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英國下一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機發(fā)展計劃

軍工資源網(wǎng) 2022年05月23日

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導(dǎo)讀:2021年12月22日,英國和日本宣布了聯(lián)合開發(fā)原型戰(zhàn)斗機發(fā)動機的計劃,因為他們都在Tempest和FX計劃下開展專注于部署新一代戰(zhàn)斗機的計劃。最新協(xié)議是兩國擴大軍事關(guān)系的一部分,其中還包括共享空對空導(dǎo)彈技術(shù)。英國國防部(MOD)公布的該協(xié)議合作備忘錄顯示,英日戰(zhàn)斗機發(fā)動機是其中的旗艦項目。聯(lián)合發(fā)動機演示器的工作于2022年初開始,英國將在“規(guī)劃、數(shù)字設(shè)計和創(chuàng)新制造開發(fā)”方面投資3000萬英鎊。


一、技術(shù)背景

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機團隊于2018年成立。該戰(zhàn)斗機是英國皇家空軍(RAF)的下一代戰(zhàn)斗機,計劃于2035年開始服役,取代“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機。“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機能夠?qū)崿F(xiàn)多源/多平臺傳感器數(shù)據(jù)融合,成為作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中心,通過“戰(zhàn)斗云”與其他戰(zhàn)斗機共享態(tài)勢數(shù)據(jù)信息。

“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機具有以下優(yōu)勢特征:

  • 設(shè)計遵循“即插即用”標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求,戰(zhàn)斗機軟件、硬件可實現(xiàn)快速更換,如配置多種武器、傳感器、油箱等,進而保證戰(zhàn)斗機功能多樣化。同時,機載設(shè)備高度集成化,如先進傳感器系統(tǒng)、非動力學(xué)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等,均能實現(xiàn)高度集成與協(xié)同。

  • 具有可變自動化能力,具體來說,即可選擇有人、無人駕駛相結(jié)合的操作方式;可進行機載/舷外數(shù)據(jù)處理;在有人駕駛飛行模式下,可為飛行員提供智能決策輔助等。

  • 采用先進復(fù)合材料和增材制造技術(shù)進行生產(chǎn)制造,保證戰(zhàn)斗機重量輕,且機上高功率密集模塊能夠在高溫下穩(wěn)定運行。

  • 采用先進的供電和智能集成電源管理技術(shù),能夠為機載先進傳感器等設(shè)備,甚至是未來的激光武器提供穩(wěn)定的電源支持。BAE系統(tǒng)公司曾表示,將與威廉姆斯先進工程公司(WAE)合作,擬利用賽車行業(yè)電池管理和冷卻技術(shù),提升未來作戰(zhàn)飛機電源管理效率。


“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機概念圖

二、動力系統(tǒng)設(shè)計

從全尺寸模型看,“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機將采用兩側(cè)S形進氣道、兩臺發(fā)動機和矩形尾噴口的設(shè)計。該機直接采用了業(yè)已成熟的無附面層隔道超音速進氣口(DSI)設(shè)計。

由于“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機計劃攜帶大量激光武器、先進傳感器和航電設(shè)備,因此需要足夠的電量供應(yīng),同時會產(chǎn)生大量的熱負荷。傳統(tǒng)的通過附件齒輪箱輸出功率的老式方式已經(jīng)無法勝任這個工作。羅羅公司的嵌入式電啟動發(fā)電機可以讓戰(zhàn)機直接從航空發(fā)動機中提取大量電能,將節(jié)省空間并提供未來戰(zhàn)斗機所需的大量電力?,F(xiàn)有的飛機發(fā)動機通過發(fā)動機下方的變速箱產(chǎn)生動力,從而驅(qū)動發(fā)電機,既增加了運動部件和復(fù)雜性,又因為所需空間過大降低飛機的隱身性。而新的設(shè)計使用一個綜合電機同時替代電動機和發(fā)電機,把安裝在兩個閥芯上的電機進行組合作為電動機或發(fā)電機運行,并在兩個閥芯之間進行電功率傳遞,這種雙閥芯發(fā)電將提升發(fā)動機的可操作性,響應(yīng)性和效率。

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熱量管理系統(tǒng)

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集成電源管理系統(tǒng)

新型發(fā)動機還配備了新的儲能系統(tǒng),即智能的電力和發(fā)動機控制系統(tǒng),其可通過算法對電力網(wǎng)絡(luò)進行管理,延長部件壽命。增加的發(fā)電能力加上智能電源管理系統(tǒng)將滿足對飛行器電力不斷增長的需求。這種集成電源方法減少了能量交換的次數(shù),最大限度地發(fā)揮了燃氣輪機作為主要動力源的潛力。

三、新技術(shù)進展

據(jù)英國羅羅公司網(wǎng)站報道,羅羅公司一直在開發(fā)世界頂尖的技術(shù),這些技術(shù)將用于英國下一代戰(zhàn)斗機”暴風(fēng)”項目。

羅羅公司認(rèn)為,為了更電動、更智能和利用更多動力,未來的戰(zhàn)斗機電力需求和熱負荷都將達到前所未有的水平,且所有這些都需要在隱身的背景下進行管理。在“暴風(fēng)”項目啟動之前,羅羅公司已經(jīng)開始著手研究如何滿足這些未來需求。早在2014年,該公司就接受了設(shè)計完全嵌入燃氣輪機發(fā)動機核心機的起動/發(fā)電機的挑戰(zhàn),即稱之為“嵌入式起動/發(fā)電機”(E2SG)的演示驗證項目。

羅羅公司未來項目總工程師康拉德·班克斯(ConradBanks)表示:“嵌入式起動/發(fā)電機將節(jié)省空間,并提供未來戰(zhàn)斗機所需的大量電力?,F(xiàn)有的航空發(fā)動機通過變速箱提取動力驅(qū)動發(fā)電機,這種方式除了增加運動部件和復(fù)雜性之外,所需的額外空間使得機體更大,這對平臺隱身性不利。”

E2SG項目的第二階段已作為羅羅公司對”暴風(fēng)”項目貢獻的一部分被采納。在開發(fā)過程中,羅羅公司不斷發(fā)展其在航空航天市場的能力,從燃氣輪機技術(shù)到綜合動力和推進系統(tǒng),其目標(biāo)是不僅提供推動飛機在天空飛行的推力,還包括提供機上所有系統(tǒng)所需的電力,以及管理所有由此產(chǎn)生的熱負荷。羅羅公司正在適應(yīng)這樣一個現(xiàn)實:未來所有運載工具,無論是陸地、空中還是海上,都將大大提高功率傳感器、通信系統(tǒng)、武器、作動系統(tǒng)和附件以及通常的航空電子設(shè)備的電氣化水平。

E2SG項目第一階段為一個綜合電力設(shè)施投入巨額資金,該設(shè)施是一個獨特的試驗室,可以讓直流電網(wǎng)物理連接到燃氣輪機發(fā)動機。

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項目第二階段于2017年啟動,研究內(nèi)容包括在發(fā)動機的另一個軸連接第二臺電機、電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng),以及智能管理所有這些系統(tǒng)之間電力供應(yīng)的能力。安裝在兩個軸上的電機通過作為電動機或發(fā)電機的組合運行,可以對發(fā)動機產(chǎn)生一系列功能性影響,包括兩個軸之間的電力傳輸。作為E2SG項目的一部分,羅羅公司正在研究使用雙軸發(fā)電來影響發(fā)動機的運行性、響應(yīng)性和效率的可行性。另一項正在開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是電源管理器智能控制系統(tǒng),該系統(tǒng)使用算法對如何滿足當(dāng)前飛機的電力需求做出實時智能決策,同時優(yōu)化其他因素,包括發(fā)動機效率,以減少燃油消耗或降低發(fā)動機溫度,延長部件壽命。

在整個”暴風(fēng)”項目中,羅羅將繼續(xù)使E2SG項目所演示的電力技術(shù)成熟化,第三階段的試驗包括與整個系統(tǒng)集成的新型熱管理系統(tǒng),以及多電發(fā)動機附件。該公司還打算展示一個先進動力與推進系統(tǒng)的全尺寸驗證機,其中燃氣輪機的所有部件都將采用新技術(shù),包括達到更高功率水平的雙軸嵌入式發(fā)電、先進熱管理系統(tǒng),針對未來戰(zhàn)斗機工作周期的儲能系統(tǒng)、能夠優(yōu)化燃氣渦輪機和動力與熱管理系統(tǒng)性能的智能電源管理系統(tǒng)。

四、未來發(fā)展

在2021年12月簽訂的戰(zhàn)斗機發(fā)動機研發(fā)協(xié)議外,英國國防部還表示,英國再提供2億英鎊(約2.666億美元)的資金將用于開發(fā)一個全面的演示電力系統(tǒng),該系統(tǒng)將在羅羅公司在英國布里斯托爾的菲爾頓工廠建造。此外,日本的三菱重工(MHI)和石川島播磨重工(IHI)以及英國的BAE系統(tǒng)公司也將參與其中。

但合作備忘錄中并未公布新發(fā)動機的預(yù)期性能等細節(jié),現(xiàn)階段尚不清楚所謂的演示發(fā)動機是否會安裝在飛行試驗臺上,或者是否專門用于地面靜態(tài)試驗。此外也無法確定均為雙引擎設(shè)計的“暴風(fēng)”和FX是否將由同一款發(fā)動機提供動力。
“與日本的這項倡議是共同開發(fā)世界領(lǐng)先的電力技術(shù)的雙贏機會,”英國未來作戰(zhàn)航空總監(jiān)理查德伯頓說?!巴顿Y并與日本合作展示高度先進的發(fā)動機系統(tǒng)將促進我們國家工業(yè)在尖端軍事技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。我們期待著開始這項工作,并繼續(xù)討論進一步的合作?!?/section>

“英國和日本的行業(yè)團隊帶來了互補的技術(shù),這些技術(shù)將為兩國未來的戰(zhàn)斗機需求提供更清潔的下一代動力和推進力,”羅羅公司業(yè)務(wù)發(fā)展和未來項目總監(jiān)亞歷克斯·齊諾說?!奥?lián)合發(fā)動機演示計劃是一個令人興奮的機會,可以匯集世界上一些最好的空中作戰(zhàn)能力,還將促進創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,這些技術(shù)將成為國防航空工業(yè)未來的基礎(chǔ)?!?/section>

與此同時,對于日本來說,與英國達成的最新協(xié)議引發(fā)了對其自身戰(zhàn)斗機動力系統(tǒng)前期研究的質(zhì)疑。在此之前,MHI完成了X-2“心神”實驗飛機的驗證工作,該飛機已被用作其未來戰(zhàn)斗機計劃的技術(shù)演示器。

雙引擎設(shè)計的X-2由IHI XF5渦扇發(fā)動機提供動力,每個渦扇發(fā)動機可產(chǎn)生約11000磅的推力,并配有推力矢量以提高機動性。預(yù)計FX最終將由IHI正在開發(fā)的XF9發(fā)動機提供動力,該發(fā)動機將提供比XF5更大的推力。隨著IHI現(xiàn)在與羅羅公司合作,XF9未來發(fā)展地位存在不確定性。

開發(fā)全新的戰(zhàn)斗機是一項艱巨的任務(wù),許多人質(zhì)疑英國或日本在沒有重大外部支持或合作的情況下能否成功開發(fā)出新戰(zhàn)斗機??紤]到這一點,集合兩國的技術(shù)和工業(yè)實力似乎很有意義。

英國和日本在未來戰(zhàn)斗機動力裝置方面的合作,體現(xiàn)了兩國之間更廣泛的軍事合作。2021年初發(fā)表的英國國防司令部文件概述了英日軍事合作范圍的擴大。英國國防采購部長杰里米·奎因補充說:“正如我親眼看到的那樣,我們在日本的合作伙伴在技術(shù)方面取得了巨大進步,這些技術(shù)可以補充我們自己的先進技能,并有助于確保我們的兩軍都保持在軍事創(chuàng)新的前沿。”

2021年10月英國和日本同意就互惠準(zhǔn)入?yún)f(xié)議(RAA)開始正式談判,以進一步深化雙邊防務(wù)關(guān)系。

與未來空戰(zhàn)技術(shù)雙邊合作相關(guān)的還有英國國防部對日本新空對空導(dǎo)彈計劃(JNAAM)的支持。這種武器預(yù)計將結(jié)合英國在MBDA流星超視距空對空導(dǎo)彈(BVRAAM)方面的技術(shù)和日本開發(fā)的先進射頻(RF)技術(shù)。

日本媒體已經(jīng)有報道稱,“暴風(fēng)”戰(zhàn)斗機和FX戰(zhàn)斗機不僅將共享發(fā)動機,還將共享“進氣口……以及排氣口附近的區(qū)域”,并且這些組件將針對隱身進行優(yōu)化。

日本已經(jīng)表示計劃讓三菱重工領(lǐng)導(dǎo)FX項目,全面負責(zé)飛機的開發(fā),但海外合作伙伴也將參與該項目。除了英國之外,美國航空航天承包商是否會介入研究動力裝置以外的元素,目前尚不清楚。

小結(jié)

雖然英日兩國對未來戰(zhàn)斗機的航程、速度等性能要求不盡相同,但使用相同的動力裝置在技術(shù)上是可行的。早在20世紀(jì)80年代,兩公司就共同參與了大型民用渦扇發(fā)動機V2500的開發(fā)和生產(chǎn)。自2020年以來,兩國一直在探索如何合作,形成技術(shù)互補,并著力開發(fā)“嵌入式起動/發(fā)電機項目”,如果合作成功,“暴風(fēng)”和FX兩型戰(zhàn)斗機通用的動力裝置可節(jié)省數(shù)億美元成本。此次合作意味著英國轉(zhuǎn)向亞太地區(qū),以及日本將其防務(wù)合作關(guān)系擴大到傳統(tǒng)盟友美國之外。

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