俄罗斯第6代战斗机发动机最新进展

刘晓瑜，梁春华，索德军

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）

0 引言

前苏联从20 世纪60 年代开始就在所谓的“影子计划”[1]下与美国开展战斗机及其发动机研制的激烈竞争，经历了20世纪60年代稍领先、70年代第4代战斗机及发动机水平相当、解体前后第5 代战斗机及发动机出现差距的历程。进入21 世纪后，俄罗斯继续在第6 代战斗机及发动机研制中追赶美国。美国启动第6 代战斗机及发动机研制较早，公开信息较丰富，因此近年来对国外第6 代战斗机发动机的报道和分析主要聚焦于美国，但俄罗斯第6 代战斗机发动机的研制同样值得关注。

本文基于有限资料综述了俄罗斯第6 代战斗机发动机技术发展路线与关键技术的最新进展，以为全面了解和掌握国外第6 代战斗机发动机的发展进程和先进技术提供参考和借鉴。

1 俄罗斯第6代战斗机发动机研制计划

俄罗斯在第6代战斗机及发动机研制中一如既往地采取与美国“如影随形”的发展战略。美国于2007年开展第6代战斗机及其发动机的论证工作[1]，目前正在开展下一代自适应推进系统（Next-Generation Adaptive Propulsion，NGAP）计划，预计于2032年完成第6代战斗机发动机的研制。而有关俄罗斯第6代战斗机研制，在2013年就有媒体报道[2]，但直至2016年俄罗斯才官方披露苏霍伊设计局已着手研制的消息[3-4]。目前已知俄罗斯研制的第6代战斗机为双发飞机，飞行速度可达2500 km/h，最大起飞质量不超过25 t，航程约为4000 km。战斗机将按照载人型和无人型开发。这种未来战斗机将配备全新的导航和火控系统，包括光子雷达系统。还将配备强大的多光谱系统，可在激光、红外线、紫外线等各种范围内工作[5]。此外，无人型战斗机还将引入人工智能，构成综合作战控制系统[6]。

关于俄罗斯第6 代战斗机发动机的公开信息较少。在公开报道中均未提及其准确启动时间。2018年6 月，俄罗斯中央航空发动机研究院（Central Institute of Aviation Motors，CIAM）首次在俄罗斯联邦委员会大会上宣布其正在研制第6 代战斗机发动机[7]。2021 年7 月，俄罗斯塔斯社称联合发动机公司（United Engine Corporation，UEC）已开始第6代战斗机发动机的研制。UEC 公司主要在组合动力装置以及多电发动机技术方面开展工作，已将验证机技术研究列入前瞻性专项计划，且申请了国家项目资金[8-9]，并于2021 年11 月公布了其第6 代战斗机发动机的技术细节[10]。2023 年，俄罗斯公布了其第6 代战斗机发动机的发展路线规划。

2023 年6 月26 日，topcor.ru 网站发布了1 篇名为《UEC 公司展示其第6 代战斗机发动机配装苏-57 进行试验的图片》的报道。该报道引用UEC 公司演示文稿透露了俄罗斯第6 代战斗机发动机的技术储备情况，指出了战斗机发动机技术的未来发展方向[11]。

2023年7月3 日，俄罗斯ixbt网站报道称其第5代战斗机苏-57配装第6代战斗机发动机成功进行了试验。此次试验采用的发动机可能是第5代战斗机发动机“产品30”的进一步发展，发动机采用3D打印的二元推力矢量喷管、高效轴承、陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites,CMC）涡轮部件、先进电力系统以及三涵道结构等[12-13]。

2023 年8 月，南美媒体aviacionline 网站发表了1篇有关俄罗斯第5、6 代战斗机发动机研制进展的报道，称旨在配装第5 代战斗机苏-57 的第2 阶段发动机“产品30”已获得新命名“AL-51-F1”，即将批产和投入使用。报道还介绍了俄罗斯第6 代战斗机发动机的技术发展路线规划。俄罗斯第6代战斗机发动机研制过程中将采用16项超前技术和23项同等技术，共39项。除三涵道自适应结构，还将采用电驱动、分布式航空发动机、主动系统等先进发动机技术，摩擦焊、3D打印等先进工艺以及CMC材料、增强合金和其他金属间化合物等先进材料，可实现飞/发硬件一体化[14]。

俄罗斯第6 代战斗机发动机技术发展路线规划采用了S技术曲线理论，如图1所示。

图1 俄罗斯第6代战斗机发动机发展路线[14]

根据技术发展S 曲线理论分析可知，俄罗斯第5代战斗机发动机“产品30”已经渡过了成长期和成熟期，具备很高的技术成熟度，换言之研制工作已接近尾声，即将在2024 年前后实现批产和投入使用。但“产品30”发动机也即将达到其发展极限点，进入衰退期，届时这种常规的涡扇结构很快便不能满足未来战斗机的战略需求。且不说第6 代战斗机，苏-57 配装第6 代战斗机发动机进行试验足以说明俄罗斯军方并不满足于苏-57 配装第5 代战斗机发动机“产品30”，因此有必要研制全新的第6代战斗机发动机。

俄罗斯第6 代战斗机发动机项目已启动，其技术发展曲线的开端正好与第5 代发动机“产品30”发展曲线的成熟衰退期重合，符合S 曲线技术发展规律，即在第1 条S 曲线达到极限点前，再次走出1 条从底部向上的S 曲线。也就是说，俄罗斯在第5 代战斗机发动机“产品30”即将到达衰退期前，就已经开始了第6 代战斗机发动机的技术积累和发展。只有这样，才有足够的资源来弥补研发初期的投入，达成持续增长的企业愿景。

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从图1 中可见，目前俄罗斯第6 代战斗机发动机还处于萌芽期，正在进行技术积累。其技术研究与产品研制计划大致分为3 个阶段。第1 阶段：2024 年前后可以达到破局点，进入成长期，2024～2028 年，研制第6代战斗机发动机核心机；第2阶段：2028～2035年为其快速成长阶段，主要进行第6 代战斗机发动机验证机工作；第3 阶段：2035～2040 年逐渐进入成熟期，达到较高的技术成熟度，完成第6 代战斗机发动机的研制，并视情投入使用。

2 俄罗斯第6代战斗机发动机关键技术

结合上述信息可知，配装第5 代战斗机苏-57 完成试验的发动机虽被媒体称为第6 代战斗机发动机，应该只是采用了部分第6 代战斗机发动机先进技术，在第5 代战斗机发动机“产品30”的基础上进一步衍生而来的过渡型发动机，为渐进性创新。而俄罗斯真正的第6 代战斗机发动机则还处于技术积累阶段，是在“产品30”的先进技术基础上进行突破性创新的全新研制，其技术储备如图2所示。

图2 俄罗斯第6代战斗机发动机技术储备——战斗机发动机未来发展方向[11]

2.1 三涵道自适应结构

第6 代战斗机发动机是自适应循环发动机，将采用新型的三涵道自适应结构，如图3 所示。采用该结构可使亚声速巡航状态下耗油率降低6%～12%[11]，同时提高散热能力。这对于第6 代战斗机电子战系统和激光武器是至关重要的。

图3 三涵道自适应发动机结构[10]

在三涵道发动机设计过程中目前需要解决的技术问题是低压压气机引气位置、第三涵道空气进入发动机流路的位置选择、第三涵道与飞机发动机短舱的集成以及发动机验证机飞行试验（改进试验台）等。根据设计和技术研究结果，鉴于三涵道自适应发动机流路几何形状较为复杂，决定采用3D 打印技术制造部分零部件。

2.2 风扇

风扇采用整体叶环结构，采用摩擦焊工艺制造。

2.3 低压压气机

低压压气机采用自适应结构。

2.4 燃烧室

燃烧室结构如图4所示。

图4 俄罗斯第6代战斗机发动机主燃烧室[10]

图5 CMC材料喷嘴技术的发展[10]

2021 年，2.1 代CMC 材料喷嘴成功完成了点火台架试验。后续将在更高的喷嘴进口压力下进行试验，并根据试验结果改进喷嘴结构，将采用弥散强化的CMC材料。

燃烧室火焰筒也由CMC 材料制造，UEC 公司旗下的留里卡设计局正在准备该燃烧室的台架试验，CMC材料制造的燃烧室及火焰筒内壁如图6所示。

图6 CMC材料制造的燃烧室及火焰筒内壁[10]

2.5 涡轮

在涡轮中同样大量采用CMC材料。其中，低压涡轮导向叶片采用SiC材料和3D打印工艺制造，如图7所示。其工作温度最高可达1623 K，密度为3.2 g/cm3，导热系数为75 W/（m·K），弹性模量为400 GPa，抗弯极限强度为250 MPa[10]。目前UEC 公司开展的主要工作：开发CMC 材料（SiC、SiN、SiCf-SiC）工艺及其涂层；开发零件计算、设计和制造方法；完善试验台架。

图7 采用CMC材料和3D打印工艺制造的低压涡轮导向叶片[10]

采用CMC 材料大幅提高了涡轮效率。高低压涡轮转子和静子叶片的冷却空气引气量比常规材料叶片的有所减少，涡轮性能也有所提高，如图8所示。

图8 采用CMC材料使涡轮性能提高[10]

2.6 加力燃烧室

加力燃烧室采用无火焰稳定器方案，利用支板尾缘充当稳定器（见图2），此外还研究了可收放稳定器方案，如图9所示。

图9 带可收放火焰稳定器的加力燃烧室[10]

2.7 喷管

喷管采用二元推力矢量喷管结构，其多达90%的零件采用3D 打印技术制造。喷管由俄罗斯礼炮厂、土星公司、列宁格勒金属厂、发动机科学研究所以及中央重型机械科学研究所等合作研制，其组成部分包括超声速调节片、亚声速调节片、液压作动筒、气压作动筒、悬挂带、前后机匣以及挡板等，如图10 所示。其中，带挡板的机匣不可移动，2 个超声速调节片负责调节临界界面，2 个亚声速调节片负责调节剪切截面。喷管多达90%的零件采用3D 打印技术制造（如图11 所示），比俄罗斯目前使用的三元推力矢量喷管更轻，能够显著降低战斗机的雷达面积。二元推力矢量喷管可使热燃气与周围空气更均匀地混合，降低排气温度，从而降低红外可见度，提升隐身性能。该喷管比其他类型的喷管可靠性更高，寿命更长，因为喷管形状减小了喷管壁面的载荷，并最大限度地降低了裂纹或变形的风险。此外，能够快速调整喷气方向，保证更高的机动性，使战斗机可以在不同的飞行状态下更灵活地应对敌方威胁[15]。

图10 俄罗斯第6代战斗机发动机喷管[10-11]

图11 大量采用3D打印技术的二元推力矢量喷管[11]

目前，已经完成了喷管模型的构建，用于研究喷管气动力学。此外，完成了验证型喷管的研制，已在中央空气流体动力学研究院、俄罗斯国家科学院理论及应用力学研究所成功完成试验。

2.8 机械系统

机械系统采用高效滑动轴承和接触式密封结构，其中滑动轴承采用CMC 材料制造。建立了燃气涡轮发动机转子支承系统中CMC 材料滑动轴承的计算方法。该轴承在CIAM 试验台成功进行了试验，试验结果符合数学模型。其后将采用新材料改进轴承并进行试验，研究CMC材料滑动轴承性能的诊断指标。

采用先进电力系统（电驱动），在多电飞机发电机方面正在进行以下研究：大功率直接传动发电机、电动执行机构、低温共烧陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC）材料制造的无壳混合微型装配件、自动控制系统专用的模拟数字基质晶体以及动力电子元件等。

2.9 控制系统

控制系统采用多余度分布式数字自动控制，配备光纤和无线传感器。该控制系统可对飞机发动机和系统进行控制和诊断，计算使用寿命，预测技术状态。

3 总结

（1）俄罗斯第6 代战斗机发动机技术发展路线已完成规划。目前计划2030 年前后推出第6 代战斗机发动机验证机，2035年前后第6代战斗机发动机会走向成熟，在2040年前后视情投入使用。

俄罗斯第6 代战斗机发动机的构型和关键技术已经基本明确，将采用三涵道自适应结构、二元推力矢量喷管、3D打印技术和CMC材料等。

（2）在时间维度上，俄罗斯第6 代战斗机发动机研制的起步比美国有一定的滞后。在技术维度上，俄罗斯目前更多的是进行技术验证，而美国第6 代战斗机发动机技术已经过多轮验证。总体来看俄罗斯第6 代战斗机发动机的发展是落后于美国的。然而，其未来发展走向受到政治、经济、社会以及技术等方面因素的影响，仍充满未知数。

鉴于有关俄罗斯第6 代战斗机发动机的公开信息有限，还有待根据后续信息披露进行进一步分析。