六代机研发现端倪中国能否实现弯道超车变循环发动机将成关键

来源:华体会体育app官方下载 作者:华体会体育  案例

  战斗机的划代开始于二战以后,我们当前所称的几代机,前边都省略了二战后一词。二战后,国际航空界根据战斗机的技术应用和飞行性能对战斗机进行了划代。截止当前大致有两种战斗机划代谱系,即俄罗斯划分方式和欧美划分方式。按照最传统、最经典的战斗机划代,从二战后至今战斗机总共被划分为四代,第一代主要是指跨音速左右的战斗机,比如苏联的米格-15、美国的F-84;第二代主要突出高空高速性能的战斗机,比如苏联的米格-21、美国的F-4;第三代突出高机动性,同时动力系统和航电系统得到了很大的提升,比较有代表的机型有苏联的苏-27和米格-29组合以及美国的F-15和F-16组合;第四代即战斗机进入隐形时代后的4S指标,比较有代表性的产品有美国的F-22和F-35、俄罗斯的苏-57以及中国的歼-20和FC-31。

  上述的划代方式是最传统、最经典的一种方式,也是欧美各国最早使用的划代标准。之所以后来有了俄罗斯划代和美国划代之分,这是从三代机划分时期开始的,在上世纪70年代,可变后掠翼技术名噪一时,因此苏联在战斗机划分的时候在二三代机之间插了一代,插的这一代就是以米格-23、苏-17为代表的采用了可变后掠翼技术的战斗机。到了欧美三代机划分指标的时候,苏联/俄罗斯的战斗机自然被划分为第四代,以此类推,也就出现了早期两种不同的战斗机划代方式。

  为什么现在美俄都将下一代战斗机划分为六代机呢?这要从2008年美国空军杂志提出的一种新的战斗机划代方法讲起。原本最传统、最经典的战斗机划代方法是欧美沿用的,但美国提出新的划代方法后,将第一代战斗机的定义作了修改,加入了刚跨入喷气时代的那些战斗机,比如梅-262、F-80战斗机;一次类推到隐形战斗机时,战斗机自然也就和俄罗斯划代方法重合,进入到第五代,下一代战斗机自然也就是六代机了。

  按照最传统、最经典的战斗机划代方法划分的话,我们今天讲的六代机应该是五代机,但美国空军改了划代方法后,我们也就与时俱进随大潮将新一代战斗机定义为六代机,从而减免在划代方法差异上产生的理解差异。

  进入21世纪后,以美国为首的世界航空强国、大国在完成隐身战机研发后便纷纷展开新一代战斗机的研究和开发工作,在六代机研发领域开始最早、投入最大的当属美国。早在2007年10月,美国空军率先便开始了新一代战斗机的具体需求研究,三年后美国空军设立了第六代战斗机办公室,紧随美国空军之后,美国海军也在下一代空中优势计划项目中,对海军型六代机的能力需求进行了评估。2010年11月3日,美国空军装备司令部向工业界发布了一份信息征询通告,要求提供能在2030年前后形成初始作战能力的下一代战术飞机系统的形态构想以及能力、技术需求信息;两天后美国国防部航空系统中心发布了第六代战斗机能力需求信息征询书,并要求各研发公司在12月17日前提交设计方案;标志着美国第六代战斗机概念设计工作正式启动。

  早在2008年1月,美国波音公司就率先拿出了自己的方案F/A-XX第六代战斗机概念设计方案,2012年1月,美国洛马公司也公布了自己的六代机设计方案。有关空军F-X项目和海军F/A-XX项目的需求定义工作早在2013年便展开了,2016年美国启动了突破防空、打击空中目标计划,美国空军同年公布了2030年空中优势研究报告,最终确定了美国空军和海军F-X和F/A-XX两个第六代战斗机项目。2017年美国空军对F-X概念方案进行进一步的探讨分析,并对其设计概念和能力需求进行了改进。总的来讲美国对于其第六代战斗机的宏观需求是可选有人和无人驾驶两种模式、超音速巡航与作战、超常规机动、全向、全频谱超级隐身、超远程打击、超越物理域和信息域的实时控制能力等。

  除了美国之外,日本在完成其心神项目之后也推出了自己的第六代战斗机F-3项目。其实日本的心神项目只是一个技术验证项目,其主要是为了解决日本五代机技术验证问题,作为一个过渡技术验证项目存在,F-3项目就是基于心神的技术基础上而展开的。和美国对于六代机概念晦涩难懂的能力需求设定不同的是,日本的F-3项目别具一格的提出了3F和i3概念。所谓的3F即是首先发现、首先攻击、首先摧毁,i3则是信息化、智能化和敏捷性。

  有关3F指标是伴随心神验证机项目提出来的,日本意图通过使用光纤式线传飞控技术、整合高性能主动相控阵雷达、电子战系统、多功能射频传感器以及智能蒙皮技术实现所谓的3F指标,其中比较有代表性的当属光纤操控技术和智能蒙皮瓦片式相控阵雷达天线技术,这两种技术在现役的五代机上算是超前的探索了。目前,日本已经在心神项目和P-X反潜机项目上对光纤操控技术进行了局部的验证。但对于日本的心神项目以及第六代战斗机F-3项目来说,最大的问题在于发动机上,美国人在该领域对于日本的控制极为严格,日本最终能否如愿拿出产品,最核心的一个问题就是是否能拿到相匹配的发动机,尽管在该领域有一定的工业能力支撑,但付诸实施过程中面临着重重困难。

  作为世界三大航空强国(美国、俄罗斯和欧盟)之一俄罗斯虽然在五代机的研制和部署上远远落后于美国,甚至在实际部署时间轴上被曾经的学生中国超越;但在研究五代机项目的同时,俄罗斯也没有忘记了启动第六代战斗机的研发工作。俄罗斯在六代机的研发上,除了完善概念定义之外,同时重点对六代机所需的材料和发动机两个难题进行技术攻关,以求优先解决这两个核心问题。有关俄罗斯第六代战斗机研发时间点有两种说法,第一种是2030年前后开始研制,另一种说法是最快于今年下半年便能展开相关的研制工作。不过从当前俄罗斯官方披露的各种信息中,我们可以得出俄罗斯在第六代战斗机领域的主要研究方向已经明确,相关的预研工作已经启动。

  除了美俄日本三个国家之外,英国也在提出了研制第六代战斗机的计划,其原型机就是大名鼎鼎的风暴战斗机。2018年范堡罗航展上英国政府公布了风暴项目,该项目由英国航空航天系统公司、罗尔斯·罗伊斯公司、MBDA公司和莱昂纳多公司英国分部牵头研制。英国政府打算投资20亿英镑(约合25亿美元)用于资助该项目的早期阶段,力求在2025年实现这一计划。在风暴项目中,英国积极在欧盟各国间活动,寻求和狂风、台风战斗机项目一样展开联合研发,去年有消息称瑞典将成为英国风暴项目的首个国际伙伴。

  综合英美俄以及日本四个国家对于各自第六代战斗机的研发工作来看,很多国家在第六代战斗机研发上早已开始厉兵秣马、暗中较劲,无论是政治角度,还是军事角度,第六代战斗机的竞争之战已经拉开序幕,2030年将是第六代战斗机的发展的一个重要时间节点。截止目前共有美国的洛马公司、格鲁曼公司、波音公司以及英国的BAE公司和法国的达索公司公布了5个各自的设计方案。

  通过上文我们简单介绍国外六代机发展情况来看,有关六代机的定义虽未形成类似五代机4S指标的国际公认概念,但相关的研发国根据各自的未来作战需求,对于其六代机发展的主要方向基本确立,应用的新技术也基本能罗列出一个大概的方向。

  自二战后,战斗机的操纵系统发展先后经历了机械操纵系统、电传操纵系统发展阶段。在机械操纵向电传操纵过渡的过程中,对于战斗机的机动性能和操纵性能带来巨大的改善,也潜移默化的影响到了战斗机的设计工作。电传操纵采用电信号取代了传统的钢索操纵原理,通过机载电脑可以实时对飞机的姿态进行修正,补齐飞机飞行过程中的所有动作,推动放宽静稳定度技术以及飞翼式气动布局的应用发展;其可以以每秒钟上千次的速度进行微修正,大大提升了操纵的反应效率,实现飞行员傻瓜式操纵。

  随着光纤技术的应用成熟,其为战斗机实现更高的机动性和操纵灵敏性奠定了技术基础。所谓的光纤操纵技术即是用光导纤维、电子线路与机载电脑相连接,从而实现对飞机飞行姿态的实时控制。我们都知道,光在光导纤维中的传导损耗要比电信号在电线路中传导的损耗要低得多,光纤的工作频率比目前使用的电缆使用的工作频率要高出8-9个数量级,这意味着其传输效率更高、传输速度更快以及传输距离更远,这对于战斗机操纵系统和通信系统来讲,其可以实现每秒钟上万次以上的速率进行修正和高速接收、传送各类作战所需的数据。另外,光导纤维还具有体积小、重量轻以及抗干扰性能好的优点,可以有效的降低战斗机的机载线路重量,提升操纵以及通信的安全性。

  第六代战斗机要求具备高低速都能飞、高低速都省油以及远程和长航时飞行能力,这就对于发动机的提出一个更高的要求,由于技术原因,现有的涡扇发动机这类常规循环发动机的部件和系统都无法实现这一根本要求,难以满足未来使用范围扩大、遂行多种任务的需求,因此变循环技术就成为首要选项。通俗点讲,采用变循环技术的发动机在亚音速巡航阶段采用涡扇工作模式,超音速巡航阶段采用涡喷工作模式,发动机可以根据飞机飞行实际需求随时进行相应的工作模式切换,从而拓宽发动机的工作范围和不同状态下的工作效率,这是未来六代机的核心技术之一。根据美国空军研究实验室披露的数据,当前正在研究的3流道技术发动机比原来的F-135型发动机燃油效率提升25%左右,飞机的作战半径可以增加20%-30%左右,足以说明问题所在。

  目前美国研制的变循环发动机主要有GE公司的XA-100型自适应变循环发动机和PW公司的PW-9000发动机。其中GE公司的XA-100型自适应变循环发动机就是我们上文所提到的采用了3流道技术的发动机,其结构原理是在原来涡扇发动机核心机流道和外涵道流道基础上增加了一个自适应风扇外流道,通过增加的第三个外流道实现对发动机根据实际要求进行调控。PW-9000发动机则是在F-135发动机和PW-1000型发动机的基础上发展而来的一款变循环发动机。

  战斗机隐身是二战后世界各国探索的一个重要领域,当战斗机发展到第五代的时候,实现了雷达隐身和部分声热隐身能力。受制于隐身技术的发展,当前现役的几款隐形战斗机主要依靠外形设计和传统隐身材料实现了低可探测性,其主要隐身的核心对象是电磁波,且只是有针对性的对极为狭窄的部分电磁波波段实现隐身,这显然无法适应未来战争的需求,反隐身技术也在同步发展中,美国空军认为这一隐身优势只能维持到2020年左右,随着中国在反隐身雷达领域取得突破,用事实证明了这一切。

  隐身是一个系统工程,涉及到电磁波、红外线、声波、可见光以及其他新兴探测技术,当前的隐身技术显然存在很大的局限性。第六代战斗机对于隐身的需求更加严格,需要进一步拓展电磁波、可见光、红外线以及声波等隐身频段,从而最终实现全频隐身性能;另外当前五代机在侧向、尾部等多个方向存在诸多的隐身漏洞,因此未来在全向隐身方向也需要进一步优化。美国波音公司和洛马公司联合推出的F/A-XX概念机就采用的是无尾布局设计,或许不久的将来会在等离子隐身、放射性同位素涂层以及多功能隐身材料等领域取得技术突破,从而实际应用到下一代战斗机上。

  以上仅仅是当前比较公认的三大核心技术,在后续的发展中还会有更多的核心技术被引入,比如飞机/发动机一体技术、热管理技术、人工智能技术、超越物理域和信息域的实时控制技术等等,限于篇幅原因,在这里就不再过多的赘述。

  随着歼-20隐形战斗机的小批量投产服役,标志着我国在五代机领域赶上了国际发展步伐,并成功进入到世界第一梯队。参照中国装备一代、研制一代、预研一代的发展思路,国内有关国产第六代战斗机的呼声越来越高。在国外普遍公布其六代机项目的时候,中航工业集团公司成都飞机设计研究所总设计师、航空工业首席技术专家以及主持十三五未来发展重点预先研究项目的王海峰博士去年向媒体披露了我国下一代战斗机研究部分特征和技术细节,提出我国新一代战斗机有不同于其他国家的方案,是完全根据我国实际国情和需求而研发的中国特色新型战斗机。

  在采访中王博士提及到有人/无人协同技术、人工智能技术、全向全频谱隐身技术、全向探测全向攻击技术以及部分颠覆性技术。鉴于当前关于六代机将会是什么样子、采用何种技术标准、有哪些标志性新技术等等,这些问题各方都还处于积极研究论证探索的大背景下,过多的讨论都没有实际意义。不过当前可以肯定的是新一代战斗机在动力系统上必定会有重大革新,变循环发动机是一个比较有潜力的发展方向。

  我国在过去二十年中通过歼-20和FC-31两个五代机项目,跻身于世界航空工业发展的第一梯队,初步赶上了美国的发展脚步;因此我们有理由相信我们已经展开六代机关键技术论证、预研和攻关阶段,王海峰博士披露的2035年这个时间节点也是比较可信的。通过不断的技术积累,我国在航电、机载武器系统以及飞机整体设计上与美俄欧盟这些传统航空工业强国差距在不断的缩小,在取得进步的同时,我们也要清晰的认清差距,即发动机领域的短板。

  当战斗机发展到第五代,采用矢量控制技术的大推力涡扇发动机已经投入实际应用,美国为其F-22专门研发了F-119型二元矢量发动机,到F-35战斗机时期发动机的推重比超过了10,最大推力达到18吨,未来升级后有望达到21吨;俄罗斯也为其苏-57战斗机开发了推力16吨的产品-30矢量发动机;而我国歼-20当前使用的还是涡扇-10B改进型发动机,推力也不过13吨多一些,在发动机上差距是一目了然的,这也是外界质疑歼-20不具备超音速巡航能力的关键所在。

  美国在提出六代机概念后,GE公司和PW公司已经拿出了各自的新一代采用变循环技术的发动机。而我国歼-20相匹配的涡扇-15大推力发动机至今也没有装备歼-20战斗机,这在时间节点上与美国相差了将近20年的时间差。当前美国已经开始新一代发动机的预研工作,并取得了重大突破;而我国充其量还处于预研阶段。由此可见,我国能否在六代机领域实现弯道超车,最关键的问题就在于能否按时间节点解决动力系统。

  尽管目前第六代战斗机还处于概念论证阶段,各方在一些核心技术应用以及作战设计上存在不小的分歧,但第六代战斗机的设计早已经在各国之间展开,从各种披露的信息来看我国也不例外。当前中美俄以及欧盟在第六代战斗机研发上都处于同一起跑线上,只不过美国人凭借其雄厚的科技和航空工业实力,在六代机研发领域略占一部分优势。当前世界各国对于第六代战斗机的时间节点普遍设置在2030年左右,这是一个值得我们拭目以待的时间节点,我国未来能否在六代机领域实现弯道超车,最关键的看能够同步解决动力系统,这一点是毋庸置疑的,因为我们在其他领域的技术积累已经基本满足新一代战斗机的研发工作,发动机是最大的短板;或许在不久的将来,国产六代机和歼-20一样以出其不意的速度取得重大突破,在时间上率先列装部队,这也不是不可能的,让我们拭目以待吧。

  [1]梁春华.索德军.孙明霞. 美国第六代战斗机发动机关键技术综述[J]. 航空发动机.2016.4