美國戰(zhàn)斗機發(fā)動機競爭發(fā)展分析

■ 鄭天慧 / 中國航發(fā)渦輪院 沙紹智 / 中國航發(fā)研究院

2022年，美國第六代戰(zhàn)斗機動力技術(shù)將在下一代自適應(yīng)推進系統(tǒng)（NGAP）項目下進入新發(fā)展階段。自適應(yīng)發(fā)動機將何時及如何轉(zhuǎn)化到國防采辦？戰(zhàn)斗機動力技術(shù)未來會如何發(fā)展？上述問題無不與戰(zhàn)斗機動力的發(fā)展優(yōu)先級、資源配置、開發(fā)模式和競爭方式等息息相關(guān)。

代表美國戰(zhàn)斗機動力技術(shù)發(fā)展新高地的自適應(yīng)發(fā)動機驗證機（GE公司的XA100和普惠公司的XA101）于2021年完成了地面測試，自2022年起在美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）開展后續(xù)的測試并于年底結(jié)束，自適應(yīng)發(fā)動機轉(zhuǎn)化項目（AETP）也隨之進入尾聲。

美國空軍在2021財年預(yù)算中為其后續(xù)發(fā)展項目，即下一代自適應(yīng)推進系統(tǒng)（NGAP）項目提供資金，以開展未來戰(zhàn)斗機的發(fā)動機原型機設(shè)計和降低部件風(fēng)險工作，這一舉動表明美國將發(fā)動機開發(fā)的重點瞄準(zhǔn)了新一代戰(zhàn)斗機。NGAP項目的資金預(yù)算撥款2022財年為1.12億美元，到2024財年為2.18億美元，以此資金規(guī)模顯然無法像AETP一樣進行大量的原型機驗證工作。因此，美國戰(zhàn)斗機發(fā)動機下一步的競爭發(fā)展方向引發(fā)了多方的關(guān)注和猜測。

發(fā)展優(yōu)先級

在今后的數(shù)年中，美國的決策者將需要確定在戰(zhàn)斗機動力技術(shù)上的投資份額，需要考量的因素包括新發(fā)動機技術(shù)所能提供的作戰(zhàn)優(yōu)勢、保持美國在該技術(shù)上的明顯領(lǐng)先，以及維持美國戰(zhàn)斗機發(fā)動機的生產(chǎn)能力。

美國下一代空中優(yōu)勢(NGAD)戰(zhàn)斗機

從當(dāng)前及未來的作戰(zhàn)演變趨勢來看，戰(zhàn)斗機的發(fā)展越來越關(guān)注與隱身性和態(tài)勢感知相關(guān)的技術(shù)，未來更聚焦?jié)撛诘陌踩M網(wǎng)、人工智能和定向能等技術(shù)，也有觀點認(rèn)為未來空戰(zhàn)優(yōu)勢可能或更多地取決于發(fā)動機之外的其他技術(shù)。但是先進戰(zhàn)斗機發(fā)動機設(shè)計仍然關(guān)系到兩個對未來戰(zhàn)場至關(guān)重要的作戰(zhàn)需求：一是航程，在AETP中，發(fā)動機的原型設(shè)計與基準(zhǔn)型相比降低了至少25%的耗油率，作戰(zhàn)半徑或在向地面和海軍提供空中支援時留空時間更長；二是供電和熱管理，AETP中的原型發(fā)動機可以產(chǎn)生大量的電能，服務(wù)于機載電子以及定向能系統(tǒng)。

GE公司和普惠公司擁有世界領(lǐng)先的戰(zhàn)斗機動力設(shè)計和制造能力。與國際上的競爭對手相比，美國戰(zhàn)斗機動力在可靠性和持久運轉(zhuǎn)方面具有關(guān)鍵優(yōu)勢，從而可以在空戰(zhàn)中保持優(yōu)異的出動架次、性能優(yōu)勢和可靠性。與民用發(fā)動機的發(fā)展受商業(yè)市場驅(qū)動不同，戰(zhàn)斗機動力的發(fā)展水平是與政府投資強相關(guān)的，美國的優(yōu)勢是建立在高水平的設(shè)計和制造技術(shù)上，若想維持世界級的設(shè)計和生產(chǎn)能力，離不開政府持續(xù)投資夯實戰(zhàn)斗機動力工業(yè)基礎(chǔ)。

GE公司的自適應(yīng)發(fā)動機驗證機XA100

普惠公司的自適應(yīng)發(fā)動機驗證機XA101

資源配置權(quán)衡

在戰(zhàn)斗機動力技術(shù)投資領(lǐng)域，不同的投資方向和組合可以輸出不同的優(yōu)勢。在技術(shù)階段，要考慮的領(lǐng)域可從材料和制造等基礎(chǔ)技術(shù)，到改進現(xiàn)有發(fā)動機設(shè)計，再到設(shè)計和制造一型新的發(fā)動機等不同階段。投資的范圍越廣，越有可能獲得更佳的作戰(zhàn)性能改進，同時對戰(zhàn)斗機發(fā)動機設(shè)計能力的支撐力度也更大；投資的范圍收窄，則更容易實現(xiàn)經(jīng)濟性。因此，決策者極有可能與多個供應(yīng)商合作，從而更廣泛地扶持工業(yè)界的能力。

開發(fā)模式選擇

在美國戰(zhàn)斗機發(fā)動機投資計劃中，由業(yè)務(wù)模式來定義誰為發(fā)動機開發(fā)過程提供資金和進行控制?，F(xiàn)有的模式包括傳統(tǒng)的國防采辦開發(fā)模式和商業(yè)航空開發(fā)模式，新一代戰(zhàn)斗機動力開發(fā)面臨的問題是要選擇相應(yīng)的開發(fā)模式或其組合。

政府主導(dǎo)和投資是開發(fā)戰(zhàn)斗機動力的經(jīng)典業(yè)務(wù)模式，對資源的要求極高，決策層不僅要面臨資金規(guī)模的挑戰(zhàn)，還需要最大限度地權(quán)衡發(fā)動機和相關(guān)技術(shù)對未來戰(zhàn)爭的重要性。在此模式下，發(fā)動機的開發(fā)完全由政府提供資金并控制技術(shù)研發(fā)，取得對所開發(fā)技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)，并對該技術(shù)如何在整個行業(yè)，特別是國際共享，具備直接和間接的話語權(quán)。因此，政府投資開發(fā)技術(shù)被視為一種更安全和可持續(xù)維持或增加美國戰(zhàn)斗機發(fā)動機技術(shù)優(yōu)勢的方式。

發(fā)動機制造商在民用市場上采取的商業(yè)模式，與傳統(tǒng)國防采辦模式形成了鮮明對比。在民用市場上，發(fā)動機制造商為自己的發(fā)動機設(shè)計和開發(fā)籌集資金，并通過發(fā)動機銷售及售后服務(wù)收回投資。

在開發(fā)下一代戰(zhàn)斗機動力中若能采用商業(yè)模式，發(fā)動機制造商能自行投資進行開發(fā)，短期內(nèi)對政府的資金需求壓力會較輕，但是發(fā)動機制造商自身會面臨巨大的挑戰(zhàn)，這主要是因為戰(zhàn)斗機發(fā)動機在市場范圍和數(shù)量上與民用發(fā)動機不同。民用發(fā)動機可以將研發(fā)成本分?jǐn)偟酱罅康陌l(fā)動機上，并將風(fēng)險分散到多個客戶；而戰(zhàn)斗機動力的用戶只有軍隊，且裝機數(shù)量遠遠低于民用發(fā)動機。由于國防預(yù)算的不確定性極大，飛機庫存預(yù)測和實際的采購量之間會出現(xiàn)極大的偏差。如F119發(fā)動機是為F-22戰(zhàn)斗機開發(fā)的，飛機預(yù)計的產(chǎn)量為750架，但在交付了187架后就終止了生產(chǎn)。此外，就性能需求而言，軍民用發(fā)動機的差異明顯：民航優(yōu)先考慮的是可靠性和經(jīng)濟性，追求最佳的運行效率；而戰(zhàn)斗機需進行大量的機動，以執(zhí)行空戰(zhàn)、空襲和近距離空中支援等任務(wù)，追求極高的作戰(zhàn)效能。因此，戰(zhàn)斗機發(fā)動機的開發(fā)不僅技術(shù)難度大，而且研發(fā)經(jīng)費高昂。因此，采用商業(yè)模式開發(fā)一種全新的戰(zhàn)斗機發(fā)動機是否可行，尚存疑慮。

促進競爭機制

戰(zhàn)斗機動力的行業(yè)競爭與前述的發(fā)展優(yōu)先級、資源配置和業(yè)務(wù)模式密切相關(guān)，傳統(tǒng)的做法是在軍用發(fā)動機領(lǐng)域始終保留幾名競爭者，從而獲取更經(jīng)濟的戰(zhàn)斗機動力?；厮葸^去40 年，美國空軍的軍用發(fā)動機 經(jīng) 歷 了F100 與F110、YF119 與YF120、F135 與F136 等3 個 主 要 競爭發(fā)展階段。

20世紀(jì)80年代，普惠公司和GE公司圍繞量產(chǎn)規(guī)模可觀的F-15和F-16戰(zhàn)斗機發(fā)動機選型，開展了一系列前所未有的競爭。美國國防部在這場競爭中花費了3.76億美元以支持F110的開發(fā)來與F100競爭，同時還出資6億美元以提高F100的耐久性和可靠性。在采辦周期中，美國空軍將合同總額的百分比按年度分發(fā)給兩家公司，在1985—1990年，普惠公司合同占比數(shù)據(jù)依次為25%、46%、44%、55%、61%、64%，GE公司則獲取對應(yīng)的剩余份額（見表1）。最終，普惠總計獲得49%的合同總額，GE獲得51%的合同總額。此階段的發(fā)動機競賽堪稱前所未有，雖然存在些許爭議，但被認(rèn)為是一次成功的競爭案例。與一家獨大的壟斷狀態(tài)相比，此種競爭策略得到的結(jié)果是成本更低，合同承包商的響應(yīng)度更好。

表1 F100與F110發(fā)動機競爭中的采購數(shù)量對比

在第二階段的YF119與YF120發(fā)動機比拼中，競爭方式發(fā)生了變化。1981年，開始實施先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機（ATF）項目，GE和普惠公司同時開展驗證機研制工作。軍方采取“先飛后買”的采辦策略，直到1991年完成原型機飛行試驗后，競賽結(jié)果才最終確定。ATF項目初始目標(biāo)雄心勃勃，計劃采購750架第五代戰(zhàn)斗機，然而隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，既定目標(biāo)被縮減。在競爭早期，GE和普惠都獲得了交付原型機的合同，兩家公司為此次競爭提供了截然不同的設(shè)計。普惠公司的YF119推力為155.6kN，即使不加力，發(fā)動機也能使戰(zhàn)斗機達到超聲速，可在保持性能的同時節(jié)省燃油，增加作戰(zhàn)半徑。GE公司提供的YF120變循環(huán)渦扇發(fā)動機推力也達155.6kN，可以像傳統(tǒng)渦噴發(fā)動機一樣超聲速工作，同時還兼具亞聲速下的節(jié)油能力。在原型機飛行試驗中，YF120在性能表現(xiàn)上更勝一籌，但同時設(shè)計更為復(fù)雜，所以最終普惠公司的YF119勝出，但合同利潤卻低于最初的預(yù)期，而GE公司則不得不再等待下一次機遇。

1997年，聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（JSF）項目開啟，項目有3個型別：傳統(tǒng)起飛和降落戰(zhàn)斗機、能夠在航母上工作的艦載戰(zhàn)斗機和短距起飛垂直降落的戰(zhàn)斗機，空軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊以及國際盟友參與其中。此時，發(fā)動機與飛機結(jié)對參與競爭，最終洛克希德-馬丁公司獲得國防部合同，與其結(jié)對的普惠公司成為動力界的唯一贏家。美國國會為了確?！熬邆渥銐虻陌l(fā)動機競爭”，指示國防部對GE和羅羅公司投資開發(fā)F136發(fā)動機，與普惠公司的F135發(fā)動機一起作為F-35的備選動力。2001—2011年，普惠公司作為主要的發(fā)動機設(shè)計方，得到大部分資金，而F136發(fā)動機的資金投入伴隨著爭議，并于2011年正式被國防部終止。

以上發(fā)動機競爭實例表明，競爭可以有效地控制價格，提高發(fā)動機性能。美國國防部在制定發(fā)動機投資戰(zhàn)略時，會選擇在發(fā)動機行業(yè)制造和維持競爭，如將下一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機技術(shù)開發(fā)合同同時授予GE和普惠公司，開展原型機的相關(guān)工作。然而不爭的事實是，與開發(fā)配裝生產(chǎn)型飛機的發(fā)動機相比，開發(fā)原型機項目耗資較少，維持兩家的競爭尚不需要高昂的成本，但進入詳細(xì)設(shè)計階段時可能只選一家。

結(jié)束語

發(fā)展戰(zhàn)斗機動力技術(shù)的核心驅(qū)動力是作戰(zhàn)需求和保持領(lǐng)先優(yōu)勢的國家意志。航空發(fā)動機對空中作戰(zhàn)優(yōu)勢的建立至關(guān)重要，自適應(yīng)發(fā)動機是否能如期在六代機上服役，其開發(fā)過程能否帶動支撐整個軍用發(fā)動機工業(yè)基礎(chǔ)，還有待進一步的觀察和分析。