美國第6代戰鬥機發動機的研製
doi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2021.03.001
0 引言
美國空軍和國防部航空航天推進需求委員會認爲：世界上只有美國、俄羅斯、英國和法國等4個國家能夠設計和製造大型的現代燃氣渦輪發動機。美國於2007年開始啓動第6代戰鬥機及其發動機的論證工作，目前正在開展下一代空中主宰（Next-Generation Air Dominance，NGAD）戰鬥機的下一代自適應推進系統（Next Generation Adaptive Propulsion，NGAP）X型地面驗證機的驗證工作，計劃於2025年轉入Y型飛行驗證機的驗證階段；近期，GE公司完成了XA100發動機的試驗驗證，基本達到了預期需求；法國和德國國防部於2018年4月簽署了未來空戰系統（Future Combat Air System，FCAS）協議，宣佈達索航空與空客公司將聯合研製“新一代戰鬥機”（NextGenerationFighter，NGF）；英國於2018年7月在範堡羅航展上通過“英國空戰戰略”正式公佈研製新一代戰鬥機“暴風”；俄羅斯國家航空系統科學研究院於2019年9月對外表示，俄羅斯正在開展第6代戰鬥機的研製工作。
至此，世界航空大國對第6代戰鬥機及其發動機的研製大幕已悄然揭開。由於俄羅斯、英國、法國和德國等國家的第6代戰鬥機及其發動機項目剛剛啓動，其在技術儲備和資金保障等方面遠不及美國，因而僅對美國第6代戰鬥機發動機從需求拉動、技術推動和競爭發展等維度進行分析。
本文梳理了不同階段美國國防部對美國空軍和海軍、美國空軍和海軍對第6代戰鬥機和第6代戰鬥機對發動機的需求，繪製和綜述了美國第6代戰鬥機發動機技術研究和產品研製的發展路徑，總結了其發展特點，並對其未來發展趨向進行了分析和預測。
1 需求拉動
美國第6代戰鬥機發動機的研製需求，一方面來自於外部環境的競爭壓力，即大國地位的展示和大國博弈的要求，另一方面來自於美國國防部對空軍和海軍的戰略需求、空軍和海軍對戰鬥機的戰役需求、戰鬥機對發動機的戰術需求。
1.1 外部競爭
美國空軍和國防部航空航天推進需求委員會認爲：20世紀70年代配裝F-15和F-16戰鬥機的F100發動機投入使用時，美國燃氣渦輪發動機技術領先競爭對手大約20年；21世紀初配裝F-22戰鬥機的F119發動機投入使用時，美國燃氣渦輪發動機技術仍然領先競爭對手大約10年，歐洲配裝EF2000戰鬥機的EJ200發動機的技術水平與配裝最先進F-15戰鬥機發動機的F100-PW-229和F110-GE-129發動機的相當，但不具備超聲速巡航、推力矢量和隱身功能。
事實上，世界最大的兩大軍事強國美國與俄羅斯（包括蘇聯）在國防武器裝備發展方面一直採取競爭發展的策略，在戰鬥機及其發動機領域的競爭發展也從未停止。美國和俄羅斯（包括蘇聯）第4～6代戰鬥機及其發動機發展進程的對比如圖1所示。
1.1.1 美國和蘇聯齊頭並進的發展時期
20世紀60年代中後期，美國急迫地需要外場可使用的戰鬥機與MIG-25“狐幅”戰鬥機和其他預期的前蘇聯戰鬥機抗衡，美國空軍決定研製既具有突出的空中格鬥性能又要兼顧對地攻擊能力的中空格鬥戰鬥機，同時研製具有較高的推重比和較好的進氣道/發動機匹配性能的發動機。70年代中期，美國PW公司研製出F100-PW-100和F100-PW-200發動機，並配裝第4代F-15“鷹”重型戰鬥機和F-16“戰隼”輕型戰鬥機投入使用，顯著提高了跨聲速／超聲速性能，但是因過度追求性能而出現了大量的可靠性和耐久性等問題。經過持續地改進改型，於80年代中期研製了性能降低但可靠性、耐久性、可維護性等提高的F100-PW-220發動機，很好地滿足了美國空軍的作戰使用要求。1973年，爲了與美國F-15戰鬥機/F100發動機對抗，蘇聯留裏卡設計局開始研製與F100發動機性能接近的AL31F發動機，1981年4月配裝AL31F發動機的Su-27戰鬥機完成首次飛行，1985年通過定型試驗並投入使用。
這一時期，美國和俄羅斯在發動機研製上真可謂你追我趕如影相隨。
1.1.2 俄羅斯（蘇聯）稍顯落後於美國的發展時期
隨着氣動力學、發動機、電子和雷達等技術的不斷進步，特別是Su-27和MIG-29等戰鬥機以及空對空導彈技術的不斷進步，大大削弱了美國的空中優勢。爲此，美國空軍從80年代初開始籌備研製第5代空中對抗先進戰術戰鬥機和發動機。美國第5代重型戰鬥機F-22的F119發動機，於1983年開始初步研究，1986年開始進行驗證發動機（YF119發動機）試驗，1991年開始工程研製，1997年在F-22A戰鬥機上開始試驗飛行，1999年完成發動機驗證試驗，2002年完成最初交付使用試驗，2005年進入全面使用，但在2011年12月因價格昂貴而停止生產。F119發動機在性能、結構、可靠性、耐久性和保障性方面都達到甚至超過了預期目標，使得F-22戰鬥機具備了不加力超聲速巡航、越級隱身和超級機動的戰術性能。80年代初，爲了對抗美國先進戰術戰鬥機（AdvancedTacticFighter，ATF）計劃，蘇聯啓動了“戰鬥機－90”計劃，提出重型多功能前線戰鬥機（MFI）項目。米高揚設計局研製出與美國F-22戰鬥機水平相當的“1.42產品”，留裏卡設計局研製出與美國F119發動機水平相當的AL-41F發動機。AL-41F發動機於80年代後期進行了地面試驗和飛行試驗，但隨着1991年蘇聯解體等原因，暫被擱置。而戰鬥機“1.42”的試驗原型機“1.44”直到2000年2月才完成首飛，但最終沒能完成型號定型，計劃就此告終。
1993年9月，美國國防部爲了解決輕型戰鬥機老化問題和保持武器裝備的技術優勢，取消了多用途戰鬥機（Multi-Role Fighter，MRF）和A/F-X研製計劃，啓動了下一代輕型戰術戰鬥機的聯合先進攻擊技術（Joint Advanced Strike Technology，JAST）研究計劃；1996年3月，將JAST計劃正式發展爲旨在研製下一代空軍和海軍常規起落型、短距起飛垂直着陸型和艦載型戰鬥機的聯合攻擊機（Joint Strike Fighter，JSF）研製計劃。在JSF計劃下，美國第5代輕型戰鬥機F-35的F135發動機，於1996年開始方案演示與驗證，2001年進入系統研製與驗證，2010年3月F135-PW100/400發動機獲得初始使用許可，2011年1月F135-PW-600發動機獲得初始使用許可（Initial Service Release，ISR），2015年5月F135發動機隨F-35B戰鬥機完成海上初始作戰能力試驗，2016年8月美國空軍宣佈配裝F135-PW-100發動機的F-35A戰鬥機具備初始作戰能力（Initial Operational Capability，IOC），2016年12月完成F135發動機全部3個型別的系統研製與驗證（System Development and Demonstration，SDD）工作，目前處於生產階段。1996年，爲了對抗美國輕型戰鬥機研究計劃，俄羅斯空軍宣佈了殲擊機-2000項目，併發布多功能單發輕型前線飛機（LFS）戰術技術任務書，但後續沒有獲得實質性進展。爲了對抗美國F/A-18E/F戰鬥機，俄羅斯空軍於1998年啓動“21世紀的戰鬥機（I-21）”計劃並提出中型前線戰鬥機（SFI）項目，2000年6月按照SFI項目提出了論證報告和技術任務書選定由“留裏卡-土星”公司研製117A（又稱AL-41F1A）和117S（又稱AL41F1S）發動機，2000年底修改了對I-21計劃的要求，2002年初在《俄羅斯2010年前武器發展規劃》中明確啓動PAKFA（“未來戰術航空飛機系統”）項目取代SFI項目。2002年4月，俄羅斯空軍選定蘇霍伊設計局的雙發T-50方案和“土星”公司的“30號機”。
這一時期，俄羅斯在與美國的競爭中顯得有些有心無力，導致已經明顯跟不上美國的發展步伐。
1.1.3 美國明顯領先俄羅斯的發展時期
美國第6代戰鬥機發動機正在進行X型發動機（XA100和XA101）技術驗證階段，計劃於2025年進入Y型飛行驗證機驗證階段。而俄羅斯第6代戰鬥機發動機還只是處在研製初級階段。在這一時期，美國明顯領先於俄羅斯。
從某種意義上，由於英國和法國受技術基礎和綜合國力限制，以及俄羅斯的“影子計劃”從20世紀90年初開始未能跟上，美國與其他3國在戰鬥機和發動機技術水平方面的差距不是縮小了，而是拉大到超過20年（美國空軍和國防部航空航天推進需求委員會相差10年左右的評估顯然不符合實際），並且追趕和超越難度自然更大。也就是說，美國戰鬥機和發動機技術，長期以來在世界上處於遙遙領先的地位，對第6代戰鬥機及其發動機的研製需求並不迫切。事實也是如此，按照美國發動機技術發展的規律，目前一代發動機投入使用前，啓動下一代發動機研製。美國第4代戰鬥機F-15（F-16）的F100發動機1970年進入工程研製階段，第5代戰鬥機F-22的F119發動機1991年進入工程研製階段，相差21年；按規律推算第6代戰鬥機發動機現在已經進入EMD階段，但是按第6代戰鬥機發動機計劃2025年才進入Y型飛行驗證機驗證階段計算，比F119發動機進入工程研製階段的時間晚了至少34年。因此，美國已經並且還在利用更多時間和資源對戰鬥機及其發動機創新技術進行持續發展並降低風險。
1.2 內部需求
美國前國防部部長佩裏在1980年提出，作戰需求是拉動武器裝備發展的原動力，而科學技術則是武器裝備發展的推動力。這一理念是美國戰鬥機及其發動機等武器裝備發展的指導思想。美國的第4代F100與F110、第5代F119與F135等戰鬥機發動機都遵照這一指導思想開展研製，並取得了成功。2007年以來，遵循這一指導思想，美國國防部、空海軍和工業界開展了大量的方案與技術研究，從戰略、戰役和戰術層面對第6代戰鬥機發動機需求進行了論證。
綜合分析美國國防部制定的武裝部隊21世紀的航空願景、《美國空軍2020年願景》、《美國國防部空天科學與技術戰略》、《美國空軍2020-2030年願景》、《美國空軍戰略總規劃》、《空軍未來作戰概念》、《空中優勢2030飛行規劃》、《2016-2025年海軍航空願景》等文件，可以發現：美國國防部對空軍和海軍的戰略需求在很長一段時間內基本沒變，即：“全球警戒、全球到達、全球力量”，獲取絕對的制空權和制天權。在時間方面，強調任何時間與快速機動，以實現快速到達和打擊；在空間方面，強調任何地點、全球、基於網絡空間、全域（海洋疆域、空中與太空疆域和電磁頻譜），以實現全球與全域覆蓋；在行動方面，強調對目標能夠監視和偵查、態勢感知、發現、跟蹤、鎖定、瞄準、作戰（精確空對地與空對空打擊）、機動、評估，以實現國土防衛、力量使用、力量投送，從而繼續維持絕對制空權，甚至獲取絕對制空權和制天權。
綜合分析美國空軍發佈的《空中優勢2030飛行規劃》、《第6代戰術飛機裝備與技術概念研究》能力信息徵詢書、美國海軍的《海軍航空願景》等文件，蘭德公司發佈的美國空軍委託的研究報告《國防部應該避免第6代戰鬥機的聯合採辦》報告以及美國《空軍雜誌》、《華盛頓郵報》、《國防內情》、《飛行國際》、《航空週刊》、俄羅斯衛星通訊社網站、美國海軍協會網站等美國各類媒體和網站的報道，可以發現：經過從2007年開始的3個階段多輪深入探索和論證，美國空軍和海軍對第6代戰鬥機的概念和方案已經基本成形。要求第6代戰鬥機在研製模式和空海機型方面，是各自獨立研製戰鬥機、到美國國防部參與並主導研製通用型戰鬥機、再到各自獨立研製戰鬥機的變化過程；在作戰模式方面，是從單機優勢、到系統優勢、再到“以系統優勢爲主與單機優勢爲補”的過程；在有無人駕駛方面，可能以有人駕駛爲主，無人駕駛爲輔；在作戰要求方面，具備“六超”等能力，即：超長航程、超聲速巡航與作戰、超常規機動、超級隱身、超遠程打擊、超越物理域和信息域的實時控制，體現爲速度更快、航程更遠、燃油效率更高、紅外和電磁輻射更低。
綜合分析美國海軍發佈的第6代戰鬥機信息徵詢書、美國航空航天技術週刊網站刊登題爲《美國通用電氣公司公佈第6代自適應發動機發展計劃》以及相關文獻，可以發現：在戰術上，美國第6代戰鬥機對發動機提出“六超”的要求。超大推力與推重比、超低油耗、超級隱身、超級機動、超長耐久性和超低費用，這些要求既非常難以達到，又有些相互矛盾，滿足這些相互矛盾要求的發動機類型指向了自適應循環發動機。GE公司認爲這些要求既非常難以達到，又有些相互矛盾。經過折衷研究，發現除非出現物理規律的重大革新，美國軍方目前已經基本確定能夠滿足下一代戰鬥機先進性能要求的動力只能採用變循環，或者自適應發動機技術。據美國空軍研究實驗室的計算結果：採用自適應循環發動機可使F-35/F135的燃油效率提高25％；作戰半徑增加25％～30％；續航時間延長30％～40％。經過幾番迭代需求論證，美國將自適應發動機確定爲下一代戰鬥機發動機的型式，開展持續的技術成熟與風險降低工作。
綜上所述，美國戰鬥機發動機在世界上處於空中絕對優勢和技術領先地位，對戰略需求、戰役需求和戰術需求幾番迭代論證，基本明確第6代戰鬥機發動機戰術要求爲“六超”，類型爲自適應循環發動機。
2 技術推動
美國第6代戰鬥機發動機的發展基於“需求拉動與技術推動”理念，開展了持續的技術成熟與風險降低工作。
2.1 美國第6戰鬥機發動機技術特徵
事物是在不斷變化的，首先是漸變，當漸變累積到一定程度，必然會突破原有框架，實現質的突變。第6代戰鬥機自適應發動機也自然遵循漸變（N）與突變（1）的創新理念，採用1+N創新模式。
1+N創新模式的1是指自適應發動機。在《航空週刊》雜誌創辦100週年之際，自適應發動機被其評選爲未來20～40年內比較有前景的18項航空航天技術，其評價爲：自適應發動機是航空發動機推進系統從離心式到軸流式、從渦噴到渦扇的2次突破性創新之後的第3次突破性創新。按照雙S形曲線創新理念或模式，戰鬥機發動機的發展，在經歷從F100和F110到F119和YF120以及F135和F136的第1條S曲線內的常規渦扇發動機漸進性創新發展之後，第6代戰鬥機自適應發動機開始從右上角遷移進入第2條S曲線的突破性創新發展，如圖2所示。
爲了體現和強調第6代戰鬥機發動機與以往研製機型的不同，美國空軍打破傳統，將2臺自適應發動機轉移（Adaptive Engine Transition Program，AETP）計劃下的地面驗證機分別命名爲XA100和XA101。採用“A”指代“自適應”，放棄了指代“渦輪風扇”的“F”，與20世紀40年代採用“F”指代渦輪風扇，而放棄指代“渦輪噴氣”的“J”一樣。
1+N創新模式的N，是指高性能、經濟可承受性、多電、智能、隱身和推力矢量技術等。先進的高性能發動機技術包括增大推力、降低耗油率、減輕質量、提高耐久性、降低噪聲與排放等；經濟可承受性技術包括降低研製成本、採辦成本和全壽命期維護成本；多電技術是指通過採用主動磁力軸承系統、內置式整體起動/發電機、分佈式控制系統、電動燃油泵和電力作動器等新技術/系統，滿足發動機本身和戰鬥機對電力的需求；智能技術是通過開發和驗證主動部件控制、發動機健康管理、分佈式容錯控制、飛機與發動機一體化、進口與噴口一體化和信息融合等技術，構建發動機智能控制系統，準確感知發動機及其部件的工作環境和執行特定任務的能力，快速適應變化的環境和功率降低的狀態，精確地規劃/重新規劃一項任務甚至整個任務，從而使整個發動機在所有工作狀態下的綜合性能達到最優；隱身技術主要通過採用冷卻、遮擋、混合/摻混、塗層、材料等方面的技術，對進氣系統和排氣系統等重點隱身部位進行紅外、雷達、聲學、視覺、電磁輻射等方面的隱身設計，抑制紅外輻射和衰減雷達輻射，從而使全方向無探測設備可探測；推力矢量技術通過採用機械式推力矢量噴管和流體式推力矢量噴管，對滿足戰鬥機常規機動性、過失速機動性、敏捷性、短距起落、超聲速巡航、隱身等性能都有非凡的貢獻。
2.2 技術研究計劃的進展
自適應循環發動機技術是變循環發動機技術的持續發展，如圖3所示。
20世紀60～80年代，自適應循環發動機技術存在多種方案，包括：可調增壓壓氣機（Variable Pumping Compressor，VAPCOM）發動機；渦噴和渦扇複合模式；改進的渦噴和渦扇組合模式；串聯/並聯模態的變循環方案；3轉子可調涵道比變循環（Modulating Bypass，MOBY）方案；最初的雙循環單外涵變循環方案；有3股排氣的最初的雙外涵變循環結構；單和雙外涵變循環方案簡化；進一步簡化的核心驅動風扇結構等。由於種種原因大多數方案沒有實際應用，但是卻爲變循環發動機後續發展提供了寶貴的經驗和教訓。
20世紀80年代，變循環發動機逐漸演變爲只有GE公司一家獨自研製。GE公司在DBE-GE21、DBE-GE23的基礎上研製了YF120發動機，是世界上第一種經飛行驗證的雙外涵道變循環發動機，但是因與F119發動機競爭失敗而沒有進入工程研製。
20世紀90年代到21世紀初，在綜合高性能渦輪發動機技術（Integrated High Performance Turbine Technology Program，IHPTET）計劃下，GE和/或Alli⁃son公司以XTC16/XTC76/XTC77核心機驗證機和XTE76/XTE77發動機驗證機爲平臺，開發和驗證了雙外涵變循環渦噴/渦扇發動機技術—可控壓比發動機（Controlled Pressure Ratio Engine，COPE）技術。
21世紀初，在（Versatile，Affordable，Advanced Turbine Engine Program，VAATE）計劃中，開展從自適應循環技術到自適應發動機的開發與驗證。2007年，開始實施“自適應變循環發動機技術（Adaptive Versatile Engine Technology，ADVENT）”計劃，原計劃在2012年完成雙外涵變循環渦噴/渦扇發動機技術驗證機，達到技術成熟度6，在2013年之後可能開始進入工程研製階段，在2020～2022年投入使用。2012年，開始實施“自適應發動機技術發展（Adaptive Engine Technology Development，AETD）”計劃，原計劃在2016年完成發動機的整機地面試驗，技術成熟度達到6，具備發動機工程研製的條件；2020年開始飛行試驗，技術成熟度達到8。
2016年，開始實施自適應發動機轉移（Adaptive Engine Transition Program,AETP）AETP計劃，其目標是計劃沿着AETD計劃驗證的自適應循環的基本可行性繼續開展研究，實現3流道自適應發動機從技術原型機到工程驗證機的順利過渡，在21世紀中期進入潛在產品採辦時消除能夠預見到的所有技術驗證和產品研製風險。第6代戰鬥機自適應發動機正在AETP計劃下對地面驗證機XA100發動機和XA101進行研製和試驗。XA100發動機的技術優勢如圖4所示。根據美國空軍2020年2月提交給國會的2021年財政預算文件介紹，GE和PW公司各獲得4.27億美元的NGAP研究合同。工作階段包括發動機的初步設計、詳細設計、製造和評估。工作成果包括詳細設計模型、發動機硬件（包括備件）成熟技術、主要試驗評估數據和計劃評審。計劃在2022年第2季度之前完成NGAP系統的獨立競爭設計，並在2025年2季度完成全尺寸發動機評估。也就是說，美國第6代戰鬥機發動機已經進入X型地面驗證機的驗證階段，預計於2025進入Y型飛行驗證機的驗證階段。如果成功，就像過去70年渦輪噴氣發動機和後來的渦扇發動機一樣，具有突破性創新的自適應發動機將進入產品的工程研製階段。
綜上所述，從20世紀60年代開始預研到21世紀實施VAATE計劃，美國在變循環發動機及至自適應循環發動機方面開展了大量開發與驗證工作，取得了顯著進展，但是一直沒有進入型號研製，可謂歷經磨礪。如高性能核心機、自適應結構、自適應控制、自適應性能匹配與尋優技術、工作模態轉換等一些關鍵技術，因結構過於複雜或性能指標過高等因素，雖然出現了“拖（研究週期拖後）降（技術指標示達到）漲（研究經費需增加）”的現象，但技術成熟度6基本得到驗證。
3 結束語
美國第6代戰鬥機發動機的研製已經進入X型地面驗證機驗證階段。回顧、總結和分析其需求、技術和產品的發展歷程，可以歸納爲以下2個特點。
（1）在需求拉動方面，在獲得絕對空中優勢的戰略需求、具備“六超”能力戰鬥機的戰役需求的拉動下，第6代戰鬥機發動機的“六超”和自適應循環的要求已經基本確定。
（2）在技術推動方面，第6代戰鬥機發動機採用1+N創新模式，即以自適應爲主，以高性能核心機、部分智能、部分多電、更爲隱身爲輔的創新模式。高性能核心機等技術已經得到充分開發和驗證，可以助推第6代戰鬥機發動機的產品研製；低壓變循環與自適應技術經過多年的開發和驗證也逐步成熟，基本可以助推第6代戰鬥機發動機的產品研製。