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英国第六代“暴风雨”战斗机的引擎如何设计的?

作者:机械网
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  “暴风雨”到目前为止还是个概念模型,至于英国宣布的要投入20亿英镑发展六代机,这点钱就算这是先期投资,恐怕也是杯水车薪。美国光是研制六代机发动机的技术储备都已经经历了好几个阶段,每个阶段花的钱都差不多得这个数,所以罗·罗虽强,没有钱也是枉然,谈何六代机引擎设计?

  ▲英国展出的“暴风雨”-Tempest概念模型

  就跟五代机一样,六代机的概念也是美国先提出的,虽然说关于六代机到底需要具备什么样的特性,各国都还在摸索阶段,但是美国根据五代机研发情况提出的一些六代机技术特征还是有一定参考价值。

  ▲我国专家提出的六代机“六超特性”

  根据五代机的研制、使用情况以及对未来空战需求的判断,美军认为第六代战斗机的主要作战任务包括“综合空中与导弹防御、空中遮断、电子攻击能力、近距空中支援等”。而研制六代机的目标则主要为“形成对五代机的全方位跨代优势,发挥信息战的主导作用,提供制空权和多样化打击能力”。同时,美国研究部门认为“六代机必须实现即时全球打击能力(起飞后1小时内实现打击),且无需借助前沿基地就可实现与国土辽阔、战略纵深较大的国家实现交战”,由此可见“六代机的超飞行能力要求之高”,对发动机技术的要求也需要取得突破性进展。

  ▲美军提出的六代机5S能力

  为了实现美军六代机的技战术需求,美军提出的六代机“5S”能力中,超飞行能力对于实现其“全球即时打击”要求至关重要,这也与新型航空发动机的研发紧密相连,至少简单改进、提升现有发动机是无法胜任的。

  ▲英国罗·罗公司主导的“台风”战斗机心脏-EJ200发动机

  所以仅就六代机发动机来说,我们完全不否认英国罗·罗航发巨头的地位,但是毕竟其缺乏完全自主研制五代机发动机的经验(六代谈何容易)。而其曾经预研过的两种EJ200增推方案,虽然凑合能当“暴风雨”的发动机来用,但是显然达不到为战机提供“超飞行能力”的需求。

  ▲罗罗提出的“暴风雨”战斗机未来先进动力系统示意

  综合现阶段的各种资料来看,英国的“暴风雨”六代机概念说是“五代半”可能更为符合,其规划的各种能力虽说较五代机都有增长,但是除了“网络中心战”概念有较为明显的优势以外,其他诸如气动布局、隐身能力、动力系统均无太大突破,姑且可以当作五代机“网络战”深化平台来看。

  ▲德国MTU公司战时未来欧洲战斗机先进发动机概念

  根据目前的普遍研究,各国认为要实现真正的六代机动力系统性能跨越,必须采用自适应变循环发动机技术。实际上,自适应发动机是变循环发动机技术的延伸和发展,变循环发动机的理论研究在上世纪六十年代就已经开始,到了八十年代逐渐演变为由美国通用公司进行独家实质性研究的模式。

  ▲美国通用和英国罗罗联合为F-35战机研制的替代发动机F136,终因缺乏资金的支持而取消

  经过长期在变循环发动机领域的耕耘,美国在21世纪之前开发、验证了“双外涵变循环涡喷/涡扇发动机-可控压比发动机技术”,为后来的自适应发动机研制奠定了基础。为了长期保持航发领域的世界领先地位和为未来战斗机提供合适动力,美国在结束了上一阶段的IHPTET计划之后,随机开展了VAATE研究计划,由于技术难度高,将VAATE计划分为ADVENT研究计划和AETD研究计划两个阶段。

  ▲美国通用(GE)在ADVENT计划项下研制“双外涵变循环涡扇发动机”测试

  ADVENT研究计划的目标,是开发能够独立改变风扇/核心机空气流量和压比的技术,制造一台双外涵变循环涡扇发动机技术验证机,通过提高性能和增加自适应能力实现在起飞和高机动时所需的大推力及在执行远程、持久攻击、侦查任务的亚音速条件下所需的低燃油消耗,基本要求在现有先进航发能力的基础上,降低25%油耗,增加30%航程,主要针对89-156KN推力级别的发动机。

  ▲GE变循环发动机原理示意

  ADVENT计划也分为两个阶段进行,第一阶段为2007年8月-2009年,主要进行发动机初步设计以及自适应风扇的台架验证试验。美国空军在2007年从GE公司、普惠和罗·罗北美分公司三家竞标厂商中中选择了GE和RR为承包商,并分别与二者签订了研究合同。作为军用航发大佬的普惠虽然落选,但是并不甘心失去未来六代机航发的竞争机会,于是自筹资金进行研制。ADVENT第二阶段为详细设计开发阶段(2009-2012),重点开展核心机和风扇设计、硬 件加工和试验,主要进行发动机验证机详细设计和制 造,以及关键部件的试验,包括全环燃烧室试验、陶瓷 基复合材料部件的研究与试验,并进行核心机试验。罗·罗北美分公司虽然第一阶段的研究成果通过了美国空军的评估,获得授权建造1台全尺寸发动机验证机,并在2011-2012年之间进行了发动机核心机的试验,但并未公开试验结果。而美国通用公司在2022年开始发动机核心机试验,达到美国空军确认的“航空喷气发动机史上最高压气机和涡轮联合工作温度记录”,比美国空军设定的温度指标高54℃,并且验证了“预冷冷却技术”。从2022年11月到2022年7月,通用公司进行了首台ADVENT研究计划验证机整机试验,试验时数超过100小时,在2022年2月与美国空军一起完成ADVENT发动机详细评审,并将一些核心技术应用到了Leap-X大涵道比民用航发上。

  ▲美国通用的变循环发动机

  由此我们可以看出,虽然英国罗·罗虽然在美军合同资金的支持下,进行了一定的变循环发动机的技术研究,但是最终结果不如通用,这其中可能有美国人不喜欢关键航发技术仰赖“英国血统”的因素,而罗·罗本身的技术能力也值得思考,这一点在VAATE第二阶段AETD发动机研究计划竞标过程中,罗·罗北美分公司被彻底淘汰,美国转而选择美国通用和普惠(前期研制自筹经费)为承包商上看以看的出来。

  ▲美国通用AETD研究计划的自适应发动机

  AETD计划从 2012 年开始到 2022 年结束为期 4 年,由美国空军组织管理,投入经费约为 6.85 亿美 元(GE 获得 3.497 亿美元、PW 获得 3.35 亿美元);由 GE 和 普惠公司承担技术开发与验证。AETD计划之后。美国又开启了AETP计划,沿着 AETD 研究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,该计划始从2022 年 6 月 开始,预计为期 10 年;由美国空军组织管理,投入经费约为 20 亿美元 (GE 公司获得 10 亿美元、PW 公司获得 10 亿美元)。总体来说,美国在六代机自适应发动机方面依然走在世界的前面,而英国宣布的20亿英镑六代机经费,仅仅连发动机的研制都搞不定。所以,说“暴风雨”的发动机如何,现在还为时过早,罗·罗可能本身也有一定的技术力量去开发,但是这得看大英能拿出多少银子了,否则罗·罗还是只能像F-35战机项目中那样,给美国航发巨头在某些发动机配套系统上打打下手了(F135发动机升力系统)。

  英国航空发动机制造商罗尔斯·罗伊斯公司(Rolls-Royce,下简称罗·罗公司)1月10日宣布,该公司正在为英国、瑞典、意大利联合研制的第六代“暴风雨(Tempest)”战斗机项目开发“世界第一”的发动机技术。该先进喷气发动机将在2035年投入使用,为英国的“暴风雨”战斗机提供动力。

  图一 第六代“暴风雨”战斗机的计算机合成概念图

  该发动机的研发工作已经进行了五年为隐形飞机管理前所未有的电力需求和热负荷水平。新发动机不仅将为超音速战斗机提供推力,而且还会产生空前的电量来为未来的定向能武器和其他系统提供电力输入。

  尽管像洛克希德·马丁公司F-35“闪电II”这样的第五代战斗机刚刚开始大量服役,世界上的主要空军就认为它们已经过时了,并开始设计和制造下一代战斗机。而新战斗机竞赛的领跑者竟然出现在身为老大陆的欧洲,其中之一就是英国牵头,的“暴风雨”战斗机。

  图二 在2022年英国范堡罗航展上首次亮相的第六代“暴风雨”战斗机模型

  作为第六代战斗机,“暴风雨”将在许多方面超越第五代战斗机。它相对于仍在大量服役的第四代战斗机,比如F/A-18E/F“超级大黄蜂”,所具有的技术跨度,就像后者和二战期间螺旋桨驱动战斗机的差距。“暴风雨”战斗机不仅会像它的前辈欧洲战斗机“台风”那样是一架快速、敏捷的战斗机,也会成为欧洲第一种自行研制的隐身战斗机。它在作为一架传统战斗机的同时,也会成为一个指挥和控制,以及动态传感器平台。实际上,在应用了人工智能和深度学习功能后,新一代战斗机飞行员更像是动嘴下指令的执行官,而不是一个狗斗高手。

  图三 机载激光武器这种可能在下一代战斗机上装备的武器绝对是一个“电老虎”

  问题在于,“暴风雨”是一只对于电能异常饥渴的猛禽,因为无论是划时代的机载激光或其他定向能武器,还是先进的传感器和航空电子设备,以及集群作战新战法,都产生了前所未有的电力需求和热能负荷。这意味着主要用于产生飞行动力的老式发动机无法胜任这项工作。

  这就是罗·罗公司在过去五年中一直为下一代战斗机研发的下一代发动机所需要面对和解决的首要问题。根据罗·罗公司的说法,“暴风雨”发动机的研发工作建立在早期工作的基础上,以应对未来飞机的动力需求。它的核心是一个完全嵌入到燃气涡轮发动机核心的电启动-发电机。该核心源自2022年启动的嵌入式电启动发电机(Embeded Electrical Starter Generator,E2SG)演示项目。它采用了一种全新的战斗机设计方法,更加强调直接从发动机向机载系统输出大量电能。

  图四 “暴风雨”战斗机研发团队给出的一张关于先进动力和推进系统的说明图

  按照罗·罗公司未来项目的首席工程师康拉德·班克斯(Conrad Banks)的说法,嵌入式电启动发电机将大大减少动力系统的体积和运动部件,并能够为未来战斗机提供其所需的大量电力。现有的飞机通过发动机带动位于其下方的变速箱,进而驱动发电机输出电力。除了增加运动部件和复杂性之外,变速箱和发电机在发动机外部所需的空间还使机身变得更大,这对于一个隐身平台是非常不可取的”。

  新型的罗尔斯·罗伊斯发动机使用了位于两根轴上的两台发电机来代替现在飞机上的单台发电机。通过轴将电力从一台发电机传递到另一台,这两台电机可以在电动机和发电机之间切换。这种安排将使引擎更灵敏,也更高效。

  图五 “暴风雨”战斗机的现进动力管理系统是一个智能发电和发动机控制系统

  此外,发动机还配备了一个新的储能系统。还有一个智能的发电和发动机控制系统,可通过算法对用电进行管理,这些算法可实时决定如何处理能源需求以及减少热负荷,从而延长部件寿命。其他先进之处包括完全集成的热量管理系统和效率更高的加力燃烧系统,以及使用耐高温复合材料制成的、更轻巧的、在空气动力学方面经过优化的风扇。

  E2SG计划的第二阶段于2022年启动,现已被接纳作为罗·罗公司对于“暴风雨”第六代战斗机项目所作贡献的一部分。据罗·罗公司称,第二阶段发展是对以下认识的回应:所有未来的军用车辆/舰船/飞机都将需要更多的电力来完成其任务,而这一变化需要建造新的测试设施以允许通过燃气轮机直接向直流电网供电。

  图六 “暴风雨”战斗机现今发动机的热信号管理系统

  该公司表示,该计划的第三阶段将集中在热信号管理和增加更多的电动机配件上,并将最终制造出一台全尺寸的演示发动机。该发动机的所有部分都将采用新技术,包括双轴嵌入式发电系统以实现更大的电力输出;先进的热管理系统;为未来战斗机的预期工作周期量身定制的储能系统;以及智能动力管理系统。但是,目前仍没有一个明确的时间表。

  “暴风雨”战斗机的动力系统被称为“未来电源和推进系统”。该系统充分利用了E2SG演示项目的最新成果,实现了比当前发动机更高的功率密度,不仅使得发动机推力有了阶跃性的提高,而且如前面所述将为下一代战斗机提供充足的电能。该发动机具有的另一个关键功能将是热信号的有效管理。

  得益于不断发展的航空材料(例如:用碳化硅增强的钛合金)加上制造工艺的改善(例如:重量更轻的发动机的功率密度将可以提高15%至20%。当然,这并不意味着“暴风雨”飞机最终装备的发动机一定会实现这种程度的增加,因为功率密度需要根据对飞机的具体要求和其他特性(例如:热信号管理)一起进行分析、加以权衡。事实上,目前仍未确定最终需要的推力大小。热信号管理将得益为涡轮风扇发动机和喷射出的尾气进行冷却的大型管道。从一开始就将发动机设计团队融入第六代战机的设计团队有助于优化机内气流路径的设计,以便最大程度地利用它来冷却发动机组件和废气,以及其他飞机部件(例如武器舱)。

  图七 推力矢量很有可能最终不会出现在“暴风雨”战斗机身上

  显然,罗·罗公司也在考虑通用电气和普惠公司正在为美国空军研发的新发动机所具有的可变涵道比解决方案,但是最终的选择很大程度上取决于战斗机最终将会执行的任务。推力矢量也是研究的一部分,但它的主要优势和用途体现在空对空近距离格斗中。对于第六代“暴风雨”战斗机来说,进入这种战斗模式的可能性很低。因此,推力矢量也就没有成为研究的重点。

  图八 从上图可以看到“暴风雨”战斗机的两台发动机很靠近飞机轴线,空气从S型的进气道进入

  根据当前的设计,“暴风雨”战斗机将装备两台发动机。这两台发动机都位于飞机中心线附近,因此和机身两侧的进气道形成一个水平的S型通路。从进气口看进去,看不到任何旋转的叶片,这将有助于大大减少飞机前方的雷达截面积(Radar Crossing Section,RCS)。

  图九 “暴风雨”战斗机内部气流通路的一个简单刨面图

  作为一个集成式的动力系统,发动机产生的电能将被存储在机载大容量电池中。“暴风雨”将不需要另外安装辅助电源装置在发动机停机时维持机上系统运行,这进一步减轻了飞机的重量。

  至于日常检查,考虑到“未来动力系统”的可靠性,当前的日常目视检查将由可以进入发动机的机器人系统进行,从而也就不再需要额外的检查舱口。

  罗罗(Rolls-Royce)近日披露了其喷气式发动机的最新研究成果,未来它将装备英国第六代“暴风雨”(Tempest)战斗机,预计将会在2035年投入使用。今年是该项目的第五年,新设计的发动机不仅能够为作战人员提供超音速飞行,而且还能为未来能源武器或者其他系统提供动力。

  像洛克希德·马丁公司F-35 Lightning II这样的第五代战斗机才刚刚开始大量部署,但世界各国的主要空军力量都认为它们已经过时了,并开始设计和制造新型飞机。而在这场比赛中,领跑者之一就是英国的“暴风雨”(Tempest)战斗机。去年7月,瑞典拟加入英国的行列,成为该研发项目的第一个国际伙伴。

  英国于2022年7月在法恩堡国际航空展(Farnborough International Airshow)上宣布了“暴风雨”开发项目,同时展示该型战机的模型。这个项目旨在驾驭和发展英国的能力,这对于下一代空战能力至关重要,并藉由了解未来的观念、技术和能力,维持英国作为全球领导者的地位。

  这种未来战机是英国航太系统公司(BAE Systems)、发动机制造商劳斯莱斯公司(Rolls Royce)、导弹制造商MBDA公司和意大利航空企业李奥纳多公司(Leonardo SpA)所共同开发的项目。

  未来的空战系统必须能在最具挑战性的作战环境下存活,这意味着载重负荷、航程、速度和可操纵性将是关键因素。

  英国官员预期该型战机将会配备先进的电子仪器和一系列的感应器,包括无线射频、主动和被动电光感应器等,以侦测和拦截进犯的威胁。而它可能同时使用动能和非动能武器。

  暴风雨由于携带激光和其他能源武器、先进的传感器和航空电子设备以及各种技术,因此需要前所未有的电力需求和热负荷。这意味着主要用于泵出推力的老式发动机无法胜任这项工作。

  这就是罗罗公司过去五年一直在为下一代战斗机研发下一代发动机的原因。它的核心是完全嵌入到燃气涡轮发动机核心中的电启动发电机,采用了一种新的战斗机设计方法更加强调直接从发动机提供大量电能。

  罗罗公司未来计划的首席工程师康拉德·班克斯说:“嵌入式电启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。除了增加运动部件和复杂性外,发动机外部用于变速箱和发电机的空间还使机身更大,这在隐身平台中是不可取的”。

  此外,发动机还配备了新的储能系统。还有一个智能的动力和发动机控制系统,可通过算法对动力网络进行管理,这些算法可实时决定如何处理能源需求以及减少热负荷,从而延长部件寿命。完全集成的热量管理系统和效率更高的排气再热系统,以及由耐高温复合材料制成的更轻巧,在空气动力学方面经过优化的风扇,可以帮助实现这一目标。

  一个已经将家产该卖的卖、破产的破产、没有独立研制过四代战机、五代隐身战机,甚至连海军正常航行的军费都短缺的国家,说要先其他国家直接跳过五代隐身战机率先研制六代战机,并且还多次拿一个山寨其他国家五代战机气动外形的模型去各大航展炫耀,就算是让大家投票,也不会有几个人真的信以为其能够独立研制迄今为止还没有确定技术标准的六代战机吧.

  可以期待俄罗斯发动机啊?[大笑][大笑]

  变循环发动机加AI

  这么高深的问题我哪知道。

  梦到的!

  

英国第六代“暴风雨”战斗机的引擎如何设计的?

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