劉曉瑜，梁春華，索德軍

（中國(guó)航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

前蘇聯(lián)從20 世紀(jì)60 年代開始就在所謂的“影子計(jì)劃”[1]下與美國(guó)開展戰(zhàn)斗機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)研制的激烈競(jìng)爭(zhēng)，經(jīng)歷了20世紀(jì)60年代稍領(lǐng)先、70年代第4代戰(zhàn)斗機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)水平相當(dāng)、解體前后第5 代戰(zhàn)斗機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)差距的歷程。進(jìn)入21 世紀(jì)后，俄羅斯繼續(xù)在第6 代戰(zhàn)斗機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)研制中追趕美國(guó)。美國(guó)啟動(dòng)第6 代戰(zhàn)斗機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)研制較早，公開信息較豐富，因此近年來對(duì)國(guó)外第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的報(bào)道和分析主要聚焦于美國(guó)，但俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制同樣值得關(guān)注。

本文基于有限資料綜述了俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展路線與關(guān)鍵技術(shù)的最新進(jìn)展，以為全面了解和掌握國(guó)外第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展進(jìn)程和先進(jìn)技術(shù)提供參考和借鑒。

1 俄羅斯第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)劃

俄羅斯在第6代戰(zhàn)斗機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)研制中一如既往地采取與美國(guó)“如影隨形”的發(fā)展戰(zhàn)略。美國(guó)于2007年開展第6代戰(zhàn)斗機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的論證工作[1]，目前正在開展下一代自適應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)（Next-Generation Adaptive Propulsion，NGAP）計(jì)劃，預(yù)計(jì)于2032年完成第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。而有關(guān)俄羅斯第6代戰(zhàn)斗機(jī)研制，在2013年就有媒體報(bào)道[2]，但直至2016年俄羅斯才官方披露蘇霍伊設(shè)計(jì)局已著手研制的消息[3-4]。目前已知俄羅斯研制的第6代戰(zhàn)斗機(jī)為雙發(fā)飛機(jī)，飛行速度可達(dá)2500 km/h，最大起飛質(zhì)量不超過25 t，航程約為4000 km。戰(zhàn)斗機(jī)將按照載人型和無人型開發(fā)。這種未來戰(zhàn)斗機(jī)將配備全新的導(dǎo)航和火控系統(tǒng)，包括光子雷達(dá)系統(tǒng)。還將配備強(qiáng)大的多光譜系統(tǒng)，可在激光、紅外線、紫外線等各種范圍內(nèi)工作[5]。此外，無人型戰(zhàn)斗機(jī)還將引入人工智能，構(gòu)成綜合作戰(zhàn)控制系統(tǒng)[6]。

關(guān)于俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的公開信息較少。在公開報(bào)道中均未提及其準(zhǔn)確啟動(dòng)時(shí)間。2018年6 月，俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（Central Institute of Aviation Motors，CIAM）首次在俄羅斯聯(lián)邦委員會(huì)大會(huì)上宣布其正在研制第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)[7]。2021 年7 月，俄羅斯塔斯社稱聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司（United Engine Corporation，UEC）已開始第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。UEC 公司主要在組合動(dòng)力裝置以及多電發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面開展工作，已將驗(yàn)證機(jī)技術(shù)研究列入前瞻性專項(xiàng)計(jì)劃，且申請(qǐng)了國(guó)家項(xiàng)目資金[8-9]，并于2021 年11 月公布了其第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)細(xì)節(jié)[10]。2023 年，俄羅斯公布了其第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展路線規(guī)劃。

2023 年6 月26 日，topcor.ru 網(wǎng)站發(fā)布了1 篇名為《UEC 公司展示其第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)配裝蘇-57 進(jìn)行試驗(yàn)的圖片》的報(bào)道。該報(bào)道引用UEC 公司演示文稿透露了俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)儲(chǔ)備情況，指出了戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的未來發(fā)展方向[11]。

2023年7月3 日，俄羅斯ixbt網(wǎng)站報(bào)道稱其第5代戰(zhàn)斗機(jī)蘇-57配裝第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)成功進(jìn)行了試驗(yàn)。此次試驗(yàn)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)可能是第5代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)“產(chǎn)品30”的進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)采用3D打印的二元推力矢量噴管、高效軸承、陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composites,CMC）渦輪部件、先進(jìn)電力系統(tǒng)以及三涵道結(jié)構(gòu)等[12-13]。

2023 年8 月，南美媒體aviacionline 網(wǎng)站發(fā)表了1篇有關(guān)俄羅斯第5、6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)展的報(bào)道，稱旨在配裝第5 代戰(zhàn)斗機(jī)蘇-57 的第2 階段發(fā)動(dòng)機(jī)“產(chǎn)品30”已獲得新命名“AL-51-F1”，即將批產(chǎn)和投入使用。報(bào)道還介紹了俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展路線規(guī)劃。俄羅斯第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中將采用16項(xiàng)超前技術(shù)和23項(xiàng)同等技術(shù)，共39項(xiàng)。除三涵道自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，還將采用電驅(qū)動(dòng)、分布式航空發(fā)動(dòng)機(jī)、主動(dòng)系統(tǒng)等先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，摩擦焊、3D打印等先進(jìn)工藝以及CMC材料、增強(qiáng)合金和其他金屬間化合物等先進(jìn)材料，可實(shí)現(xiàn)飛/發(fā)硬件一體化[14]。

俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展路線規(guī)劃采用了S技術(shù)曲線理論，如圖1所示。

圖1 俄羅斯第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展路線[14]

根據(jù)技術(shù)發(fā)展S 曲線理論分析可知，俄羅斯第5代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)“產(chǎn)品30”已經(jīng)渡過了成長(zhǎng)期和成熟期，具備很高的技術(shù)成熟度，換言之研制工作已接近尾聲，即將在2024 年前后實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)和投入使用。但“產(chǎn)品30”發(fā)動(dòng)機(jī)也即將達(dá)到其發(fā)展極限點(diǎn)，進(jìn)入衰退期，屆時(shí)這種常規(guī)的渦扇結(jié)構(gòu)很快便不能滿足未來戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)略需求。且不說第6 代戰(zhàn)斗機(jī)，蘇-57 配裝第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)足以說明俄羅斯軍方并不滿足于蘇-57 配裝第5 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)“產(chǎn)品30”，因此有必要研制全新的第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目已啟動(dòng)，其技術(shù)發(fā)展曲線的開端正好與第5 代發(fā)動(dòng)機(jī)“產(chǎn)品30”發(fā)展曲線的成熟衰退期重合，符合S 曲線技術(shù)發(fā)展規(guī)律，即在第1 條S 曲線達(dá)到極限點(diǎn)前，再次走出1 條從底部向上的S 曲線。也就是說，俄羅斯在第5 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)“產(chǎn)品30”即將到達(dá)衰退期前，就已經(jīng)開始了第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)積累和發(fā)展。只有這樣，才有足夠的資源來彌補(bǔ)研發(fā)初期的投入，達(dá)成持續(xù)增長(zhǎng)的企業(yè)愿景。

(1)教學(xué)內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò).教師經(jīng)過精心設(shè)計(jì)案例，把網(wǎng)頁制作中涉及的最新、最實(shí)用的技術(shù)引進(jìn)到課堂教學(xué)中，引入到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)上.在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)中，除教師所授知識(shí)點(diǎn)的案例外，學(xué)生能找到對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用案例，使所學(xué)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)世界接軌，使學(xué)生真正“能懂”，且隨著學(xué)習(xí)時(shí)間的推移“會(huì)用”，所學(xué)知識(shí)的素材來自網(wǎng)絡(luò)，從而使教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，更貼近現(xiàn)實(shí).

從圖1 中可見，目前俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)還處于萌芽期，正在進(jìn)行技術(shù)積累。其技術(shù)研究與產(chǎn)品研制計(jì)劃大致分為3 個(gè)階段。第1 階段：2024 年前后可以達(dá)到破局點(diǎn)，進(jìn)入成長(zhǎng)期，2024～2028 年，研制第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)；第2階段：2028～2035年為其快速成長(zhǎng)階段，主要進(jìn)行第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)工作；第3 階段：2035～2040 年逐漸進(jìn)入成熟期，達(dá)到較高的技術(shù)成熟度，完成第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，并視情投入使用。

2 俄羅斯第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合上述信息可知，配裝第5 代戰(zhàn)斗機(jī)蘇-57 完成試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)雖被媒體稱為第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)該只是采用了部分第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)，在第5 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)“產(chǎn)品30”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步衍生而來的過渡型發(fā)動(dòng)機(jī)，為漸進(jìn)性創(chuàng)新。而俄羅斯真正的第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)則還處于技術(shù)積累階段，是在“產(chǎn)品30”的先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行突破性創(chuàng)新的全新研制，其技術(shù)儲(chǔ)備如圖2所示。

圖2 俄羅斯第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)儲(chǔ)備——戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)未來發(fā)展方向[11]

2.1 三涵道自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)是自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，將采用新型的三涵道自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。采用該結(jié)構(gòu)可使亞聲速巡航狀態(tài)下耗油率降低6%～12%[11]，同時(shí)提高散熱能力。這對(duì)于第6 代戰(zhàn)斗機(jī)電子戰(zhàn)系統(tǒng)和激光武器是至關(guān)重要的。

圖3 三涵道自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)[10]

在三涵道發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中目前需要解決的技術(shù)問題是低壓壓氣機(jī)引氣位置、第三涵道空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)流路的位置選擇、第三涵道與飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的集成以及發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)（改進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)）等。根據(jù)設(shè)計(jì)和技術(shù)研究結(jié)果，鑒于三涵道自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)流路幾何形狀較為復(fù)雜，決定采用3D 打印技術(shù)制造部分零部件。

2.2 風(fēng)扇

風(fēng)扇采用整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)，采用摩擦焊工藝制造。

2.3 低壓壓氣機(jī)

低壓壓氣機(jī)采用自適應(yīng)結(jié)構(gòu)。

2.4 燃燒室

燃燒室結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 俄羅斯第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室[10]

圖5 CMC材料噴嘴技術(shù)的發(fā)展[10]

2021 年，2.1 代CMC 材料噴嘴成功完成了點(diǎn)火臺(tái)架試驗(yàn)。后續(xù)將在更高的噴嘴進(jìn)口壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)，將采用彌散強(qiáng)化的CMC材料。

燃燒室火焰筒也由CMC 材料制造，UEC 公司旗下的留里卡設(shè)計(jì)局正在準(zhǔn)備該燃燒室的臺(tái)架試驗(yàn)，CMC材料制造的燃燒室及火焰筒內(nèi)壁如圖6所示。

圖6 CMC材料制造的燃燒室及火焰筒內(nèi)壁[10]

2.5 渦輪

在渦輪中同樣大量采用CMC材料。其中，低壓渦輪導(dǎo)向葉片采用SiC材料和3D打印工藝制造，如圖7所示。其工作溫度最高可達(dá)1623 K，密度為3.2 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為75 W/（m·K），彈性模量為400 GPa，抗彎極限強(qiáng)度為250 MPa[10]。目前UEC 公司開展的主要工作：開發(fā)CMC 材料（SiC、SiN、SiCf-SiC）工藝及其涂層；開發(fā)零件計(jì)算、設(shè)計(jì)和制造方法；完善試驗(yàn)臺(tái)架。

圖7 采用CMC材料和3D打印工藝制造的低壓渦輪導(dǎo)向葉片[10]

采用CMC 材料大幅提高了渦輪效率。高低壓渦輪轉(zhuǎn)子和靜子葉片的冷卻空氣引氣量比常規(guī)材料葉片的有所減少，渦輪性能也有所提高，如圖8所示。

圖8 采用CMC材料使渦輪性能提高[10]

2.6 加力燃燒室

加力燃燒室采用無火焰穩(wěn)定器方案，利用支板尾緣充當(dāng)穩(wěn)定器（見圖2），此外還研究了可收放穩(wěn)定器方案，如圖9所示。

圖9 帶可收放火焰穩(wěn)定器的加力燃燒室[10]

2.7 噴管

噴管采用二元推力矢量噴管結(jié)構(gòu)，其多達(dá)90%的零件采用3D 打印技術(shù)制造。噴管由俄羅斯禮炮廠、土星公司、列寧格勒金屬廠、發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)研究所以及中央重型機(jī)械科學(xué)研究所等合作研制，其組成部分包括超聲速調(diào)節(jié)片、亞聲速調(diào)節(jié)片、液壓作動(dòng)筒、氣壓作動(dòng)筒、懸掛帶、前后機(jī)匣以及擋板等，如圖10 所示。其中，帶擋板的機(jī)匣不可移動(dòng)，2 個(gè)超聲速調(diào)節(jié)片負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)臨界界面，2 個(gè)亞聲速調(diào)節(jié)片負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)剪切截面。噴管多達(dá)90%的零件采用3D 打印技術(shù)制造（如圖11 所示），比俄羅斯目前使用的三元推力矢量噴管更輕，能夠顯著降低戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)面積。二元推力矢量噴管可使熱燃?xì)馀c周圍空氣更均勻地混合，降低排氣溫度，從而降低紅外可見度，提升隱身性能。該噴管比其他類型的噴管可靠性更高，壽命更長(zhǎng)，因?yàn)閲姽苄螤顪p小了噴管壁面的載荷，并最大限度地降低了裂紋或變形的風(fēng)險(xiǎn)。此外，能夠快速調(diào)整噴氣方向，保證更高的機(jī)動(dòng)性，使戰(zhàn)斗機(jī)可以在不同的飛行狀態(tài)下更靈活地應(yīng)對(duì)敵方威脅[15]。

圖10 俄羅斯第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管[10-11]

圖11 大量采用3D打印技術(shù)的二元推力矢量噴管[11]

目前，已經(jīng)完成了噴管模型的構(gòu)建，用于研究噴管氣動(dòng)力學(xué)。此外，完成了驗(yàn)證型噴管的研制，已在中央空氣流體動(dòng)力學(xué)研究院、俄羅斯國(guó)家科學(xué)院理論及應(yīng)用力學(xué)研究所成功完成試驗(yàn)。

2.8 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)采用高效滑動(dòng)軸承和接觸式密封結(jié)構(gòu)，其中滑動(dòng)軸承采用CMC 材料制造。建立了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)中CMC 材料滑動(dòng)軸承的計(jì)算方法。該軸承在CIAM 試驗(yàn)臺(tái)成功進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合數(shù)學(xué)模型。其后將采用新材料改進(jìn)軸承并進(jìn)行試驗(yàn)，研究CMC材料滑動(dòng)軸承性能的診斷指標(biāo)。

采用先進(jìn)電力系統(tǒng)（電驅(qū)動(dòng)），在多電飛機(jī)發(fā)電機(jī)方面正在進(jìn)行以下研究：大功率直接傳動(dòng)發(fā)電機(jī)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、低溫共燒陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC）材料制造的無殼混合微型裝配件、自動(dòng)控制系統(tǒng)專用的模擬數(shù)字基質(zhì)晶體以及動(dòng)力電子元件等。

2.9 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用多余度分布式數(shù)字自動(dòng)控制，配備光纖和無線傳感器。該控制系統(tǒng)可對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)進(jìn)行控制和診斷，計(jì)算使用壽命，預(yù)測(cè)技術(shù)狀態(tài)。

3 總結(jié)

（1）俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展路線已完成規(guī)劃。目前計(jì)劃2030 年前后推出第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)，2035年前后第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)走向成熟，在2040年前后視情投入使用。

俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)型和關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)基本明確，將采用三涵道自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、二元推力矢量噴管、3D打印技術(shù)和CMC材料等。

（2）在時(shí)間維度上，俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研制的起步比美國(guó)有一定的滯后。在技術(shù)維度上，俄羅斯目前更多的是進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，而美國(guó)第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)過多輪驗(yàn)證?？傮w來看俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展是落后于美國(guó)的。然而，其未來發(fā)展走向受到政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及技術(shù)等方面因素的影響，仍充滿未知數(shù)。

鑒于有關(guān)俄羅斯第6 代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的公開信息有限，還有待根據(jù)后續(xù)信息披露進(jìn)行進(jìn)一步分析。