XF9-1驗(yàn)證機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)

作為日本發(fā)展下一代空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，全新研制的XF9-1發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)在近期的地面測試中達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的推力指標(biāo)，并具有超越最初設(shè)計(jì)目標(biāo)的發(fā)展?jié)摿?，?biāo)志著日本航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)逐漸接近世界先進(jìn)水平。

日本防衛(wèi)省采購、技術(shù)和后勤裝備廳（ATLA）于2018年11月13日在東京航展期間舉辦的防務(wù)技術(shù)研討會(huì)上公開表示，由石川島播磨重工（IHI）研制的XF9-1驗(yàn)證機(jī)在地面臺架試車中，最大推力達(dá)到了107.8kN，最大加力推力超過了147kN?？梢钥闯?，日本航空工業(yè)近年來在軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中取得了顯著進(jìn)步，從自行設(shè)計(jì)高性能核心機(jī)到獨(dú)立制造首臺驗(yàn)證機(jī)，目前進(jìn)入了全面的性能測試和數(shù)據(jù)分析階段，已經(jīng)具備了為下一代戰(zhàn)斗機(jī)研制新型高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。

處于測試階段的XF9-1驗(yàn)證機(jī)外形圖

未來作戰(zhàn)需求

XF9-1驗(yàn)證機(jī)的設(shè)計(jì)與研制是日本防衛(wèi)省著手發(fā)展下一代戰(zhàn)斗機(jī)的重要預(yù)研項(xiàng)目之一。早在2005年，ATLA就開始制訂未來戰(zhàn)斗機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的長期發(fā)展規(guī)劃，希望在2030年前后自主研制出下一代空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機(jī)，逐步取代三菱重工（MHI）生產(chǎn)的F-2戰(zhàn)斗機(jī)。針對未來作戰(zhàn)需求，ATLA在全面評估了本國航空工業(yè)自主研制的基礎(chǔ)和能力后，重點(diǎn)開展了氣動(dòng)布局、推進(jìn)系統(tǒng)和武器載荷艙等關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研工作。

作為預(yù)研工作的重要一步，ATLA設(shè)計(jì)和研制了一架先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)ATD-X。就動(dòng)力裝置而言，該機(jī)采用兩臺IHI自行研制的XF5-1渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在2016年實(shí)現(xiàn)首飛。XF5-1發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力為49kN，質(zhì)量為650kg，推重比為7.8，在尾噴口裝有偏流片，用于研究推力矢量控制技術(shù)。

隨著驗(yàn)證工作的逐步推進(jìn)，ATLA開始著手制訂自主研制下一代空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機(jī)的研制計(jì)劃，初步命名為F-3計(jì)劃，并稱之為“六代機(jī)”，重點(diǎn)突出信息化（Informed）、智能化（Intelligent）和快速反應(yīng)（Instantaneous），簡稱為3I。從作戰(zhàn)想定看，F(xiàn)-3戰(zhàn)斗機(jī)將是一種以奪取制空權(quán)為主要任務(wù)的多用途戰(zhàn)斗機(jī)，依靠強(qiáng)大的態(tài)勢感知能力和優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性，可以執(zhí)行遠(yuǎn)程空中打擊、快速空中攔截和對地打擊等任務(wù)。

根據(jù)2016年年底公布的26DMU設(shè)計(jì)方案，F(xiàn)-3戰(zhàn)斗機(jī)為一種重型多用途戰(zhàn)斗機(jī)，與當(dāng)前采購的F-35A戰(zhàn)斗機(jī)形成高低搭配，該機(jī)將采用兩臺高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，具有較寬的速度范圍和優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性能，最大馬赫數(shù)（Ma）為2，在飛行性能方面重點(diǎn)突出續(xù)航能力和武器載荷能力。

從推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來看，ATLA基于F-3戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)術(shù)性能需求，參照美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平，對于全新研制一種高性能輕型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提出了一些主要設(shè)計(jì)要求：

● 降低發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積，通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)最大外徑，減小機(jī)身占用空間，充分利用戰(zhàn)斗機(jī)的有限內(nèi)部空間裝載武器，從而有效減小戰(zhàn)斗機(jī)的浸潤面積，降低飛行阻力，實(shí)現(xiàn)了超聲速巡航，同時(shí)有助于增強(qiáng)戰(zhàn)斗機(jī)的隱身性能；

● 提高單位推力，一方面利用高性能的壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)較高的總增壓比，另一方面通過采用先進(jìn)的高溫合金材料，大幅度提高渦輪前燃?xì)鉁囟龋璐诉_(dá)到世界一流的推力性能，保證下一代戰(zhàn)斗機(jī)具備高機(jī)動(dòng)性，同時(shí)確保工作的可靠性；

● 具有高推重比，在確保推力性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和材料，盡可能減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高推重比；

● 產(chǎn)生足夠的供電功率，通過設(shè)計(jì)新型發(fā)電系統(tǒng)，為未來戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)載雷達(dá)和電子設(shè)備提供持續(xù)、充足的電力供給；

● 研究軸向推力矢量技術(shù)，在未來戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展中可以根據(jù)需要選擇安裝推力轉(zhuǎn)向噴管，為戰(zhàn)斗機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)提供支持。

根據(jù)下一代戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展規(guī)劃，ATLA分3個(gè)階段授予IHI研制高性能渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的合同。2010財(cái)年，IHI按照“下一代發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件的研究原型”合同，先后突破了高溫材料、先進(jìn)冷卻技術(shù)、數(shù)字式電子控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)關(guān)鍵部件的性能指標(biāo)。2013財(cái)年，IHI按照“戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)研究原型”合同，開始設(shè)計(jì)和制造核心機(jī)，并在測試中達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的性能。2015財(cái)年，IHI按照“戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)的研究原型”合同，圍繞核心機(jī)研制了風(fēng)扇、低壓渦輪、加力燃燒室和尾噴管等部件，組裝出一臺完整的XF9-1驗(yàn)證機(jī)。

XF9-1驗(yàn)證機(jī)的立體剖視圖

總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

從總體結(jié)構(gòu)來看，XF9-1驗(yàn)證機(jī)是一型雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，與美國空軍現(xiàn)役F-22戰(zhàn)斗機(jī)上使用的F119渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基本類似，可以看作是對標(biāo)F119發(fā)動(dòng)機(jī)的一次逆向仿制。在掌握零部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，首先通過核心機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后穩(wěn)步制造出驗(yàn)證機(jī)。

XF9-1驗(yàn)證機(jī)采用3級風(fēng)扇、6級高壓壓氣機(jī)、1級高壓渦輪和1級低壓渦輪，高壓轉(zhuǎn)子與低壓級在工作中采用對轉(zhuǎn)方式。它的進(jìn)口直徑約為1m，在核心機(jī)（高壓渦輪進(jìn)口截面）的最大直徑約為1.09m，比F119發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑1.2m要小。核心機(jī)的長度約為1.5m，包括加力燃燒室在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)總長度約為4.8m，比F119發(fā)動(dòng)機(jī)的長度5.16m要小。

目前，IHI尚未公開XF9-1驗(yàn)證機(jī)的空氣流量和涵道比，考慮到壓氣機(jī)和渦輪的級數(shù)與F119發(fā)動(dòng)機(jī)相同，但進(jìn)口直徑減小，因此空氣流量會(huì)相應(yīng)減少。與F119發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比0.3相比，XF9-1驗(yàn)證機(jī)的涵道比估計(jì)為0.2～0.25。

XF9-1驗(yàn)證機(jī)采用了3級風(fēng)扇，并在進(jìn)口處設(shè)計(jì)有進(jìn)口導(dǎo)流葉片。為了降低雷達(dá)截面積（RCS），進(jìn)氣道在設(shè)計(jì)時(shí)采用了抑制雷達(dá)波反射的措施。

與F119發(fā)動(dòng)機(jī)相比，XF9-1驗(yàn)證機(jī)具有相同的風(fēng)扇和壓氣機(jī)級數(shù)，在級負(fù)荷和效率設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那疤嵯?，考慮到空氣流量有所減少，因此總增壓比應(yīng)該略有增加，有助于提高熱力循環(huán)效率。

XF9-1驗(yàn)證機(jī)的壓氣機(jī)部分示意圖

有資料表明，XF9-1的風(fēng)扇和壓氣機(jī)采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)，取代了笨重的榫頭結(jié)構(gòu)，減小了輪緣處的徑向高度，消除榫頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣流損失，可以提高效率。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的零件數(shù)目大大減少，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。

燃燒室為短環(huán)形，采用了浮壁式結(jié)構(gòu)的火焰筒，利用對流和氣膜進(jìn)行復(fù)合冷卻，可以消除高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力對壽命的影響，改善火焰筒的耐久性。

作為高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的重要標(biāo)志，XF9-1驗(yàn)證機(jī)通過采用高溫材料和冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了1800℃的渦輪前溫度，有效地提高了單位推力。為了保證在工作中能夠承受如此高的溫度，高溫渦輪的導(dǎo)向器葉片和轉(zhuǎn)子葉片采用了鎳基高溫合金制造，渦輪盤采用了自行研制的TMW-24鎳鈷高溫合金制造，渦輪機(jī)匣采用了碳化硅增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，同時(shí)，高溫渦輪的導(dǎo)向器葉片和渦輪葉片采用了空心冷卻和氣膜冷卻設(shè)計(jì)，可有效降低高溫燃?xì)庵苯記_擊渦輪葉片表面的溫度。

與F119發(fā)動(dòng)機(jī)類似，XF9-1驗(yàn)證機(jī)將低壓渦輪與高壓渦輪的旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)為相反方向，即低壓轉(zhuǎn)子與高壓轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)一方面可以減少各級之間的燃?xì)饬鬓D(zhuǎn)彎導(dǎo)致的損失，提高了渦輪效率，同時(shí)可以簡化結(jié)構(gòu)；另一方面，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)抵消大部分作用在高壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子上的陀螺力矩，減小發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到機(jī)身的力矩，從而提高飛機(jī)的操縱品質(zhì)。

目前，XF9-1驗(yàn)證機(jī)采用常規(guī)的收斂擴(kuò)散形噴管，未來有可能在技術(shù)發(fā)展成熟的基礎(chǔ)上，換裝推力矢量噴管。

沿襲XF5-1發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，XF9-1驗(yàn)證機(jī)采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，可以與未來戰(zhàn)斗機(jī)的飛控系統(tǒng)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合控制。

與以往的航空發(fā)動(dòng)機(jī)不同，XF9-1驗(yàn)證機(jī)將傳統(tǒng)的起動(dòng)裝置和發(fā)電裝置集成為一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型化，減輕了質(zhì)量，減小了體積。作為一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，該系統(tǒng)有效地增加了發(fā)電功率，達(dá)到80kW，可以為戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)、光電和通信等系統(tǒng)和設(shè)備提供充足的電力。

高溫合金材料

從總體設(shè)計(jì)看出，XF9-1發(fā)動(dòng)機(jī)在性能方面的突出特點(diǎn)是顯著提高了渦輪前燃?xì)鉁囟?。日本航空工業(yè)經(jīng)過十多年的潛心研究，在高溫合金材料領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，甚至領(lǐng)先于美國。IHI在公開發(fā)布的信息中表示，XF9-1驗(yàn)證機(jī)已經(jīng)基本滿足了設(shè)計(jì)要求的性能，由于采用了日本在全世界引以為傲的材料技術(shù)，其核心機(jī)可以在渦輪前溫度1800℃條件下可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，已經(jīng)達(dá)到了當(dāng)前大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能水平。對比可見，這一指標(biāo)已經(jīng)超出美國現(xiàn)役F119發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度（1690℃）。

除了前面提到的冷卻技術(shù)和單晶葉片制造工藝外，XF9-1驗(yàn)證機(jī)的高壓渦輪葉片之所以能承受如此高的渦輪前溫度，很大程度上得益于在鎳基單晶葉片材料的研制中添加了稀有金屬錸。作為一種稀有金屬，錸的熔點(diǎn)為3186℃，排在碳和鎢之后，在所有元素中具有第三高的熔點(diǎn)。它在高溫下具有非常高的強(qiáng)度，并具有良好的冷加工性能，可以大幅度提高高溫合金材料的高溫性能，顯著增強(qiáng)高溫合金的抗蠕變性能，由此制造出更具耐久性的發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

目前，錸的最大用途之一是作為高溫合金的添加劑，用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪和尾噴管等零部件。以美國為例，F(xiàn)-15和F-16系列戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的鎳基高溫合金含有3%的錸，F(xiàn)-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的鎳基高溫合金含有6%的錸。由此推斷，XF9-1驗(yàn)證機(jī)的低壓渦輪葉片所采用鎳基高溫合金中的錸含量可能為8%～9%。

XF9-1驗(yàn)證機(jī)的高壓渦輪導(dǎo)向器葉片

XF9-1驗(yàn)證機(jī)的高壓渦輪葉片

再看渦輪盤，2011年XF9-1計(jì)劃管理人員曾經(jīng)希望采用陶瓷基復(fù)合材料（CMC）制造導(dǎo)向器和渦輪，后者是一種更具挑戰(zhàn)性的零部件，但隨著研制工作的進(jìn)展，更改為采用金屬材料。日本通過研究發(fā)現(xiàn)，采用TMW-24的渦輪盤可以通過傳統(tǒng)的鑄造和鍛造工藝制造，而不是通過粉末冶金制造，后者是這種部件在過去幾十年來常用的制造技術(shù)。

根據(jù)公開發(fā)表的文獻(xiàn)，日本在研究鎳基高溫合金中，以渦輪盤為對象，研制出高溫強(qiáng)度優(yōu)異、性能穩(wěn)定和易于加工的鎳鈷基TMW系列合金。與傳統(tǒng)合金U720Li相比，它在700℃附近的0.2%屈服應(yīng)力和蠕變強(qiáng)度特性優(yōu)異。

有報(bào)道表明，研究人員對TMW-24制造的渦輪盤的使用壽命進(jìn)行了試驗(yàn)，采用TMW-24制造的渦輪盤能夠承受710℃的高溫，接近于10年前采用粉末冶金技術(shù)制造的渦輪盤承受的溫度（730℃），高于20世紀(jì)70年代中期采用最好的鑄造和鍛造技術(shù)制造的渦輪盤承受的溫度（690℃）。但是，IHI最終是否采用TMW-24高溫合金制造渦輪盤，尚未有詳細(xì)報(bào)道。

用于風(fēng)洞測試的F-3戰(zhàn)斗機(jī)縮比模型

推進(jìn)系統(tǒng)一體化

與此同時(shí)，ATLA對于下一代戰(zhàn)斗機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了全面研究。在綜合考慮飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間相互影響的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的綜合性能上，在飛機(jī)總體布局基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力大、耗油率低和穩(wěn)定工作范圍寬，同時(shí)減小目標(biāo)信號特征，滿足隱身性能的要求。作為日本F-3戰(zhàn)斗機(jī)預(yù)先研究工作的一部分，ATLA已經(jīng)驗(yàn)證了低可探測性進(jìn)氣道概念，并開始研究推力矢量噴管技術(shù)，力求在F-3戰(zhàn)斗機(jī)總體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化控制（IFPC）。

根據(jù)26DMU設(shè)計(jì)方案，F(xiàn)-3戰(zhàn)斗機(jī)將采用兩側(cè)進(jìn)氣口和S形進(jìn)氣道。ATLA經(jīng)過權(quán)衡后，并未采用F-35戰(zhàn)斗機(jī)上的DSI進(jìn)氣口，而是選擇了更適合于高速飛行的邊界層隔道設(shè)計(jì)。與其他一些隱身設(shè)計(jì)類似，F(xiàn)-3戰(zhàn)斗機(jī)的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)為曲折的氣流通道，以遮蔽發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片直接反射雷達(dá)波。在進(jìn)行測試的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)中，它首先向上、向內(nèi)彎曲，進(jìn)口到出口大約偏折40°，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)前變?yōu)槠街薄?/p>

同時(shí)，ATLA還在研究用于XF9-1發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量噴管。此前，日本“心神”驗(yàn)證機(jī)配裝的XF5-1發(fā)動(dòng)機(jī)在尾噴口裝有偏流片，可以實(shí)現(xiàn)推力矢量控制，主要用于驗(yàn)證矢量噴口的IFPC基本能力，獲得了一些初步結(jié)果。

資料顯示，XF9-1驗(yàn)證機(jī)的尾噴口將采用軸向推力矢量噴口，具體是將擴(kuò)散段設(shè)計(jì)為可以自由偏轉(zhuǎn)20°。根據(jù)IFPC設(shè)計(jì)要求，兩臺發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量噴口可以獨(dú)立偏轉(zhuǎn)，以增加飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和優(yōu)化總體布局。

日本防衛(wèi)省表示，研究推力矢量技術(shù)的目的主要是為了減小飛機(jī)操縱面的尺寸，從而增強(qiáng)低可探測性。從氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)來看，未來的F-3戰(zhàn)斗機(jī)可以利用推力矢量的控制功能更快、更直接地改變飛機(jī)的操縱性能，在總體構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)減小尾翼面積，相應(yīng)地減小機(jī)體阻力，有利于實(shí)現(xiàn)超聲速巡航，更重要的是具備更好的隱身性能。從增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性來看，未來F-3戰(zhàn)斗機(jī)借助于推力矢量實(shí)現(xiàn)短距起飛和超機(jī)動(dòng)能力，可以更快、更有效地控制飛行，在低速和大迎角狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)過失速機(jī)動(dòng)成為可能。

結(jié)束語

按照計(jì)劃，XF9-1驗(yàn)證機(jī)的地面測試在2019年3月31日結(jié)束，接下來將在千歲縣的高空試車臺進(jìn)行模擬高空測試，然后再進(jìn)行加速任務(wù)試車等測試項(xiàng)目，最終還將安裝到飛行試驗(yàn)臺上全面測試空中性能。