美国第6代战斗机发动机进展分析

孙明霞，梁春华，索德军，刘殿春

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳，110015）

0 引言

美国空军和国防部航空航天推进需求委员会认为：世界上只有美国、俄罗斯、英国和法国等4 个国家能够设计和制造大型的现代燃气涡轮发动机[1]。美国于2007 年开始启动第6 代战斗机及其发动机的论证工作，目前正在开展下一代空中主宰（Next-Gener⁃ation Air Dominance，NGAD）战斗机的下一代自适应推 进 系 统（Next Generation Adaptive Propulsion，NGAP）X 型地面验证机的验证工作，计划于2025 年转入Y 型飞行验证机的验证阶段[2]；近期，GE 公司完成了XA100 发动机的试验验证，基本达到了预期需求；法国和德国国防部于2018年4月签署了未来空战系统（Future Combat Air System，FCAS）协议，宣布达索航空与空客公司将联合研制“新一代战斗机”（Next Generation Fighter，NGF）[3]；英国于 2018 年 7 月在范堡罗航展上通过“英国空战战略”正式公布研制新一代战斗机“暴风”[4]；俄罗斯国家航空系统科学研究院于2019年9月对外表示，俄罗斯正在开展第6代战斗机的研制工作。

至此，世界航空大国对第6 代战斗机及其发动机的研制大幕已悄然揭开。由于俄罗斯、英国、法国和德国等国家的第6 代战斗机及其发动机项目刚刚启动，其在技术储备和资金保障等方面远不及美国，因而仅对美国第6 代战斗机发动机从需求拉动、技术推动和竞争发展等维度进行分析。

本文梳理了不同阶段美国国防部对美国空军和海军、美国空军和海军对第6 代战斗机和第6 代战斗机对发动机的需求，绘制和综述了美国第6 代战斗机发动机技术研究和产品研制的发展路径，总结了其发展特点，并对其未来发展趋向进行了分析和预测。

1 需求拉动

美国第6 代战斗机发动机的研制需求，一方面来自于外部环境的竞争压力，即大国地位的展示和大国博弈的要求，另一方面来自于美国国防部对空军和海军的战略需求、空军和海军对战斗机的战役需求、战斗机对发动机的战术需求。

1.1 外部竞争

美国空军和国防部航空航天推进需求委员会[5]认为 ：20 世纪 70 年 代配装 F-15 和 F-16 战斗机 的F100 发动机投入使用时，美国燃气涡轮发动机技术领先竞争对手大约20 年；21 世纪初配装F-22 战斗机的F119发动机投入使用时，美国燃气涡轮发动机技术仍然领先竞争对手大约10 年，欧洲配装EF2000 战斗机的EJ200 发动机的技术水平与配装最先进F-15 战斗机发动机的F100-PW-229和F110-GE-129发动机的相当，但不具备超声速巡航、推力矢量和隐身功能。

事实上，世界最大的两大军事强国美国与俄罗斯（包括苏联）在国防武器装备发展方面一直采取竞争发展的策略，在战斗机及其发动机领域的竞争发展也从未停止。美国和俄罗斯（包括苏联）第4～6 代战斗机及其发动机发展进程的对比如图1所示。

图1 美国与俄罗斯战斗机发动机发展进程的对比

1.1.1 美国和苏联齐头并进的发展时期

20 世纪60 年代中后期，美国急迫地需要外场可使用的战斗机与MIG-25“狐幅”战斗机和其他预期的前苏联战斗机抗衡，美国空军决定研制既具有突出的空中格斗性能又要兼顾对地攻击能力的中空格斗战斗机，同时研制具有较高的推重比和较好的进气道/发动机匹配性能的发动机。70年代中期，美国PW 公司研制出 F100-PW-100 和 F100-PW-200 发动机，并配装第4 代F-15“鹰”重型战斗机和F-16“战隼”轻型战斗机投入使用[6]，显著提高了跨声速／超声速性能，但是因过度追求性能而出现了大量的可靠性和耐久性等问题。经过持续地改进改型，于80 年代中期研制了性能降低但可靠性、耐久性、可维护性等提高的F100-PW-220 发动机，很好地满足了美国空军的作战使用要求[7]。1973 年，为了与美国F-15 战斗机/F100 发动机对抗，苏联留里卡设计局开始研制与F100 发动机性能接近的 AL31F 发动机，1981 年 4 月配装AL31F 发动机的Su-27 战斗机完成首次飞行，1985年通过定型试验并投入使用[8]。

这一时期，美国和俄罗斯在发动机研制上真可谓你追我赶如影相随。

1.1.2 俄罗斯（苏联）稍显落后于美国的发展时期

随着气动力学、发动机、电子和雷达等技术的不断进步，特别是Su-27 和MIG-29 等战斗机以及空对空导弹技术的不断进步，大大削弱了美国的空中优势。为此，美国空军从80年代初开始筹备研制第5代空中对抗先进战术战斗机和发动机。美国第5 代重型战斗机F-22 的F119 发动机，于1983 年开始初步研究，1986年开始进行验证发动机（YF119发动机）试验，1991 年开始工程研制，1997 年在 F-22A 战斗机上开始试验飞行，1999 年完成发动机验证试验，2002 年完成最初交付使用试验，2005年进入全面使用，但在2011 年12 月因价格昂贵而停止生产。F119 发动机在性能、结构、可靠性、耐久性和保障性方面都达到甚至超过了预期目标，使得F-22 战斗机具备了不加力超声速巡航、越级隐身和超级机动的战术性能。80年代初，为了对抗美国先进战术战斗机（Advanced Tactic Fighter，ATF）计划，苏联启动了“战斗机－90”计划，提出重型多功能前线战斗机（MFI）项目。米高扬设计局研制出与美国F-22 战斗机水平相当的“1.42 产品”，留里卡设计局研制出与美国F119 发动机水平相当的AL-41F 发动机。AL-41F 发动机于80年代后期进行了地面试验和飞行试验，但随着1991年苏联解体等原因，暂被搁置。而战斗机“1.42”的试验原型机“1.44”直到2000 年2 月才完成首飞，但最终没能完成型号定型，计划就此告终[9]。

1993年9月，美国国防部为了解决轻型战斗机老化问题和保持武器装备的技术优势，取消了多用途战斗机（Multi-Role Fighter，MRF）和A/F-X 研制计划，启动了下一代轻型战术战斗机的联合先进攻击技术（Joint Advanced Strike Technology，JAST）研究计划；1996 年3 月，将JAST 计划正式发展为旨在研制下一代空军和海军常规起落型、短距起飞垂直着陆型和舰载型战斗机的联合攻击机（Joint Strike Fighter，JSF）研制计划。在JSF 计划下，美国第5 代轻型战斗机F-35的F135 发动机，于1996 年开始方案演示与验证，2001 年进入系统研制与验证，2010 年3 月F135-PW-100/400 发动机获得初始使用许可，2011 年1 月F135-PW-600 发动机获得初始使用许可（Initial Ser⁃vice Release，ISR），2015 年5 月F135 发动机随 F-35B战斗机完成海上初始作战能力试验，2016年8 月美国空军宣布配装F135-PW-100 发动机的F-35A 战斗机具备初始作战能力（Initial Operational Capability，IOC），2016 年12 月完成F135发动机全部3 个型别的系统研制与验证（System Development and Demonstra⁃tion，SDD）工作，目前处于生产阶段[10]。1996 年，为了对抗美国轻型战斗机研究计划，俄罗斯空军宣布了歼击机-2000 项目，并发布多功能单发轻型前线飞机（LFS）战术技术任务书，但后续没有获得实质性进展。为了对抗美国F/A-18E/F 战斗机，俄罗斯空军于1998年启动“21世纪的战斗机（I-21）”计划并提出中型前线战斗机（SFI）项目，2000年6月按照SFI项目提出了论证报告和技术任务书选定由“留里卡-土星”公司研制117A（又称AL-41F1A）和117S（又称AL-41F1S）发动机，2000年底修改了对I-21计划的要求，2002年初在《俄罗斯2010年前武器发展规划》中明确启动PAK FA（“未来战术航空飞机系统”）项目取代SFI 项目。2002 年4 月，俄罗斯空军选定苏霍伊设计局的双发T-50方案和“土星”公司的“30号机”[11]。

这一时期，俄罗斯在与美国的竞争中显得有些有心无力，导致已经明显跟不上美国的发展步伐。

1.1.3 美国明显领先俄罗斯的发展时期

美国第6 代战斗机发动机正在进行X 型发动机（XA100 和 XA101）技术验证阶段，计划于 2025 年进入Y 型飞行验证机验证阶段。而俄罗斯第6 代战斗机发动机还只是处在研制初级阶段。在这一时期，美国明显领先于俄罗斯。

从某种意义上，由于英国和法国受技术基础和综合国力限制，以及俄罗斯的“影子计划”从20 世纪90年初开始未能跟上，美国与其他3 国在战斗机和发动机技术水平方面的差距不是缩小了，而是拉大到超过20 年（美国空军和国防部航空航天推进需求委员会相差10 年左右的评估显然不符合实际），并且追赶和超越难度自然更大。也就是说，美国战斗机和发动机技术，长期以来在世界上处于遥遥领先的地位，对第6 代战斗机及其发动机的研制需求并不迫切。事实也是如此，按照美国发动机技术发展的规律，目前一代发动机投入使用前，启动下一代发动机研制。美国第 4 代战斗机 F-15（F-16）的 F100 发动机 1970 年进入工程研制阶段，第5 代战斗机F-22 的F119 发动机1991年进入工程研制阶段，相差21年；按规律推算第6代战斗机发动机现在已经进入EMD阶段，但是按第6 代战斗机发动机计划2025 年才进入Y 型飞行验证机验证阶段计算，比F119 发动机进入工程研制阶段的时间晚了至少34 年。因此，美国已经并且还在利用更多时间和资源对战斗机及其发动机创新技术进行持续发展并降低风险。

1.2 内部需求

美国前国防部部长佩里在1980 年提出，作战需求是拉动武器装备发展的原动力，而科学技术则是武器装备发展的推动力[12]。这一理念是美国战斗机及其发动机等武器装备发展的指导思想。美国的第4代 F100 与 F110、第 5 代 F119 与 F135 等战斗机发动机都遵照这一指导思想开展研制，并取得了成功。2007年以来，遵循这一指导思想，美国国防部、空海军和工业界开展了大量的方案与技术研究，从战略、战役和战术层面对第6代战斗机发动机需求进行了论证。

综合分析美国国防部制定的武装部队21 世纪的航空愿景[13]、《美国空军2020年愿景》[14]、《美国国防部空天科学与技术战略》[15]、《美国空军2020-2030 年愿景》[16]、《美国空军战略总规划》[17]、《空军未来作战概念》[18]、《空中优势 2030 飞行规划》[19]、《2016-2025 年海军航空愿景》[20]等文件，可以发现：美国国防部对空军和海军的战略需求在很长一段时间内基本没变，即：“全球警戒、全球到达、全球力量”，获取绝对的制空权和制天权。在时间方面，强调任何时间与快速机动，以实现快速到达和打击；在空间方面，强调任何地点、全球、基于网络空间、全域（海洋疆域、空中与太空疆域和电磁频谱），以实现全球与全域覆盖；在行动方面，强调对目标能够监视和侦查、态势感知、发现、跟踪、锁定、瞄准、作战（精确空对地与空对空打击）、机动、评估，以实现国土防卫、力量使用、力量投送，从而继续维持绝对制空权，甚至获取绝对制空权和制天权。

综合分析美国空军发布的《空中优势2030 飞行规划》[19]、《第6 代战术飞机装备与技术概念研究》能力信息征询书[20]、美国海军的《海军航空愿景》[21]等文件，兰德公司发布的美国空军委托的研究报告《国防部应该避免第6 代战斗机的联合采办》报告[22]以及美国《空军杂志》[23-24]、《华盛顿邮报》、《国防内情》[25]、《飞行国际》[26]、《航空周刊》[27]、俄罗斯卫星通讯社网站[28]、美国海军协会网站[29-31]等美国各类媒体和网站的报道，可以发现：经过从2007 年开始的3 个阶段多轮深入探索和论证，美国空军和海军对第6 代战斗机的概念和方案已经基本成形。要求第6 代战斗机在研制模式和空海机型方面，是各自独立研制战斗机、到美国国防部参与并主导研制通用型战斗机、再到各自独立研制战斗机的变化过程；在作战模式方面，是从单机优势、到系统优势、再到“以系统优势为主与单机优势为补”的过程；在有无人驾驶方面，可能以有人驾驶为主，无人驾驶为辅；在作战要求方面，具备“六超”等能力，即：超长航程、超声速巡航与作战、超常规机动、超级隐身、超远程打击、超越物理域和信息域的实时控制，体现为速度更快、航程更远、燃油效率更高、红外和电磁辐射更低。

综合分析美国海军发布的第6 代战斗机信息征询书、美国航空航天技术周刊网站刊登题为《美国通用电气公司公布第6 代自适应发动机发展计划》[27]以及相关文献，可以发现：在战术上，美国第6 代战斗机对发动机提出“六超”的要求。超大推力与推重比、超低油耗、超级隐身、超级机动、超长耐久性和超低费用，这些要求既非常难以达到，又有些相互矛盾，满足这些相互矛盾要求的发动机类型指向了自适应循环发动机。GE 公司认为这些要求既非常难以达到，又有些相互矛盾。经过折衷研究，发现除非出现物理规律的重大革新，美国军方目前已经基本确定能够满足下一代战斗机先进性能要求的动力只能采用变循环，或者自适应发动机技术[27]。据美国空军研究实验室的计算结果[32]：采用自适应循环发动机可使F-35/F135 的燃油效率提高25%；作战半径增加25%～30%；续航时间延长30%～40%。经过几番迭代需求论证，美国将自适应发动机确定为下一代战斗机发动机的型式，开展持续的技术成熟与风险降低工作。

综上所述，美国战斗机发动机在世界上处于空中绝对优势和技术领先地位，对战略需求、战役需求和战术需求几番迭代论证，基本明确第6 代战斗机发动机战术要求为“六超”，类型为自适应循环发动机。

2 技术推动

美国第6 代战斗机发动机的发展基于“需求拉动与技术推动”理念，开展了持续的技术成熟与风险降低工作。

2.1 美国第6战斗机发动机技术特征

事物是在不断变化的，首先是渐变，当渐变累积到一定程度，必然会突破原有框架，实现质的突变。第6代战斗机自适应发动机也自然遵循渐变（N）与突变（1）的创新理念，采用1+N创新模式。

1+N 创新模式的1 是指自适应发动机。在《航空周刊》杂志创办100 周年之际，自适应发动机被其评选为未来20～40 年内比较有前景的18项航空航天技术，其评价为：自适应发动机是航空发动机推进系统从离心式到轴流式、从涡喷到涡扇的2 次突破性创新之后的第3次突破性创新。按照双S形曲线创新理念或模式[33]，战斗机发动机的发展，在经历从F100 和F110到F119和YF120以及F135和F136的第1条S曲线内的常规涡扇发动机渐进性创新发展之后，第6 代战斗机自适应发动机开始从右上角迁移进入第2条S曲线的突破性创新发展，如图2所示。为了体现和强调第6代战斗机发动机与以往研制机型的不同，美国空军打破传统，将2 台自适应发动机转移（Adaptive Engine Transition Program，AETP）计划下的地面验证机分别命名为XA100 和XA101。采用“A”指代“自适应”，放弃了指代“涡轮风扇”的“F”，与20世纪40年代采用“F”指代涡轮风扇，而放弃指代“涡轮喷气”的“J”一样[34]。

图2 美国战斗机发动机双S形曲线创新趋势

1+N 创新模式的N，是指高性能、经济可承受性、多电、智能、隐身和推力矢量技术等。先进的高性能发动机技术包括增大推力、降低耗油率、减轻质量、提高耐久性、降低噪声与排放等；经济可承受性技术包括降低研制成本、采办成本和全寿命期维护成本；多电技术是指通过采用主动磁力轴承系统、内置式整体起动/发电机、分布式控制系统、电动燃油泵和电力作动器等新技术/系统，满足发动机本身和战斗机对电力的需求；智能技术是通过开发和验证主动部件控制、发动机健康管理、分布式容错控制、飞机与发动机一体化、进口与喷口一体化和信息融合等技术，构建发动机智能控制系统，准确感知发动机及其部件的工作环境和执行特定任务的能力，快速适应变化的环境和功率降低的状态，精确地规划/重新规划一项任务甚至整个任务，从而使整个发动机在所有工作状态下的综合性能达到最优；隐身技术主要通过采用冷却、遮挡、混合/掺混、涂层、材料等方面的技术，对进气系统和排气系统等重点隐身部位进行红外、雷达、声学、视觉、电磁辐射等方面的隐身设计，抑制红外辐射和衰减雷达辐射，从而使全方向无探测设备可探测；推力矢量技术通过采用机械式推力矢量喷管和流体式推力矢量喷管，对满足战斗机常规机动性、过失速机动性、敏捷性、短距起落、超声速巡航、隐身等性能都有非凡的贡献[23]。

2.2 技术研究计划的进展

自适应循环发动机技术是变循环发动机技术的持续发展，如图3所示。

图3 美国自适应发动机的技术发展进程

20 世纪60 ～80 年代，自适应循环发动机技术存在多种方案，包括：可调增压压气机（Variable Pump⁃ing Compressor，VAPCOM）发动机；涡喷和涡扇复合模式；改进的涡喷和涡扇组合模式；串联/并联模态的变循环方案；3 转子可调涵道比变循环（Modulating By⁃pass，MOBY）方案；最初的双循环单外涵变循环方案；有3 股排气的最初的双外涵变循环结构；单和双外涵变循环方案简化；进一步简化的核心驱动风扇结构等[35]。由于种种原因大多数方案没有实际应用，但是却为变循环发动机后续发展提供了宝贵的经验和教训。

20 世纪80 年代，变循环发动机逐渐演变为只有GE 公司一家独自研制。GE 公司在DBE-GE21、DBE-GE23 的基础上研制了YF120发动机，是世界上第一种经飞行验证的双外涵道变循环发动机，但是因与F119发动机竞争失败而没有进入工程研制。

20 世纪90 年代到21 世纪初，在综合高性能涡轮发动机技术（Integrated High Performance Turbine Technology Program，IHPTET）计划下，GE 和/或 Alli⁃son 公司以XTC16/XTC76/XTC77 核心机验证机和XTE76/XTE77 发动机验证机为平台，开发和验证了双外涵变循环涡喷/涡扇发动机技术—可控压比发动机（Controlled Pressure Ratio Engine，COPE）技术[35]。

21 世纪初，在（Versatile，Affordable，Advanced Turbine Engine Program，VAATE）计划中，开展从自适应循环技术到自适应发动机的开发与验证。2007年，开始实施“自适应变循环发动机技术（Adaptive Versatile Engine Technology，ADVENT）”计划，原计划在2012年完成双外涵变循环涡喷/涡扇发动机技术验证机，达到技术成熟度6，在2013 年之后可能开始进入工程研制阶段，在2020～2022 年投入使用。2012年，开始实施“自适应发动机技术发展（Adaptive En⁃gine Technology Development，AETD）”计划，原计划在2016 年完成发动机的整机地面试验，技术成熟度达到6，具备发动机工程研制的条件；2020 年开始飞行试验，技术成熟度达到8。

2016 年，开始实施自适应发动机转移（Adaptive Engine Transition Program, AETP）AETP 计划，其目标是计划沿着AETD 计划验证的自适应循环的基本可行性继续开展研究，实现3 流道自适应发动机从技术原型机到工程验证机的顺利过渡，在21 世纪中期进入潜在产品采办时消除能够预见到的所有技术验证和产品研制风险[35]。第6 代战斗机自适应发动机正在AETP 计划下对地面验证机XA100 发动机和XA101 进行研制和试验。XA100 发动机的技术优势如图4 所示[36]。根据美国空军2020 年2 月提交给国会的2021 年财政预算文件介绍，GE 和PW 公司各获得4.27 亿美元的NGAP 研究合同。工作阶段包括发动机的初步设计、详细设计、制造和评估。工作成果包括详细设计模型、发动机硬件（包括备件）成熟技术、主要试验评估数据和计划评审。计划在2022 年第2 季度之前完成NGAP 系统的独立竞争设计，并在2025年2季度完成全尺寸发动机评估。也就是说，美国第6 代战斗机发动机已经进入X 型地面验证机的验证阶段，预计于2025进入Y型飞行验证机的验证阶段。如果成功，就像过去70年涡轮喷气发动机和后来的涡扇发动机一样，具有突破性创新的自适应发动机将进入产品的工程研制阶段。

图4 XA100发动机技术优势

综上所述，从20 世纪60 年代开始预研到21 世纪实施VAATE 计划，美国在变循环发动机及至自适应循环发动机方面开展了大量开发与验证工作，取得了显著进展，但是一直没有进入型号研制，可谓历经磨砺。如高性能核心机、自适应结构、自适应控制、自适应性能匹配与寻优技术、工作模态转换等一些关键技术，因结构过于复杂或性能指标过高等因素，虽然出现了“拖（研究周期拖后）降（技术指标示达到）涨（研究经费需增加）”的现象，但技术成熟度6基本得到验证。

3 结束语

美国第6 代战斗机发动机的研制已经进入X 型地面验证机验证阶段。回顾、总结和分析其需求、技术和产品的发展历程，可以归纳为以下2个特点。

（1）在需求拉动方面，在获得绝对空中优势的战略需求、具备“六超”能力战斗机的战役需求的拉动下，第6 代战斗机发动机的“六超”和自适应循环的要求已经基本确定。

（2）在技术推动方面，第6 代战斗机发动机采用1+N 创新模式，即以自适应为主，以高性能核心机、部分智能、部分多电、更为隐身为辅的创新模式。高性能核心机等技术已经得到充分开发和验证，可以助推第6 代战斗机发动机的产品研制；低压变循环与自适应技术经过多年的开发和验证也逐步成熟，基本可以助推第6代战斗机发动机的产品研制。