問需求，看六代機(jī)技術(shù)瓶頸

繼美國的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)F-22全面交付部隊(duì)并已停產(chǎn)，中國在研的新型戰(zhàn)斗機(jī)殲20已進(jìn)入小批量試生產(chǎn)階段以來，第五代戰(zhàn)斗機(jī)的性能指標(biāo)逐漸被坐實(shí)，超聲速巡航、超視距空戰(zhàn)、超機(jī)動(dòng)飛行、超低可探測性的“4S”指標(biāo)成為外界對第五代戰(zhàn)斗機(jī)的判定標(biāo)準(zhǔn)。與中國“裝備一代、研制一代、預(yù)研一代”的軍工產(chǎn)品發(fā)展思路相似，第六代戰(zhàn)斗機(jī)的概念提案已經(jīng)進(jìn)入許多國家的研究所、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，關(guān)于下一代戰(zhàn)斗機(jī)的功能特性和技術(shù)指標(biāo)，不同國家的各機(jī)構(gòu)也提出了自己觀點(diǎn)。但主流觀點(diǎn)認(rèn)為，第六代戰(zhàn)斗機(jī)特征條件將基本具有：1.超越五代機(jī)的隱形能力和超聲速巡航能力；2.采用有源相控陣或更先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)；3.采用例如激光等定向能防御與攔截的主動(dòng)攻防武器；4.具有高感知能力的通信、協(xié)同指揮作戰(zhàn)電子系統(tǒng)；5.具有空天—體機(jī)動(dòng)能力的動(dòng)力系統(tǒng)。

不過根據(jù)第五代戰(zhàn)斗機(jī)的研發(fā)與裝備歷程，作為世界第一大經(jīng)濟(jì)體的美國都因不堪高昂的造價(jià)和維護(hù)費(fèi)而三番降低F_22裝備數(shù)量，那么世界其他各國想要擁有五代機(jī)甚至六代機(jī)，恐怕只能心有余而力不足。而有財(cái)力、有技術(shù)儲備且有需求研發(fā)六代機(jī)的國家似乎只有中美英法俄這5個(gè)聯(lián)合國常任理事國，這其中英國因與美國的同盟關(guān)系而不必自行獨(dú)立研發(fā)，法國也有可能與歐盟一起共同研發(fā)六代機(jī)。但即使能力再強(qiáng)大，對六代機(jī)的需求與標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)定也使這些國家不得不面對一些共同的技術(shù)難題，需求帶來的技術(shù)瓶頸阻礙著新機(jī)研發(fā)之路。這其中擺在首位的就是飛機(jī)的心臟—一發(fā)動(dòng)機(jī)。

空天一體的動(dòng)力瓶頸

“只要?jiǎng)恿?qiáng)，搬磚能上天”這句航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的行話被以色列空軍F-15的那次斷翼飛行完美演繹，這得力于美國普惠公司F100的強(qiáng)勁動(dòng)力。上世紀(jì)80年代，伴隨美國空軍提出的“先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)”計(jì)劃，為現(xiàn)在已經(jīng)成軍的F-22量身打造的普惠F119加力渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)自1997年正式裝備至今，都是戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)型號里最先進(jìn)的一款。F119-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)高達(dá)170干牛的推力以及超過10的推重比為F-22帶來了無與倫比的機(jī)動(dòng)性能和超聲速巡航性能。F119的性能在傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)登峰造極，普惠在其基礎(chǔ)上又研發(fā)出F135——F-35“閃電”戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大推力超過18噸。F135的誕生使航空發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪風(fēng)扇結(jié)構(gòu)領(lǐng)域幾乎沒有更多可以升級的空間，為了實(shí)現(xiàn)第六代戰(zhàn)斗機(jī)“空天一體”的作戰(zhàn)性能，發(fā)動(dòng)機(jī)的研制必須另辟蹊徑，才可能有所突破。變循環(huán)與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)再次被擺在桌前。

與其他武器裝備的發(fā)展脈絡(luò)相同，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)這一概念也經(jīng)歷了漫長的試驗(yàn)和發(fā)展。所謂變循環(huán)，即通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部件的幾何形狀、尺寸或位置來改變氣體流路結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量、增壓比、涵道比等循環(huán)參數(shù)，以適應(yīng)飛機(jī)的各個(gè)飛行階段或狀態(tài)。

2014年，美國通用電器公司（GE）公布了一組在俄亥俄州埃文代爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（ACE）樣機(jī)測試畫面。與GE之前因可靠I生問題在F-22戰(zhàn)斗機(jī)動(dòng)力競爭中落敗的F120相比，這款在F120基礎(chǔ)上發(fā)展出的ACE重新開啟了發(fā)動(dòng)機(jī)的變循環(huán)之路，也為六代機(jī)所追求的發(fā)動(dòng)機(jī)效率提供了可能。

相比以往產(chǎn)品，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道更寬，涵道比變化程度超過1.0（非自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)僅為0.3～0.5），這使其耗油量進(jìn)一步降低。ACE通過更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)可調(diào)幾何機(jī)構(gòu)協(xié)同匹配各涵道流量的設(shè)計(jì)，避免因多余氣流無法通過發(fā)動(dòng)機(jī)而產(chǎn)生的溢流阻力，使發(fā)動(dòng)機(jī)擁有了更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。2007年，美國開啟多用途先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃（VAATE），正式啟動(dòng)ACE的研制工作，目前已經(jīng)完成了理論驗(yàn)證，預(yù)計(jì)2017年開始整機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)。

采用新理論設(shè)計(jì)的ACE發(fā)動(dòng)機(jī)在軍用飛機(jī)領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。對轟炸機(jī)而言，更遠(yuǎn)的航程和更快的突防速度是永恒的追求，美軍如果想發(fā)展比B-2更先進(jìn)的轟炸機(jī)，以ACE為動(dòng)力似乎是不二之選。

動(dòng)力永遠(yuǎn)與油耗有關(guān)，隨著全球化石能源的日漸消耗，即便是在對經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求并不高的軍事領(lǐng)域，人們還是希望未來的軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)能在提供強(qiáng)大動(dòng)力的同時(shí)降低油耗。為此，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）也將大量科研經(jīng)費(fèi)投向發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。該實(shí)驗(yàn)室與GE公司合作，旨在為ACE發(fā)動(dòng)機(jī)在不同巡航階段提供不同的燃油供給，以求實(shí)現(xiàn)各階段的最佳油耗。AFRL希望該項(xiàng)研究能為戰(zhàn)機(jī)提升25%的燃油效率，這可使飛機(jī)航程擴(kuò)大35%，從而減少戰(zhàn)斗機(jī)對加油機(jī)的依賴。

外界曾有人預(yù)測，GE公司研發(fā)的ACE發(fā)動(dòng)機(jī)未來可能會(huì)用于F-35發(fā)動(dòng)機(jī)的升級。這樣的預(yù)測不無道理，因?yàn)闆]有哪一款全新代級的戰(zhàn)機(jī)在一開始就會(huì)使用全新理念設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，所有新設(shè)備都會(huì)逐一在成熟機(jī)型上一步步試用，這有助于降低風(fēng)險(xiǎn)和促進(jìn)技術(shù)成熟，最終促成規(guī)模化的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化方案。

與ACE技術(shù)不同，美國洛克希德·馬丁公司在今年3月宣布，其處于預(yù)研階段的6倍聲速軍機(jī)取得突破性進(jìn)展，該公司首席執(zhí)行官瑪麗蓮·休森稱，“我們正在打造一種可控、低阻力的氣動(dòng)飛行器，它可在起飛時(shí)的亞聲速階段和后續(xù)的跨聲速、超聲速以及高超聲速階段穩(wěn)定工作，最高速度可達(dá)6馬赫?！?/p>

這種高超聲速飛行器顯然采用了沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。由于沒有活動(dòng)組件，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與一般噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)比較起來，重量較輕，結(jié)構(gòu)也比較簡單。但沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)適合的工作環(huán)境是在2馬赫或以上速度，最低啟動(dòng)速度也大約在此界線。隨著速度逐漸增加，氣體的沖壓效應(yīng)在3馬赫時(shí)效率會(huì)大幅高過渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，而此時(shí)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)受限于超溫往往已經(jīng)無法工作了。但沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒階段，進(jìn)氣氣流的速度仍然需要經(jīng)過激波減速在聲速以下，否則燃燒過程將無法維持。新一代的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)稱為超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流在燃燒階段還是維持在聲速以上的速度，在技術(shù)難度上更高，也是目前發(fā)動(dòng)機(jī)公司重點(diǎn)研發(fā)的對象。

定向能武器的物理門檻

第六代戰(zhàn)斗機(jī)的標(biāo)配武器似乎應(yīng)該與目前廣泛使用的機(jī)載武器，如導(dǎo)彈、炸彈、電子戰(zhàn)吊艙等有顯著區(qū)分，激光類高能定向武器似乎是不二之選。美國曾于2004年在一架改裝的波音747-400F飛機(jī)上測試過兆瓦級的氧碘化學(xué)激光武器系統(tǒng)，這套名為YAL-1機(jī)載激光系統(tǒng)的飛行平臺主要用于測試攔截戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈，并在之后的測試中成功擊毀過多枚導(dǎo)彈。后因預(yù)算縮減與技術(shù)問題，項(xiàng)目被迫終止。

試驗(yàn)證明，采用機(jī)載激光定向能武器的確可以擊傷、擊毀一些設(shè)備，但是談及將激光武器應(yīng)用于第六代戰(zhàn)斗機(jī)，以滿足六代機(jī)在高超聲速、高機(jī)動(dòng)飛行時(shí)所需的打擊能力，似乎還為時(shí)尚早。

首先，外界最常討論的將機(jī)載激光武器用于彈道導(dǎo)彈攔截，如果此項(xiàng)功能成為六代機(jī)選配甚至標(biāo)配，實(shí)數(shù)大材小用。因?yàn)槭箲?zhàn)斗機(jī)擁有攔截彈道導(dǎo)彈的能力，用以應(yīng)對完全處于未知狀態(tài)的彈道導(dǎo)彈打擊，經(jīng)濟(jì)性實(shí)在太差，不如繼續(xù)發(fā)展當(dāng)前的三基反導(dǎo)系統(tǒng)與少量的大型機(jī)載激光系統(tǒng)。此外，當(dāng)戰(zhàn)爭發(fā)展到需要使用彈道導(dǎo)彈相互打擊的階段時(shí)，戰(zhàn)斗機(jī)存在的意義已經(jīng)不大。因此是否為六代機(jī)標(biāo)配具有反彈道導(dǎo)彈的定向能武器，還值得商榷。

其次，激光武器能否安裝在戰(zhàn)斗機(jī)上，以及能獲得怎樣的打擊與防御能力，也是人們現(xiàn)在正在探討的問題之一。激光武器具有反應(yīng)時(shí)間短，可迅速變換打擊對象，靈活處置多目標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也十分明顯。受雨雪霧天氣影響不能全天候作戰(zhàn)，受大氣能量吸收、大氣擾動(dòng)能、熱暈效應(yīng)、湍流以及光速抖動(dòng)引起的能量衰減，激光武器即使使用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行大氣擾動(dòng)補(bǔ)償，效果也未能令人滿意。這也是美國機(jī)載激光項(xiàng)目下馬的重要原因。

第三，最為致命的功率一體積/重量問題，在能量儲存設(shè)備難以微型化的問題解決之前，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，更不要提將其安裝在“寸土寸金”的戰(zhàn)斗機(jī)上。這方面，化學(xué)激光器效能最差，新的固體和液體激光器雖有很大提高，但體積重量依然無法滿足戰(zhàn)斗機(jī)裝載。同時(shí)，激光儲能器的補(bǔ)給也是一個(gè)擺在科研人員面前的大問題。目前，飛機(jī)上所有電能供給都來自飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過附加機(jī)匣將渦輪的一小部分動(dòng)力輸出，用于機(jī)載電器與液壓設(shè)備。以F-15E的功率為例，其電源功率約100千瓦，除去雷達(dá)、航電、火控、舵面控制、空調(diào)系統(tǒng)外，幾乎沒有太多能源可以供給激光器，而激光器一次至少需要100千瓦能量。

最后，即便定向能武器最終能夠成為第六代戰(zhàn)斗機(jī)的武器標(biāo)配，其應(yīng)用方式也是一個(gè)避不開的問題，因?yàn)槿藗兛梢愿淖儍δ芊绞?，卻不能改變大氣物理特性，大氣的干擾導(dǎo)致100千瓦級激光武器只能用于10干米以內(nèi)的近距離空戰(zhàn)。在推崇視距外結(jié)束戰(zhàn)斗的當(dāng)下，這樣的殺傷距離與AIM-120C的120干米有效射程是量級上的區(qū)別，因此將激光武器安裝在戰(zhàn)機(jī)上，似乎只能利用其敏捷性的特點(diǎn)進(jìn)行近距纏斗攻擊與防御來襲導(dǎo)彈。

值得高興的是，激光器小型化目前已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，目前，美國通用原子公司研制的HELLADS激光系統(tǒng)已經(jīng)將發(fā)射每千瓦光束所需的儲能器重量降至重量5千克，體積3立方米。其150千瓦級激光武器系統(tǒng)的重量控制在2000磅（907千克）一下。通用原子能公司發(fā)言人表示，這是目前單位重量下高能激光功率的世界紀(jì)錄，這使激光武器距離登機(jī)更近一步。在美國國防高級研究計(jì)劃局的支持下，這些激光武器的性能還在不斷提升，并有望在2020-2025年左右投入實(shí)用。

隱形性能的客觀矛盾

所謂隱形，是指機(jī)身表面涂有可吸收雷達(dá)波的材料，從而降低可探測性達(dá)到雷達(dá)隱形的目的，通過特殊的外形設(shè)計(jì)同樣可以降低雷達(dá)波的反射。此外，在飛機(jī)總體設(shè)計(jì)時(shí)，也需主動(dòng)限制飛機(jī)本身所發(fā)出的電子信號、熱能與噪音等。因技術(shù)門檻高，目前有能力制造隱形飛機(jī)的國家僅有美國、中國等極少數(shù)國家。

以號稱隱形性能最強(qiáng)的F-22戰(zhàn)斗機(jī)為例，其正面雷達(dá)反射截面積（RCS）僅有0.0001平方米，而同等距離一架民航客機(jī)的RCS高達(dá)100～1000平方米。但六代機(jī)的隱形能力要比O.0001平方米更勝一籌絕非易事。

為在當(dāng)前基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升隱形能力，氣動(dòng)布局首先需要顛覆性設(shè)計(jì)。F-22采用常規(guī)氣動(dòng)布局，是當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下，人們在隱形與機(jī)動(dòng)性兩者之間的妥協(xié)。中國殲20所使用的吸波材料效能與F-22的相比尚不知高下，但單從氣動(dòng)布局來看，采用鴨翼布局的殲20隱形性能絕對低于F-22。這種布局只是為了彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的不足而做出的讓步。那么如果要在機(jī)體結(jié)構(gòu)上降低RCS，必須減少機(jī)體表面鼓包，如機(jī)翼舵面作動(dòng)筒整流罩，減少縫隙，如起落架艙、彈艙縫隙和維護(hù)艙口等，采用一體式、內(nèi)埋式鉚釘，減少突出天線、空速管與外掛物等，這些都是從細(xì)節(jié)上降低RCS。宏觀上，取消垂尾，主翼與平尾一體化設(shè)計(jì)則可以更大程度降低側(cè)向RCS，如采用飛翼布局的B-2轟炸機(jī)，或電影中更為科幻的蝶形、三角形飛行器，但這樣的設(shè)計(jì)會(huì)犧牲機(jī)動(dòng)性，這就需要性能更加強(qiáng)大、具有矢量推力的發(fā)動(dòng)機(jī)做支持。其次，發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的熱輻射也是影響戰(zhàn)機(jī)隱形性能的重要原因之一。紅外輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，因此，如何將性能更強(qiáng)大發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱氣流降溫也是一個(gè)問題。目前普遍采用的方法有使用S形進(jìn)氣和排氣道，可延長熱氣流在機(jī)體內(nèi)冷卻時(shí)間；增大發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比，利用更多冷空氣降低熱流溫度；采用紅外吸波材料等。但前兩項(xiàng)會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)，對戰(zhàn)機(jī)機(jī)動(dòng)性也有一定影響。第三，雷達(dá)關(guān)機(jī)與無線電靜默。減少使用雷達(dá)的頻率，被動(dòng)接收后方預(yù)警機(jī)或大型預(yù)警雷達(dá)發(fā)來的戰(zhàn)場環(huán)境信息，可減少暴露自身位置的概率，這需要聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)系統(tǒng)提供詳實(shí)的戰(zhàn)場信息。最后，聲學(xué)與光學(xué)隱形，這是一個(gè)老生常談的問題，在可預(yù)見的未來，戰(zhàn)斗機(jī)無法做到聲學(xué)與光學(xué)隱形。

戰(zhàn)斗機(jī)與所有工業(yè)產(chǎn)品一樣，使用的技術(shù)都符合科技發(fā)展的必然規(guī)律。目前，雷達(dá)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)正處于高速發(fā)展期，尚不存在難以突破的技術(shù)瓶頸。僅有以上三點(diǎn)——發(fā)動(dòng)機(jī)、定向能武器、隱形性能，可能是第六代戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)過程中難度較大問題，其中發(fā)動(dòng)機(jī)問題位列首位。另外，包括戰(zhàn)斗機(jī)在內(nèi)的所有飛行器，都不能只追求某一方面的性能最優(yōu)化，必須綜合整體，全面進(jìn)步。正如上文所說，隱形。性和機(jī)動(dòng)性難以兼得，通信亦會(huì)暴露飛機(jī)動(dòng)向，發(fā)動(dòng)機(jī)功率左右著定向能武器的能量供給?！铒w機(jī)若求優(yōu)秀，必談?wù)w，只有在機(jī)動(dòng)性、可探測性、攻擊與御性、通信與協(xié)同作戰(zhàn)能力等多方面性能根據(jù)需求取舍，方可成為天空的翹楚。

責(zé)任編輯：陳肖