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英國下一代戰斗機發動機發展計劃

2022/05/19

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



一、技術背景

“暴風”戰斗機團隊于2018年成立。該戰斗機是英國皇家空軍(RAF)的下一代戰斗機,計劃于2035年開始服役,取代“臺風”戰斗機。“暴風”戰斗機能夠實現多源/多平臺傳感器數據融合,成為作戰網絡中心,通過“戰斗云”與其他戰斗機共享態勢數據信息。

“暴風”戰斗機具有以下優勢特征:


  • 設計遵循“即插即用”標準,根據作戰任務需求,戰斗機軟件、硬件可實現快速更換,如配置多種武器、傳感器、油箱等,進而保證戰斗機功能多樣化。同時,機載設備高度集成化,如先進傳感器系統、非動力學系統、通信系統等,均能實現高度集成與協同。

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

  • 采用先進復合材料和增材制造技術進行生產制造,保證戰斗機重量輕,且機上高功率密集模塊能夠在高溫下穩定運行。

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




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“暴風”戰斗機概念圖

二、動力系統設計

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

由于“暴風”戰斗機計劃攜帶大量激光武器、先進傳感器和航電設備,因此需要足夠的電量供應,同時會產生大量的熱負荷。傳統的通過附件齒輪箱輸出功率的老式方式已經無法勝任這個工作。羅羅公司的嵌入式電啟動發電機可以讓戰機直接從航空發動機中提取大量電能,將節省空間并提供未來戰斗機所需的大量電力。現有的飛機發動機通過發動機下方的變速箱產生動力,從而驅動發電機,既增加了運動部件和復雜性,又因為所需空間過大降低飛機的隱身性。而新的設計使用一個綜合電機同時替代電動機和發電機,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,這種雙閥芯發電將提升發動機的可操作性,響應性和效率。


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熱量管理系統


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集成電源管理系統

新型發動機還配備了新的儲能系統,即智能的電力和發動機控制系統,其可通過算法對電力網絡進行管理,延長部件壽命。增加的發電能力加上智能電源管理系統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,最大限度地發揮了燃氣輪機作為主要動力源的潛力。

三、新技術進展

據英國羅羅公司網站報道,羅羅公司一直在開發世界頂尖的技術,這些技術將用于英國下一代戰斗機”暴風”項目。

羅羅公司認為,為了更電動、更智能和利用更多動力,未來的戰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”項目啟動之前,羅羅公司已經開始著手研究如何滿足這些未來需求。早在2014年,該公司就接受了設計完全嵌入燃氣輪機發動機核心機的起動/發電機的挑戰,即稱之為“嵌入式起動/發電機”(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/發電機將節省空間,并提供未來戰斗機所需的大量電力。現有的航空發動機通過變速箱提取動力驅動發電機,這種方式除了增加運動部件和復雜性之外,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”項目貢獻的一部分被采納。在開發過程中,羅羅公司不斷發展其在航空航天市場的能力,從燃氣輪機技術到綜合動力和推進系統,其目標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所需的電力,以及管理所有由此產生的熱負荷。羅羅公司正在適應這樣一個現實: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、武器、作動系統和附件以及通常的航空電子設備的電氣化水平。

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


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項目第二階段于2017年啟動,研究內容包括在發動機的另一個軸連接第二臺電機、電網中的儲能系統,以及智能管理所有這些系統之間電力供應的能力。安裝在兩個軸上的電機通過作為電動機或發電機的組合運行,可以對發動機產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電來影響發動機的運行性、響應性和效率的可行性。另一項正在開發的關鍵技術是電源管理器智能控制系統,該系統使用算法對如何滿足當前飛機的電力需求做出實時智能決策,同時優化其他因素,包括發動機效率,以減少燃油消耗或降低發動機溫度,延長部件壽命。

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

四、未來發展

在2021年12月簽訂的戰斗機發動機研發協議外,英國國防部還表示,英國再提供2億英鎊(約2.666億美元)的資金將用于開發一個全面的演示電力系統,該系統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系統公司也將參與其中。

但合作備忘錄中并未公布新發動機的預期性能等細節,現階段尚不清楚所謂的演示發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試驗。此外也無法確定均為雙引擎設計的“暴風”和FX是否將由同一款發動機提供動力。
“與日本的這項倡議是共同開發世界領先的電力技術的雙贏機會,”英國未來作戰航空總監理查德伯頓說。“投資并與日本合作展示高度先進的發動機系統將促進我們國家工業在尖端軍事技術領域的發展。我們期待著開始這項工作,并繼續討論進一步的合作。”

“英國和日本的行業團隊帶來了互補的技術,這些技術將為兩國未來的戰斗機需求提供更清潔的下一代動力和推進力,”羅羅公司業務發展和未來項目總監亞歷克斯·齊諾說。“聯合發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能力,還將促進創新和關鍵技術的發展,這些技術將成為國防航空工業未來的基礎。”

與此同時,對于日本來說,與英國達成的最新協議引發了對其自身戰斗機動力系統前期研究的質疑。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斗機計劃的技術演示器。

雙引擎設計的X-2由IHI XF5渦扇發動機提供動力,每個渦扇發動機可產生約11000磅的推力,并配有推力矢量以提高機動性。預計FX最終將由IHI正在開發的XF9發動機提供動力,該發動機將提供比XF5更大的推力。隨著IHI現在與羅羅公司合作,XF9未來發展地位存在不確定性。

開發全新的戰斗機是一項艱巨的任務,許多人質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出新戰斗機。考慮到這一點,集合兩國的技術和工業實力似乎很有意義。

英國和日本在未來戰斗機動力裝置方面的合作,體現了兩國之間更廣泛的軍事合作。2021年初發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方面取得了巨大進步,這些技術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新的前沿。”

2021年10月英國和日本同意就互惠準入協議(RAA)開始正式談判,以進一步深化雙邊防務關系。

與未來空戰技術雙邊合作相關的還有英國國防部對日本新空對空導彈計劃(JNAAM)的支持。這種武器預計將結合英國在MBDA流星超視距空對空導彈(BVRAAM)方面的技術和日本開發的先進射頻(RF)技術。

日本媒體已經有報道稱,“暴風”戰斗機和FX戰斗機不僅將共享發動機,還將共享“進氣口……以及排氣口附近的區域”,并且這些組件將針對隱身進行優化。

日本已經表示計劃讓三菱重工領導FX項目,全面負責飛機的開發,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

雖然英日兩國對未來戰斗機的航程、速度等性能要求不盡相同,但使用相同的動力裝置在技術上是可行的。早在20世紀80年代,兩公司就共同參與了大型民用渦扇發動機V2500的開發和生產。自2020年以來,兩國一直在探索如何合作,形成技術互補,并著力開發“嵌入式起動/發電機項目”,如果合作成功,“暴風”和FX兩型戰斗機通用的動力裝置可節省數億美元成本。此次合作意味著英國轉向亞太地區,以及日本將其防務合作關系擴大到傳統盟友美國之外。


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