)邀請國際合作伙伴加入，擬通過技術(shù)互補、資金投入、市場拓展等途徑提高項目質(zhì)量、分?jǐn)傎M用降低成本。2019年7月、9月，瑞典、意大利分別正式加入，成為項目國際合作伙伴。

項目進展

裝備研發(fā)前，勢必要開展大量可行性論證、技術(shù)風(fēng)險降低類工作，下一代戰(zhàn)斗機作為一個高度復(fù)雜的航空綜合體，尤為如此。

2018年7月，BAE系統(tǒng)公司獲英國國防部一份1年期合同，繼續(xù)開展“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”項目，主要研究未來“空戰(zhàn)”的概念、需求及其關(guān)鍵技術(shù)，用于定義下一代空戰(zhàn)能力，要求技術(shù)成熟度（TRL）達到3級，該結(jié)果可用于“暴風(fēng)”項目。截止到2019年10月，英國皇家空軍圍繞“暴風(fēng)”項目已經(jīng)啟動80個計劃，簽署160份合同，涉及可集成至戰(zhàn)斗機系統(tǒng)中的各種任務(wù)能力。

2020年，英國將加速項目開發(fā)，4家主要項目參與公司將于2020年12月前完成戰(zhàn)機性能分析，并計劃增加參與項目的英國員工人數(shù)由目前的1000人擴大到2500人，要求項目在2020年年底前完成對英國未來空戰(zhàn)能力重要性的項目分析，確定“暴風(fēng)”的能力水平、合作方式、成本、交付時間表和采用哪些技術(shù)等內(nèi)容。

2021—2025年，“暴風(fēng)”項目將加速技術(shù)成熟與國際合作。

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機特點

“暴風(fēng)”是單座雙發(fā)戰(zhàn)斗機，帶傾斜雙垂尾、內(nèi)置彈艙，無平尾；具有菱形機頭、翼身融合體的后緣呈W形輪廓等特點，與當(dāng)前隱身戰(zhàn)機有相似之處。作為下一代戰(zhàn)斗機，“暴風(fēng)”還將集成融合一系列當(dāng)前正在開發(fā)或已經(jīng)應(yīng)用的先進設(shè)計和制造技術(shù)，保證其在未來的領(lǐng)先性。

智能化

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機利用人工智能（AI）和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，可達到較高的智能化程度。雖采用有人駕駛，但兼具無人自主駕駛的能力，可作僚機使用，同時還可指揮集群無人機。通過先進的指揮控制系統(tǒng)和動態(tài)傳感器平臺，飛行員將更多地扮演“戰(zhàn)場指揮官”的角色。

信息化

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機特點

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗利用可重構(gòu)通信、傳感器融合等技術(shù)，能夠充分融入作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，與空天地海高帶寬連接組網(wǎng)，實現(xiàn)戰(zhàn)場360°全向態(tài)勢感知，扮演力量倍增器的角色，形成協(xié)同攻擊和防御的作戰(zhàn)能力?！氨╋L(fēng)”的組網(wǎng)對象包括戰(zhàn)斗機、預(yù)警機、無人僚機、集群無人機等空中平臺，以及衛(wèi)星、海上艦艇、地面車輛、機動部隊等裝備或人員。

先進武器

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機采用內(nèi)置模塊化載荷，可根據(jù)任務(wù)需求配置各種武器，如空空導(dǎo)彈、縱深攻擊巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈等，還可攜帶新型高超聲速導(dǎo)彈，甚至集群無人機。該機還計劃集成定向能武器，如激光、微波或粒子束等，這也是英國設(shè)計的首個攜帶此類武器的裝備，可顯著增強新機的攻擊能力。由于具備較強的拓展能力，根據(jù)任務(wù)需求，“暴風(fēng)”未來可扮演多用途作戰(zhàn)平臺的角色。

靈活能力

“暴風(fēng)”采用全虛擬可穿戴式座艙，通過增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）頭盔實現(xiàn)沉浸式感知駕駛，可根據(jù)飛行員定制并支持快速升級。該機還將使用分布式、多光譜無源和有源光電和射頻系統(tǒng)，具有對抗網(wǎng)絡(luò)攻擊能力。戰(zhàn)斗機可靈活集成新的軟硬件系統(tǒng)，支持即插即用，并專門針對未來性能提升進行了適應(yīng)性物理架構(gòu)設(shè)計。

飛發(fā)一體及推進系統(tǒng)的電氣化

實現(xiàn)上述“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機先進的技術(shù)特征和能力的關(guān)鍵，在于需要一個強大的動力能源系統(tǒng)作支撐，而現(xiàn)有的發(fā)動機均無法滿足這一需求。因此，羅羅公司計劃設(shè)計一型全新的發(fā)動機。新發(fā)動機的研制一方面注重優(yōu)化與飛機的一體化設(shè)計，同時采用革命性的新技術(shù)提高發(fā)動機自身的能力。

飛發(fā)一體化設(shè)計

一是對安裝進行優(yōu)化。推進系統(tǒng)在設(shè)計上與飛機平臺氣動匹配，可優(yōu)化平臺總體性能、航程及載荷能力。

二是優(yōu)化熱管理系統(tǒng)。利用燃氣渦輪發(fā)動機作為“熱沉”來回收飛機平臺周圍的熱能，進而省去了機載通風(fēng)系統(tǒng)，提高整體系統(tǒng)效率，通過大管路來冷卻渦輪和高溫尾氣以及武器艙等飛機部件。

三是采用智能電力管理系統(tǒng)。增加的發(fā)電能力結(jié)合智能電力管理系統(tǒng)，將不斷滿足飛機對電力增長的需要。該系統(tǒng)還可減少能量轉(zhuǎn)換裝置數(shù)量，將燃氣渦輪發(fā)動機作為首要動力源的潛力最大化。電力將存儲在大容量機載電池中，飛機不需要輔助動力裝置即可自主起動，可進一步減輕總體質(zhì)量。

嵌入式起動機發(fā)電機

早在2000年，羅羅公司就曾啟動多電發(fā)動機的研究計劃，研究在發(fā)動機軸上安裝電動機，用電力系統(tǒng)取代液壓、氣壓系統(tǒng)等。2014年，該公司開始了“嵌入式起動機發(fā)電機”（E2SG）的演示驗證項目，即將傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機核心機完全嵌入起動機發(fā)電機，這也是 “暴風(fēng)”項目配套動力的核心技術(shù)。

這種嵌入式起動機發(fā)電機，將磁體結(jié)合在發(fā)動機轉(zhuǎn)子上，將線圈置于磁體外側(cè)便形成發(fā)電機；而當(dāng)外界向線圈供電時，則可帶動轉(zhuǎn)子變成起動機。磁體同時應(yīng)用于高低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，形成兩個獨立的起動機發(fā)電機。利用這種嵌入式起動機發(fā)電機，在結(jié)構(gòu)上可拆除常規(guī)置于發(fā)動機外部的變速齒輪箱、油泵液壓泵、起動機和發(fā)電機等相關(guān)附件，進而簡化外部結(jié)構(gòu)，減小發(fā)動機橫截面面積。附件的去除，“中和”了嵌入式電機系統(tǒng)帶來的質(zhì)量增加。在性能上，可提高發(fā)動機效率、響應(yīng)速度；在空氣稀薄的高海拔環(huán)境中，可利用該系統(tǒng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的能量提取量，進而提高發(fā)動機的喘振裕度。

E2SG主要研究40～150kW系列的起動機發(fā)電機，分為三個階段。

飛發(fā)氣動匹配

熱管理系統(tǒng)

綜合電力管理系統(tǒng)

嵌入式起動機發(fā)電機

第一階段，投資綜合電力設(shè)施——一個綜合電測試室，可以讓燃氣渦輪發(fā)動機與直流電路在物理上相連。項目團隊開展了在軍用的阿杜爾（Adour）發(fā)動機的高壓壓氣機段安裝起動機發(fā)電機的一系列試驗。得益于在電磁和傳熱兩個領(lǐng)域的創(chuàng)新，雖然封裝在高振動、高溫、高速運轉(zhuǎn)的嚴(yán)酷環(huán)境內(nèi)，但試驗驗證嵌入式電機系統(tǒng)能可靠地起動發(fā)動機并向飛機供電?；贓2SG項目在阿杜爾發(fā)動機上開展的試驗工作，羅羅公司已開始開發(fā)AE3007發(fā)動機的嵌入式起動機發(fā)電機，額定功率40kW，用于RQ-4、MQ-4C和MQ-25等無人機。

第二階段，從2017年開始，主要研究連接低壓軸的第二臺起動機發(fā)電機、電網(wǎng)中的能量存儲系統(tǒng)，以及所有系統(tǒng)間電力供應(yīng)的智能管理能力。項目正在研究在發(fā)動機的高低壓雙軸上安裝起動機發(fā)電機，根據(jù)循環(huán)中高低壓系統(tǒng)載荷的不同進行調(diào)節(jié)，進而改善發(fā)動機的可操作性、響應(yīng)性和效率等性能。羅羅公司正在研究的另一項關(guān)鍵技術(shù)是電力管理智能控制系統(tǒng)，利用AI技術(shù)，實時監(jiān)測飛機的電力供應(yīng)，對滿足電力需求做出智能決策；同時優(yōu)化，包括發(fā)動機效率在內(nèi)的各種因素，以減少燃油消耗或降低發(fā)動機工作溫度，延長部件壽命。

第三階段，將新型熱管理系統(tǒng)集成到整個系統(tǒng)，并集成更多的多電發(fā)動機附件。羅羅公司還打算展示一個先進電力與推進系統(tǒng)的全尺寸驗證機，其中燃氣渦輪發(fā)動機的所有部件都將吸納新技術(shù)，包括達到更高功率的雙軸嵌入式發(fā)電、先進熱管理系統(tǒng)、針對未來戰(zhàn)斗機工作循環(huán)定制的儲能系統(tǒng)、能夠優(yōu)化燃氣渦輪發(fā)動機和電力與熱管理系統(tǒng)之間性能的智能電力管理系統(tǒng)。

隱身設(shè)計

兩臺發(fā)動機在布局上都非常靠近飛機中線，采用S形進氣道，探測不到葉片等旋轉(zhuǎn)機械，有利于減少飛機的前向雷達截面積（RCS）。采用內(nèi)埋式排氣裝置，配合矩形噴管口，并且圓轉(zhuǎn)矩過渡段加強燃氣摻混，以降低中心溫度。壓氣機引氣降低高溫排氣溫度，抑制紅外輻射。

其他先進技術(shù)

為控制飛機尺寸，設(shè)計者一般會選擇縮短發(fā)動機進氣道。但根據(jù)“雷神”無人驗證機經(jīng)驗，這樣會引起發(fā)動機喘振，這就需要抗進氣畸變的風(fēng)扇來處理氣體分離等問題。新發(fā)動機的進氣口采用可調(diào)整流葉片和抗畸變的風(fēng)扇系統(tǒng)，具有較高的畸變?nèi)萑潭取?/p>

在碳纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，羅羅公司已取得較大成功，包括在2020年1月開設(shè)了新工廠開展碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造，后續(xù)還將制造復(fù)合材料機匣，公司還通過增材制造技術(shù)減輕冷卻結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。先進的復(fù)合材料和增材制造技術(shù)應(yīng)用比例的提升，將有助于發(fā)動機簡化結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、提高推重比。

在維修方面，考慮未來發(fā)動機的可靠性需要，當(dāng)前的日常目視檢查將改為由機器人系統(tǒng)進入發(fā)動機內(nèi)部開展，減少對檢查窗口的需求。

在提升發(fā)動機效率方面，羅羅公司于2019年獲得英國皇家空軍快速能力辦公室價值1000萬英鎊、為期兩年的合同，以開展先進高馬赫數(shù)推進系統(tǒng)的設(shè)計、發(fā)展、分析和試驗研究，主要是更好地理解反應(yīng)發(fā)動機公司（Reaction Engine）的強預(yù)冷技術(shù)，及其在燃氣渦輪發(fā)動機上的集成應(yīng)用。未來“暴風(fēng)”發(fā)動機也可借鑒該技術(shù)，以提高效率、擴大飛行包線。

結(jié)束語

發(fā)動機是飛機的核心，這在下一代戰(zhàn)斗機上表現(xiàn)得尤為突出。下一代發(fā)動機的推力自然是要滿足超聲速巡航等基本性能要求，但由于未來戰(zhàn)斗機將攜帶大功率雷達、大量高功率傳感器與航電設(shè)備，甚至電動操縱面、定向能武器等，將導(dǎo)致飛機的熱負荷處理需求、電力的需求都達到空前水平，發(fā)動機須在保證推力、隱身等基本前提下滿足飛機對電、熱等方面的需求。綜上所述，下一代發(fā)動機將是集飛機的推力、電力及熱管理為一體的高度耦合系統(tǒng)。