俄羅斯第6代戰斗機發動機最新進展

劉曉瑜，梁春華，索德軍

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

前蘇聯從20 世紀60 年代開始就在所謂的“影子計劃”[1]下與美國開展戰斗機及其發動機研制的激烈競爭，經歷了20世紀60年代稍領先、70年代第4代戰斗機及發動機水平相當、解體前后第5 代戰斗機及發動機出現差距的歷程。進入21 世紀后，俄羅斯繼續在第6 代戰斗機及發動機研制中追趕美國。美國啟動第6 代戰斗機及發動機研制較早，公開信息較豐富，因此近年來對國外第6 代戰斗機發動機的報道和分析主要聚焦于美國，但俄羅斯第6 代戰斗機發動機的研制同樣值得關注。

本文基于有限資料綜述了俄羅斯第6 代戰斗機發動機技術發展路線與關鍵技術的最新進展，以為全面了解和掌握國外第6 代戰斗機發動機的發展進程和先進技術提供參考和借鑒。

1 俄羅斯第6代戰斗機發動機研制計劃

俄羅斯在第6代戰斗機及發動機研制中一如既往地采取與美國“如影隨形”的發展戰略。美國于2007年開展第6代戰斗機及其發動機的論證工作[1]，目前正在開展下一代自適應推進系統（Next-Generation Adaptive Propulsion，NGAP）計劃，預計于2032年完成第6代戰斗機發動機的研制。而有關俄羅斯第6代戰斗機研制，在2013年就有媒體報道[2]，但直至2016年俄羅斯才官方披露蘇霍伊設計局已著手研制的消息[3-4]。目前已知俄羅斯研制的第6代戰斗機為雙發飛機，飛行速度可達2500 km/h，最大起飛質量不超過25 t，航程約為4000 km。戰斗機將按照載人型和無人型開發。這種未來戰斗機將配備全新的導航和火控系統，包括光子雷達系統。還將配備強大的多光譜系統，可在激光、紅外線、紫外線等各種范圍內工作[5]。此外，無人型戰斗機還將引入人工智能，構成綜合作戰控制系統[6]。

關于俄羅斯第6 代戰斗機發動機的公開信息較少。在公開報道中均未提及其準確啟動時間。2018年6 月，俄羅斯中央航空發動機研究院（Central Institute of Aviation Motors，CIAM）首次在俄羅斯聯邦委員會大會上宣布其正在研制第6 代戰斗機發動機[7]。2021 年7 月，俄羅斯塔斯社稱聯合發動機公司（United Engine Corporation，UEC）已開始第6代戰斗機發動機的研制。UEC 公司主要在組合動力裝置以及多電發動機技術方面開展工作，已將驗證機技術研究列入前瞻性專項計劃，且申請了國家項目資金[8-9]，并于2021 年11 月公布了其第6 代戰斗機發動機的技術細節[10]。2023 年，俄羅斯公布了其第6 代戰斗機發動機的發展路線規劃。

2023 年6 月26 日，topcor.ru 網站發布了1 篇名為《UEC 公司展示其第6 代戰斗機發動機配裝蘇-57 進行試驗的圖片》的報道。該報道引用UEC 公司演示文稿透露了俄羅斯第6 代戰斗機發動機的技術儲備情況，指出了戰斗機發動機技術的未來發展方向[11]。

2023年7月3 日，俄羅斯ixbt網站報道稱其第5代戰斗機蘇-57配裝第6代戰斗機發動機成功進行了試驗。此次試驗采用的發動機可能是第5代戰斗機發動機“產品30”的進一步發展，發動機采用3D打印的二元推力矢量噴管、高效軸承、陶瓷基復合材料（Ceramic Matrix Composites,CMC）渦輪部件、先進電力系統以及三涵道結構等[12-13]。

2023 年8 月，南美媒體aviacionline 網站發表了1篇有關俄羅斯第5、6 代戰斗機發動機研制進展的報道，稱旨在配裝第5 代戰斗機蘇-57 的第2 階段發動機“產品30”已獲得新命名“AL-51-F1”，即將批產和投入使用。報道還介紹了俄羅斯第6 代戰斗機發動機的技術發展路線規劃。俄羅斯第6代戰斗機發動機研制過程中將采用16項超前技術和23項同等技術，共39項。除三涵道自適應結構，還將采用電驅動、分布式航空發動機、主動系統等先進發動機技術，摩擦焊、3D打印等先進工藝以及CMC材料、增強合金和其他金屬間化合物等先進材料，可實現飛/發硬件一體化[14]。

俄羅斯第6 代戰斗機發動機技術發展路線規劃采用了S技術曲線理論，如圖1所示。

圖1 俄羅斯第6代戰斗機發動機發展路線[14]

根據技術發展S 曲線理論分析可知，俄羅斯第5代戰斗機發動機“產品30”已經渡過了成長期和成熟期，具備很高的技術成熟度，換言之研制工作已接近尾聲，即將在2024 年前后實現批產和投入使用。但“產品30”發動機也即將達到其發展極限點，進入衰退期，屆時這種常規的渦扇結構很快便不能滿足未來戰斗機的戰略需求。且不說第6 代戰斗機，蘇-57 配裝第6 代戰斗機發動機進行試驗足以說明俄羅斯軍方并不滿足于蘇-57 配裝第5 代戰斗機發動機“產品30”，因此有必要研制全新的第6代戰斗機發動機。

俄羅斯第6 代戰斗機發動機項目已啟動，其技術發展曲線的開端正好與第5 代發動機“產品30”發展曲線的成熟衰退期重合，符合S 曲線技術發展規律，即在第1 條S 曲線達到極限點前，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 代戰斗機發動機“產品30”即將到達衰退期前，就已經開始了第6 代戰斗機發動機的技術積累和發展。只有這樣，才有足夠的資源來彌補研發初期的投入，達成持續增長的企業愿景。

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從圖1 中可見，目前俄羅斯第6 代戰斗機發動機還處于萌芽期，正在進行技術積累。其技術研究與產品研制計劃大致分為3 個階段。第1 階段：2024 年前后可以達到破局點，進入成長期，2024～2028 年，研制第6代戰斗機發動機核心機；第2階段：2028～2035年為其快速成長階段，主要進行第6 代戰斗機發動機驗證機工作；第3 階段：2035～2040 年逐漸進入成熟期，達到較高的技術成熟度，完成第6 代戰斗機發動機的研制，并視情投入使用。

2 俄羅斯第6代戰斗機發動機關鍵技術

結合上述信息可知，配裝第5 代戰斗機蘇-57 完成試驗的發動機雖被媒體稱為第6 代戰斗機發動機，應該只是采用了部分第6 代戰斗機發動機先進技術，在第5 代戰斗機發動機“產品30”的基礎上進一步衍生而來的過渡型發動機，為漸進性創新。而俄羅斯真正的第6 代戰斗機發動機則還處于技術積累階段，是在“產品30”的先進技術基礎上進行突破性創新的全新研制，其技術儲備如圖2所示。

圖2 俄羅斯第6代戰斗機發動機技術儲備——戰斗機發動機未來發展方向[11]

2.1 三涵道自適應結構

第6 代戰斗機發動機是自適應循環發動機，將采用新型的三涵道自適應結構，如圖3 所示。采用該結構可使亞聲速巡航狀態下耗油率降低6%～12%[11]，同時提高散熱能力。這對于第6 代戰斗機電子戰系統和激光武器是至關重要的。

圖3 三涵道自適應發動機結構[10]

在三涵道發動機設計過程中目前需要解決的技術問題是低壓壓氣機引氣位置、第三涵道空氣進入發動機流路的位置選擇、第三涵道與飛機發動機短艙的集成以及發動機驗證機飛行試驗（改進試驗臺）等。根據設計和技術研究結果，鑒于三涵道自適應發動機流路幾何形狀較為復雜，決定采用3D 打印技術制造部分零部件。

2.2 風扇

風扇采用整體葉環結構，采用摩擦焊工藝制造。

2.3 低壓壓氣機

低壓壓氣機采用自適應結構。

2.4 燃燒室

燃燒室結構如圖4所示。

圖4 俄羅斯第6代戰斗機發動機主燃燒室[10]

圖5 CMC材料噴嘴技術的發展[10]

2021 年，2.1 代CMC 材料噴嘴成功完成了點火臺架試驗。后續將在更高的噴嘴進口壓力下進行試驗，并根據試驗結果改進噴嘴結構，將采用彌散強化的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計局正在準備該燃燒室的臺架試驗，CMC材料制造的燃燒室及火焰筒內壁如圖6所示。

圖6 CMC材料制造的燃燒室及火焰筒內壁[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1623 K，密度為3.2 g/cm3，導熱系數為75 W/（m·K），彈性模量為400 GPa，抗彎極限強度為250 MPa[10]。目前UEC 公司開展的主要工作：開發CMC 材料（SiC、SiN、SiCf-SiC）工藝及其涂層；開發零件計算、設計和制造方法；完善試驗臺架。

圖7 采用CMC材料和3D打印工藝制造的低壓渦輪導向葉片[10]

采用CMC 材料大幅提高了渦輪效率。高低壓渦輪轉子和靜子葉片的冷卻空氣引氣量比常規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定器方案，利用支板尾緣充當穩定器（見圖2），此外還研究了可收放穩定器方案，如圖9所示。

圖9 帶可收放火焰穩定器的加力燃燒室[10]

2.7 噴管

噴管采用二元推力矢量噴管結構，其多達90%的零件采用3D 打印技術制造。噴管由俄羅斯禮炮廠、土星公司、列寧格勒金屬廠、發動機科學研究所以及中央重型機械科學研究所等合作研制，其組成部分包括超聲速調節片、亞聲速調節片、液壓作動筒、氣壓作動筒、懸掛帶、前后機匣以及擋板等，如圖10 所示。其中，帶擋板的機匣不可移動，2 個超聲速調節片負責調節臨界界面，2 個亞聲速調節片負責調節剪切截面。噴管多達90%的零件采用3D 打印技術制造（如圖11 所示），比俄羅斯目前使用的三元推力矢量噴管更輕，能夠顯著降低戰斗機的雷達面積。二元推力矢量噴管可使熱燃氣與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，因為噴管形狀減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險。此外，能夠快速調整噴氣方向，保證更高的機動性，使戰斗機可以在不同的飛行狀態下更靈活地應對敵方威脅[15]。

圖10 俄羅斯第6代戰斗機發動機噴管[10-11]

圖11 大量采用3D打印技術的二元推力矢量噴管[11]

目前，已經完成了噴管模型的構建，用于研究噴管氣動力學。此外，完成了驗證型噴管的研制，已在中央空氣流體動力學研究院、俄羅斯國家科學院理論及應用力學研究所成功完成試驗。

2.8 機械系統

機械系統采用高效滑動軸承和接觸式密封結構，其中滑動軸承采用CMC 材料制造。建立了燃氣渦輪發動機轉子支承系統中CMC 材料滑動軸承的計算方法。該軸承在CIAM 試驗臺成功進行了試驗，試驗結果符合數學模型。其后將采用新材料改進軸承并進行試驗，研究CMC材料滑動軸承性能的診斷指標。

采用先進電力系統（電驅動），在多電飛機發電機方面正在進行以下研究：大功率直接傳動發電機、電動執行機構、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、自動控制系統專用的模擬數字基質晶體以及動力電子元件等。

2.9 控制系統

控制系統采用多余度分布式數字自動控制，配備光纖和無線傳感器。該控制系統可對飛機發動機和系統進行控制和診斷，計算使用壽命，預測技術狀態。

3 總結

（1）俄羅斯第6 代戰斗機發動機技術發展路線已完成規劃。目前計劃2030 年前后推出第6 代戰斗機發動機驗證機，2035年前后第6代戰斗機發動機會走向成熟，在2040年前后視情投入使用。

俄羅斯第6 代戰斗機發動機的構型和關鍵技術已經基本明確，將采用三涵道自適應結構、二元推力矢量噴管、3D打印技術和CMC材料等。

（2）在時間維度上，俄羅斯第6 代戰斗機發動機研制的起步比美國有一定的滯后。在技術維度上，俄羅斯目前更多的是進行技術驗證，而美國第6 代戰斗機發動機技術已經過多輪驗證?？傮w來看俄羅斯第6 代戰斗機發動機的發展是落后于美國的。然而，其未來發展走向受到政治、經濟、社會以及技術等方面因素的影響，仍充滿未知數。

鑒于有關俄羅斯第6 代戰斗機發動機的公開信息有限，還有待根據后續信息披露進行進一步分析。