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19 May,2022

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英国下一代战斗机发动机发展计划
发布日期:2022-05-19 11:17:18

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导读:2021年12月22日,英国和日本宣布了联合开发原型战斗机发动机的计划,因为他们都在Tempest和FX计划下开展专注于部署新一代战斗机的计划。最新协议是两国扩大军事关系的一部分,其中还包括共享空对空导弹技术。英国国防部(MOD)公布的该协议合作备忘录显示,英日战斗机发动机是其中的旗舰项目。联合发动机演示器的工作于2022年初开始,英国将在“规划、数字设计和创新制造开发”方面投资3000万英镑。


一、技术背景

“暴风”战斗机团队于2018年成立。该战斗机是英国皇家空军(RAF)的下一代战斗机,计划于2035年开始服役,取代“台风”战斗机。“暴风”战斗机能够实现多源/多平台传感器数据融合,成为作战网络中心,通过“战斗云”与其他战斗机共享态势数据信息。

“暴风”战斗机具有以下优势特征:

  • 设计遵循“即插即用”标准,根据作战任务需求,战斗机软件、硬件可实现快速更换,如配置多种武器、传感器、油箱等,进而保证战斗机功能多样化。同时,机载设备高度集成化,如先进传感器系统、非动力学系统、通信系统等,均能实现高度集成与协同。

  • 具有可变自动化能力,具体来说,即可选择有人、无人驾驶相结合的操作方式;可进行机载/舷外数据处理;在有人驾驶飞行模式下,可为飞行员提供智能决策辅助等。

  • 采用先进复合材料和增材制造技术进行生产制造,保证战斗机重量轻,且机上高功率密集模块能够在高温下稳定运行。

  • 采用先进的供电和智能集成电源管理技术,能够为机载先进传感器等设备,甚至是未来的激光武器提供稳定的电源支持。BAE系统公司曾表示,将与威廉姆斯先进工程公司(WAE)合作,拟利用赛车行业电池管理和冷却技术,提升未来作战飞机电源管理效率。


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“暴风”战斗机概念图

二、动力系统设计

从全尺寸模型看,“暴风”战斗机将采用两侧S形进气道、两台发动机和矩形尾喷口的设计。该机直接采用了业已成熟的无附面层隔道超音速进气口(DSI)设计。

由于“暴风”战斗机计划携带大量激光武器、先进传感器和航电设备,因此需要足够的电量供应,同时会产生大量的热负荷。传统的通过附件齿轮箱输出功率的老式方式已经无法胜任这个工作。罗罗公司的嵌入式电启动发电机可以让战机直接从航空发动机中提取大量电能,将节省空间并提供未来战斗机所需的大量电力。现有的飞机发动机通过发动机下方的变速箱产生动力,从而驱动发电机,既增加了运动部件和复杂性,又因为所需空间过大降低飞机的隐身性。而新的设计使用一个综合电机同时替代电动机和发电机,把安装在两个阀芯上的电机进行组合作为电动机或发电机运行,并在两个阀芯之间进行电功率传递,这种双阀芯发电将提升发动机的可操作性,响应性和效率。

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热量管理系统

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集成电源管理系统

新型发动机还配备了新的储能系统,即智能的电力和发动机控制系统,其可通过算法对电力网络进行管理,延长部件寿命。增加的发电能力加上智能电源管理系统将满足对飞行器电力不断增长的需求。这种集成电源方法减少了能量交换的次数,最大限度地发挥了燃气轮机作为主要动力源的潜力。

三、新技术进展

据英国罗罗公司网站报道,罗罗公司一直在开发世界顶尖的技术,这些技术将用于英国下一代战斗机”暴风”项目。

罗罗公司认为,为了更电动、更智能和利用更多动力,未来的战斗机电力需求和热负荷都将达到前所未有的水平,且所有这些都需要在隐身的背景下进行管理。在“暴风”项目启动之前,罗罗公司已经开始着手研究如何满足这些未来需求。早在2014年,该公司就接受了设计完全嵌入燃气轮机发动机核心机的起动/发电机的挑战,即称之为“嵌入式起动/发电机”(E2SG)的演示验证项目。

罗罗公司未来项目总工程师康拉德·班克斯(ConradBanks)表示:“嵌入式起动/发电机将节省空间,并提供未来战斗机所需的大量电力。现有的航空发动机通过变速箱提取动力驱动发电机,这种方式除了增加运动部件和复杂性之外,所需的额外空间使得机体更大,这对平台隐身性不利。”

E2SG项目的第二阶段已作为罗罗公司对”暴风”项目贡献的一部分被采纳。在开发过程中,罗罗公司不断发展其在航空航天市场的能力,从燃气轮机技术到综合动力和推进系统,其目标是不仅提供推动飞机在天空飞行的推力,还包括提供机上所有系统所需的电力,以及管理所有由此产生的热负荷。罗罗公司正在适应这样一个现实:未来所有运载工具,无论是陆地、空中还是海上,都将大大提高功率传感器、通信系统、武器、作动系统和附件以及通常的航空电子设备的电气化水平。

E2SG项目第一阶段为一个综合电力设施投入巨额资金,该设施是一个独特的试验室,可以让直流电网物理连接到燃气轮机发动机。

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项目第二阶段于2017年启动,研究内容包括在发动机的另一个轴连接第二台电机、电网中的储能系统,以及智能管理所有这些系统之间电力供应的能力。安装在两个轴上的电机通过作为电动机或发电机的组合运行,可以对发动机产生一系列功能性影响,包括两个轴之间的电力传输。作为E2SG项目的一部分,罗罗公司正在研究使用双轴发电来影响发动机的运行性、响应性和效率的可行性。另一项正在开发的关键技术是电源管理器智能控制系统,该系统使用算法对如何满足当前飞机的电力需求做出实时智能决策,同时优化其他因素,包括发动机效率,以减少燃油消耗或降低发动机温度,延长部件寿命。

在整个”暴风”项目中,罗罗将继续使E2SG项目所演示的电力技术成熟化,第三阶段的试验包括与整个系统集成的新型热管理系统,以及多电发动机附件。该公司还打算展示一个先进动力与推进系统的全尺寸验证机,其中燃气轮机的所有部件都将采用新技术,包括达到更高功率水平的双轴嵌入式发电、先进热管理系统,针对未来战斗机工作周期的储能系统、能够优化燃气涡轮机和动力与热管理系统性能的智能电源管理系统。

四、未来发展

在2021年12月签订的战斗机发动机研发协议外,英国国防部还表示,英国再提供2亿英镑(约2.666亿美元)的资金将用于开发一个全面的演示电力系统,该系统将在罗罗公司在英国布里斯托尔的菲尔顿工厂建造。此外,日本的三菱重工(MHI)和石川岛播磨重工(IHI)以及英国的BAE系统公司也将参与其中。

但合作备忘录中并未公布新发动机的预期性能等细节,现阶段尚不清楚所谓的演示发动机是否会安装在飞行试验台上,或者是否专门用于地面静态试验。此外也无法确定均为双引擎设计的“暴风”和FX是否将由同一款发动机提供动力。
“与日本的这项倡议是共同开发世界领先的电力技术的双赢机会,”英国未来作战航空总监理查德伯顿说。“投资并与日本合作展示高度先进的发动机系统将促进我们国家工业在尖端军事技术领域的发展。我们期待着开始这项工作,并继续讨论进一步的合作。”

“英国和日本的行业团队带来了互补的技术,这些技术将为两国未来的战斗机需求提供更清洁的下一代动力和推进力,”罗罗公司业务发展和未来项目总监亚历克斯·齐诺说。“联合发动机演示计划是一个令人兴奋的机会,可以汇集世界上一些最好的空中作战能力,还将促进创新和关键技术的发展,这些技术将成为国防航空工业未来的基础。”

与此同时,对于日本来说,与英国达成的最新协议引发了对其自身战斗机动力系统前期研究的质疑。在此之前,MHI完成了X-2“心神”实验飞机的验证工作,该飞机已被用作其未来战斗机计划的技术演示器。

双引擎设计的X-2由IHI XF5涡扇发动机提供动力,每个涡扇发动机可产生约11000磅的推力,并配有推力矢量以提高机动性。预计FX最终将由IHI正在开发的XF9发动机提供动力,该发动机将提供比XF5更大的推力。随着IHI现在与罗罗公司合作,XF9未来发展地位存在不确定性。

开发全新的战斗机是一项艰巨的任务,许多人质疑英国或日本在没有重大外部支持或合作的情况下能否成功开发出新战斗机。考虑到这一点,集合两国的技术和工业实力似乎很有意义。

英国和日本在未来战斗机动力装置方面的合作,体现了两国之间更广泛的军事合作。2021年初发表的英国国防司令部文件概述了英日军事合作范围的扩大。英国国防采购部长杰里米·奎因补充说:“正如我亲眼看到的那样,我们在日本的合作伙伴在技术方面取得了巨大进步,这些技术可以补充我们自己的先进技能,并有助于确保我们的两军都保持在军事创新的前沿。”

2021年10月英国和日本同意就互惠准入协议(RAA)开始正式谈判,以进一步深化双边防务关系。

与未来空战技术双边合作相关的还有英国国防部对日本新空对空导弹计划(JNAAM)的支持。这种武器预计将结合英国在MBDA流星超视距空对空导弹(BVRAAM)方面的技术和日本开发的先进射频(RF)技术。

日本媒体已经有报道称,“暴风”战斗机和FX战斗机不仅将共享发动机,还将共享“进气口……以及排气口附近的区域”,并且这些组件将针对隐身进行优化。

日本已经表示计划让三菱重工领导FX项目,全面负责飞机的开发,但海外合作伙伴也将参与该项目。除了英国之外,美国航空航天承包商是否会介入研究动力装置以外的元素,目前尚不清楚。

小结

虽然英日两国对未来战斗机的航程、速度等性能要求不尽相同,但使用相同的动力装置在技术上是可行的。早在20世纪80年代,两公司就共同参与了大型民用涡扇发动机V2500的开发和生产。自2020年以来,两国一直在探索如何合作,形成技术互补,并着力开发“嵌入式起动/发电机项目”,如果合作成功,“暴风”和FX两型战斗机通用的动力装置可节省数亿美元成本。此次合作意味着英国转向亚太地区,以及日本将其防务合作关系扩大到传统盟友美国之外。




参考资料
[1] UK and Japan Are Jointly Developinga Game Changing Fighter Jet Engine
[2] United Kingdom Details Plans To Build Future Fighter Jet Engine With Japan
[3] Rolls-Royce develops world-first electrical technology for next-generation Tempest programme
[4] Team Tempest Reinforced by Japanese-UK Engine Agreement
[5] Tempest:the stealthy and stress-free future fighter plane

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来源: 高端装备产业

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