2020年軍用航空動力發(fā)展綜述

■ 顏瑾釗 李明 / 中國航發(fā)研究院

受新冠肺炎疫情影響，2020年全球經(jīng)濟(jì)萎縮、國內(nèi)生產(chǎn)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(fā)投入也隨之水漲船高。當(dāng)前，對于戰(zhàn)斗機(jī)的動力，三代機(jī)仍是主力擔(dān)當(dāng)、四代機(jī)業(yè)已成熟、下一代的研發(fā)穩(wěn)步推進(jìn)；而轟炸機(jī)和旋翼機(jī)的動力則繼續(xù)升級換代。

歐美持續(xù)投入戰(zhàn)斗機(jī)動力換代發(fā)展

即使沒有明確的航空平臺牽引發(fā)動機(jī)的需求，美國依然采取技術(shù)推動策略，一直超前研發(fā)，保持航空發(fā)動機(jī)的持續(xù)換代升級。歐洲則針對較確切的需求，幾乎與飛機(jī)同步發(fā)展動力裝置，考慮政治、經(jīng)濟(jì)、市場、能力等綜合因素，法德兩國選擇合作研發(fā)下一代動力，英國則是獨立開展。從型號研發(fā)的角度來看，以F135為典型代表的四代機(jī)動力現(xiàn)已基本成熟，進(jìn)入大批量生產(chǎn)、維護(hù)保障、改進(jìn)升級階段；俄羅斯的“產(chǎn)品30”大量技術(shù)細(xì)節(jié)公布，正在開展二階段試驗；F110、AL-41F-1S等三代機(jī)動力，憑借成熟的技術(shù)、充沛的產(chǎn)能、穩(wěn)定的后勤保障，仍是戰(zhàn)斗機(jī)動力的中流砥柱。

歐美持續(xù)研發(fā)下一代戰(zhàn)斗機(jī)動力

美國自適應(yīng)發(fā)動機(jī)將在2025年前具備飛行能力GE航空集團(tuán)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(yīng)推進(jìn)”（NGAP）系統(tǒng)的獨立競爭設(shè)計，并將在3年后完成全尺寸發(fā)動機(jī)評估。NGAP系統(tǒng)的研發(fā)包括初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、發(fā)動機(jī)制造和發(fā)動機(jī)評估等4個階段。美國空軍分別授予了GE航空集團(tuán)和普惠公司價值4.27億美元合同，以支持NGAP系統(tǒng)的研發(fā)。據(jù)報道，美國的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)將在2025年前具備飛行能力。

GE航空集團(tuán)的自適應(yīng)發(fā)動機(jī)

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)及發(fā)動機(jī)

FCAS戰(zhàn)斗機(jī)及其動力裝置

英國“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)動力采用先進(jìn)電氣技術(shù)，預(yù)計2035年服役羅羅公司表示將在下一代戰(zhàn)斗機(jī)“暴風(fēng)”項目中應(yīng)用近5年一直在開發(fā)的世界頂尖技術(shù)。為了更電氣化、更智能，未來戰(zhàn)斗機(jī)的電力需求將達(dá)到前所未有的水平，包括武器、大功率的傳感器、通信系統(tǒng)、作動系統(tǒng)、附件及常規(guī)航電設(shè)備等。電氣化導(dǎo)致熱負(fù)荷隨之增加，需要在飛機(jī)隱身的前提下進(jìn)行妥善管理?！氨╋L(fēng)”啟動之前，羅羅公司已經(jīng)開始相關(guān)研究，如完全嵌入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)核心機(jī)的起動機(jī)發(fā)電機(jī)，即“嵌入式起動機(jī)發(fā)電機(jī)”（E2SG）的演示驗證項目，發(fā)動機(jī)不僅產(chǎn)生飛機(jī)所需推力，還為飛機(jī)所有系統(tǒng)提供電力，并管理由此產(chǎn)生的熱負(fù)荷。

法德采用變循環(huán)技術(shù)，演示驗證機(jī)將在2027年就緒法國賽峰集團(tuán)公布了“未來作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”（FCAS）的動力裝置的部分技術(shù)細(xì)節(jié)。該發(fā)動機(jī)由賽峰集團(tuán)和德國MTU航空發(fā)動機(jī)公司在2019年年初確定合作研發(fā)，前者負(fù)責(zé)熱端部件的研發(fā)與集成，后者負(fù)責(zé)冷端部件并提供維護(hù)、修理與大修（MRO）服務(wù)。該發(fā)動機(jī)具有變循環(huán)能力能夠調(diào)節(jié)涵道比，矢量噴管更易于飛機(jī)操縱；并將探索混合動力技術(shù)以進(jìn)行機(jī)載能量管理。結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量更輕的該發(fā)動機(jī)能產(chǎn)生強(qiáng)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(yù)計將高達(dá)2100K，賽峰集團(tuán)將研發(fā)可以承受此溫度的先進(jìn)技術(shù)和材料。演示驗證發(fā)動機(jī)將在2027年準(zhǔn)備就緒。

美國F135生產(chǎn)保障能力提升，俄羅斯持續(xù)發(fā)力“產(chǎn)品30”

美國大批生產(chǎn)F135發(fā)動機(jī)并進(jìn)行改進(jìn)維護(hù)洛克希德-馬?。羼R）公司在2020年全年交付123架F-35戰(zhàn)斗機(jī)，截至2020年年底，該機(jī)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(fā)動機(jī)由普惠公司獨家提供。美國在加速生產(chǎn)F135發(fā)動機(jī)的同時，已著手對其進(jìn)行改進(jìn)升級研究，并推進(jìn)建立一個有效的全球支持網(wǎng)絡(luò)，提供發(fā)動機(jī)全生命周期的使用保障支持。

在批量生產(chǎn)方面，普惠公司從21世紀(jì)初就相繼獲得了一系列F135合同，配裝前11批次小批量生產(chǎn)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(fā)動機(jī)生產(chǎn)合同，包含第12批次和第13批次發(fā)動機(jī)，第14批次的定價期權(quán)，以及配套的項目管理、工程支持和生產(chǎn)支持。

在改進(jìn)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(fā)動機(jī)改進(jìn)合同，涉及為美國海軍、空軍以及日本生產(chǎn)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(zhàn)評估的合同，來確定F-35及后續(xù)型號對發(fā)動機(jī)不斷增長的要求，以支持未來武器系統(tǒng)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(hù)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(shè)包括飛機(jī)和發(fā)動機(jī)在內(nèi)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(wù)。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(shù)10年F135的全球用戶提供MRO、升級及后勤支持等一系列服務(wù)。12月，普惠公司獲得6.42億美元的F135使用和維護(hù)合同，支持美國空軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、國際客戶的F135的外場使用，合同預(yù)計將于2021年11月完成。

俄羅斯“產(chǎn)品30”進(jìn)行二階段試驗俄羅斯多功能戰(zhàn)斗機(jī)蘇-57的第二階段動力“產(chǎn)品30”發(fā)動機(jī)（也稱“30號機(jī)”）進(jìn)行第二階段試驗?！爱a(chǎn)品30”由俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)集團(tuán)（UEC）研發(fā)，采用變涵道比設(shè)計，渦輪前溫度高達(dá)1950 ～2100K，最大推力可達(dá)107.8kN，加力推力176.4kN，推重比大于10：1，耗油率與AL-31F發(fā)動機(jī)相當(dāng)。兩臺“產(chǎn)品30”可使蘇-57在不開加力狀態(tài)下巡航速度達(dá)Ma1.5。等離子點火系統(tǒng)提高了發(fā)動機(jī)紅外和雷達(dá)隱身能力，矢量噴管大幅提升了飛機(jī)各狀態(tài)下的機(jī)動性。首架配裝“產(chǎn)品30”的蘇-57將于2022年完成。

三代機(jī)動力成熟可靠，仍是主戰(zhàn)裝備

F110發(fā)動機(jī)再獲大批生產(chǎn)訂單GE航空集團(tuán)獲美國空軍授予的4份F110-GE-129發(fā)動機(jī)生產(chǎn)合同，屬于不確定交付/不確定數(shù)量（IDIQ）性質(zhì)，價值約7.07億美元，將為第70批次F-16C/D及F-15QA戰(zhàn)斗機(jī)提供動力，以及安裝、備件和升級發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)。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(fā)動機(jī)發(fā)起競爭性招標(biāo)，要求2023年6月開始交貨，預(yù)計生產(chǎn)將持續(xù)到2030年。6月，美國空軍授予GE航空集團(tuán)1.01億美元固定價格合同，采購F-15EX用F110-GE-129發(fā)動機(jī)，包括發(fā)動機(jī)安裝、備件及現(xiàn)代化的發(fā)動機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。9月，GE航空集團(tuán)向空軍交付了首臺發(fā)動機(jī)。

F414發(fā)動機(jī)為韓國下一代戰(zhàn)機(jī)KF-X提供動力GE航空集團(tuán)為韓國航空工業(yè)公司的KF-X飛機(jī)交付了首臺F414-GE-400K發(fā)動機(jī)。KF-X是韓國正在研發(fā)的下一代戰(zhàn)斗機(jī)，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(fā)。作為研發(fā)計劃的一部分，GE航空集團(tuán)將在2021年前為6架原型機(jī)飛行試驗提供15臺F414發(fā)動機(jī)。韓國空軍計劃采購120架KF-X，配套的240臺發(fā)動機(jī)及備用發(fā)動機(jī)由GE航空集團(tuán)提供。

配 裝 蘇-30的AL-41F-1S正加緊生產(chǎn)俄羅斯空軍計劃在2021年將基于蘇-30SM設(shè)計的蘇-30重型戰(zhàn)斗機(jī)新型號投入使用，將配裝更加先進(jìn)的AL-41F-1S發(fā)動機(jī)（即117S），該型發(fā)動機(jī)目前正在生產(chǎn)中。AL-41F-1S在AL-31F基礎(chǔ)上持續(xù)改進(jìn)而來，配裝蘇-35戰(zhàn)斗機(jī)，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(zhàn)斗機(jī)飛行速度，改善飛行性能。使用單一類別的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)可減輕空軍的維修負(fù)擔(dān)。

美俄加速戰(zhàn)略轟炸機(jī)動力升級換代

美國發(fā)布B-52H換發(fā)信息征詢書

2020年4月23日，美國空軍發(fā)布了B-52H轟炸機(jī)的換發(fā)需求草案。B-52H以普惠公司的8臺TF33發(fā)動機(jī)為動力，自20世紀(jì)60年代初開始服役。美國空軍打算采購608臺民用發(fā)動機(jī)，外加備用發(fā)動機(jī)和支援設(shè)備，以確保該重型轟炸機(jī)可以服役至2050年。GE航空集團(tuán)、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(tuán)打算以CF34-10和“通行證”(Passport)等兩型發(fā)動機(jī)參與競標(biāo)，普惠公司打算以PW800發(fā)動機(jī)參與競標(biāo)，羅羅公司打算以由BR700衍生而來的F130發(fā)動機(jī)競標(biāo)。

圖-160M換裝NK-32-02發(fā)動機(jī)

俄羅斯圖-160M換發(fā)首飛

圖-160M戰(zhàn)略轟炸機(jī)換裝NK-32-02新型發(fā)動機(jī)在11月完成首飛，這是繼圖-160M在2月完成首飛后達(dá)到的又一里程碑。NK-32-02推力高達(dá)245kN，是俄羅斯目前推力最大的航空發(fā)動機(jī)，采用新型冷卻系統(tǒng)，壓氣機(jī)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(jié)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(lián)合發(fā)動機(jī)集團(tuán)研制，已具備批量生產(chǎn)條件，預(yù)計將于2021年供應(yīng)新一批NK-32-02。而對于下一代戰(zhàn)略轟炸機(jī)“遠(yuǎn)程航空兵未來航空綜合體”（PAK DA）的動力，據(jù)俄羅斯透露，目前正處于原型機(jī)研制階段，預(yù)計將于2021—2022年完成。NK-32-02發(fā)動機(jī)的研制將為新一代動力裝置奠定基礎(chǔ)。

美國新一代旋翼機(jī)動力產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展順利

新一代渦軸發(fā)動機(jī)T901完成關(guān)鍵設(shè)計評審

美國陸軍確定入圍“未來攻擊偵察直升機(jī)”（FARA）原型機(jī)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(tuán)的新一代渦軸發(fā)動機(jī)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(jī)的升級動力。

與“阿帕奇”“黑鷹”的當(dāng)前動力T700發(fā)動機(jī)相比，T901功率將提高50%達(dá)到2240kW，耗油率降低25%，功重比提高65%，設(shè)計壽命提高20%，生產(chǎn)和維修成本均降低35%，且能在1830m高度、35℃的環(huán)境下保持性能。

T901在2019年進(jìn)入工程和制造開發(fā)（EMD）階段，在2020年7月完成系統(tǒng)級關(guān)鍵設(shè)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(jìn)入了下一個關(guān)鍵里程碑，即XT901首臺發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗；2021年預(yù)計完成發(fā)動機(jī)整機(jī)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(jī)進(jìn)入服役狀態(tài)，形成初始戰(zhàn)斗力。

未來經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動機(jī)計劃即將完成

GE航空集團(tuán)即將完成“未來經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動機(jī)”（FATE）計劃，開發(fā)一型3730 ～7460kW的渦軸發(fā)動機(jī)。FATE計劃由GE航空集團(tuán)和美國陸軍聯(lián)合出資，旨在達(dá)到一系列發(fā)動機(jī)質(zhì)量、成本和性能目標(biāo)，包括油耗降低35%，功重比提高80%，設(shè)計壽命提高20%，生產(chǎn)和維護(hù)成本比目前使用的傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)降低45%。

截至2020年10月，GE航空集團(tuán)已經(jīng)完成兩臺發(fā)動機(jī)的測試，以及幾項部件測試，包括進(jìn)口粒子分離器、壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪。目前發(fā)動機(jī)已完成超過130h的測試，獲得了2200多個穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點。

在FATE計劃中開發(fā)和驗證的技術(shù)將用于下一代渦軸發(fā)動機(jī)、正在研制的T901發(fā)動機(jī)，以及T700和T408等現(xiàn)役發(fā)動機(jī)產(chǎn)品。

T901渦軸發(fā)動機(jī)部件示意

結(jié)束語

縱觀2020年世界軍用航空動力技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)仍是當(dāng)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(yīng)、電氣化是可見未來”的基本格局，不斷融合新技術(shù)，改進(jìn)、提高燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動機(jī)的綜合性能，縮短研發(fā)時間、降低全生命期成本仍是各國目前的主攻方向。