世界最強戰機發動機，F-35的心臟，普惠135推力到底有多強？ 洛馬公司魔改F-16D，美軍無人戰機問世，預計在今年組成無人編隊

2022年, 美國國防部宣佈啓動F-35自適應發動機更換計劃, 預計要到2028年將爲全部F-35更換新的發動機。 然而僅僅過去了一年, 在2023年3月份發佈的關於2024財年預算的簡報上, 軍方宣佈取消了爲F-35尋找新發動機的計劃。 爲什麼僅一年時間美軍態度會發生如此大的轉變? 今天我們就來聊一聊閃電心臟普惠F-135發動機到底有多強。 20世紀90年代初, 美國國防部計劃研製一款新型戰機用於取代當時服役的所有戰鬥機和攻擊機, 由此便提出了GSF聯合打擊戰鬥機項目, 並且向各大飛機制造商發出了招標請求。 隨後,麥克唐納道格拉斯公司、諾斯羅普格魯曼公司、 洛克希德馬丁公司以及波音公司 紛紛給出了自己的設計方案。 在經過一輪激烈的淘汰賽後, 最終波音和諾馬的方案成功脫穎而出, 進入了最後的決賽階段。 其中,波音公司根據項目要求, 設計了採用大三角翼、無水平尾翼的X-32方案, 突出一個膽大心細、劍走偏鋒。 然而與之相對的諾馬公司因爲有之前F-22的設計經驗便顯得十分穩健, 其推出的X-35方案則採用了常規佈局。 在GSF戰機計劃驗證機研製之時, 唯一可以滿足這兩款戰機性能要求的發動機, 就只有普惠F119PW-100發動機了, 這就是後來F-22所使用的發動機。 但是由於波音和諾馬公司設計的方案不同, 對飛機發動機的性能需求以及側重點也有所不同。 以雙方的垂直起降系統爲例, 波音公司採用了一種類似鑰匙戰機的施量推力方法, 在機翼上設置了推力噴口來提高垂直起降時的可控性和穩定性。 不過這樣的設計也導致X-32噴出的熱空氣會被再次吸入到進氣口, 大大削弱了戰機的推力,造成了發動機過熱的問題, 整體來看也比較複雜。 而諾馬公司的X-35則採用了發動機主軸驅動的升力風扇加發動機噴管下偏, 來實現垂直起降。 並且X-35使用的F119 SE611發動機採用了軸對稱噴管, 能夠垂直下偏提供主要升力。 因此,普惠公司對F119發動機進行了針對性的改進, 研製出了兩種不同的F119改進型, 從而滿足兩家公司各自的需要。 波音型F119發動機的代號是GSF119 SE614, 諾馬的代號是GSF F119 SE611。 在經過最後的角逐後,諾馬公司的X-35方案在美空軍的測試中, 已經無限接近量產機型了。 所以在2001年10月26號,GSF戰機計劃的競標結果揭曉時, 諾馬公司的X-35是成功擊敗了波音的X-32, 成爲了新一代美國海空軍陸戰隊的多用途五代機, 並且改稱爲F-35聯合打擊戰鬥機。 因此F-35也有了三個改型系列, 分別是常規起降的F-35A型,垂直起降的F-35B型, 以及艦載機F-35C型。 而在發動機的選擇上, 既然驗證機採用了以F119PW-100發動機爲基礎的改進型號, 所以在F-35確定贏得聯合打擊戰鬥機合同之後, 動力系統沿用了原來的發展思路, 就成了水到渠成的事情。 這也就是F-135發動機項目的開端。 作爲F-119的升級改進型, F-135的整體結構和前者大致相同。 由於F-35採用單發發動機設計, 因此單臺F-135需要產生高達19.5噸的推力, 纔能有效地發揮出F-35戰機的性能。 而當時的F-119的推力只有15.8噸, 所以新款發動機需要擁有比F-119更大的進氣量, 因此F-135將進氣口和風扇的直徑增大了15%左右。 如此一來,發動機達到了9.37米, 對比F-119的5.16米,增大了將近一半。 這也導致了F-35戰機比其他戰機看起來更胖了。 不過呢,與F-119相同的是, F-135也採用了三級風扇。 這裏大兵簡單介紹一下什麼是三級風扇。 在軍用渦扇發動機上, 風扇指的是整個低壓壓縮機組件, 每級風扇都會有一個單片式的葉片轉子, 簡稱爲葉盤。 而這兩款發動機採用的三級風扇其實就是三個葉盤, 通過焊接結合的一個整體。 採用三級風扇的好處是, 在發動機運行時, 風扇吸入的加速氣流在經過第三級風扇後會被一分爲二, 57%會進入到風扇寒道成爲旁通氣流, 剩餘的53%則進入高壓壓縮機與燃油混合, 配合形成強大的動力。 由於氣流經過每一級的壓縮後都會變得更熱, F-35在常規飛行時, 壓縮進入燃焦室的氣流壓力是剛進入風扇時的28倍, 在F-35B懸停飛行時, 這個比值上升到了29倍, 所以後面一級或者多級液盤, 普惠公司採用了耐熱性極強的鎳基核心, 使得液盤承受更高的溫度, 並且F-119和F-135都採用了單級高壓渦輪, 只不過F-135的低壓渦輪是兩級而不是F-119的一級, 之所以要這麼改動, 主要原因還是爲了妥協F-35B短距起飛垂直降落型, 所以F-35B發動機的低壓渦輪所在的低壓轉子, 不僅要驅動進氣風扇, 還要驅動飛行員座艙後面的生力風扇, 而這個生力風扇又是生力系統的三大組件之一, 主要爲F-35B提供垂直的生力, 所以不得不爲此做出妥協, 不明白的朋友可能會有疑惑, 把F-35B使用的發動機單獨拎出來, 採用原先的單級高壓渦輪不就行了嗎? 道理是這樣沒錯, 但咱們上面提到過F-135發動機, 從項目一開始就被要求實現三型兼容, 因此也有了各自的編號, F-35A是F-135PW100, F-35C是F-135PW400, F-35B是F-135PW600, 其中F-35B作爲海軍陸戰隊使用的垂直起降型, 需要一級額外的低壓渦輪來驅動生力風扇的傳動軸, 而爲了保持通用性, F-35C採用的發動機也保留了這個第二級低壓渦輪, 能應對F-35的潛在重量增長, 爲日後的重大升級提前做好了準備。 值得一提的是, F-135的加力燃燒室和加力系統也很有特色, 儘管普惠公司對此閉口不談, 但大兵從各種資料中分析, F-135很有可能採用了三驅燃油噴射技術, 那麼三驅燃油噴射有什麼好處呢? 簡單來說, F-35在飛行員的控制下, 燃油噴嘴可以單驅噴射或者多驅噴射, 可以靈活調節加力燃燒室的加力幅度, 不再是要麼全有要麼全無的工作方式, 不僅能提供一個平穩的加力推力, 同時又能節省一定的燃料, 進一步增加了F-35的續航能力。 總的來說, F-135這款發動機最大推力高達19.5噸的水平, 目前任何戰機的加力式渦扇發動機都無法達到, 即便是F-135的基礎F-119都不能, 由此可見F-135性能之強悍。 更值得一提的是, F-135相對於F-119的推力雖然大幅度增強, 但耗油卻並沒有多大提高, 目前世界公認的推重比10級的渦扇發動機, 有歐洲各國聯合研製的EJ200中推渦扇發動機, 法國M88系列中推渦扇發動機, 蘇聯AL-41F大推力渦扇發動機, 以及美國的F-119和F-120系列發動機。 這裏大兵要提一點, 雖然F-135是一款新型的發動機, 但還是屬於F-119系列的。 以上提到的這些發動機呢, 都號稱推比達到了10級, 但目前推重比真正達到10的發動機, 只有美國的F-119和F-120系列, 而且只有F-119和F-135系列完成研製並正式投入使用。 歐洲的EJ200和M88系列發動機推重比只能達到9左右, 而俄羅斯呢號稱推重比過10了, 加利推力17噸的AL-41F發動機僅僅完成了30%, 就隨着前蘇聯的解體而中斷了。 因此F-119系列發動機能夠完勝世界上其他國家的航空發動機, 其19噸的推力足以把同類的大推力渦扇發動機甩在身後, 即使EJ200和M88都比F-135增加了一級壓氣機。 在葉片級數多於F-135的情況下, 壓縮比和共振也沒有達到F-135的設計水平, 很難想象這系列發動機居然起源於20多年前, 卻依舊保持着世界性能最強現役發動機的頭銜。 但有趣的是,美軍在公佈了F-135這種絕密航空發動機竟然從來不打馬, 甚至還默許記者攝影師拍攝發動機葉片等核心部件。 因此現在互聯網上可以找到很多F-135的高清圖片, 之所以美軍敢如此大膽的展示, 也是吃定了其他國家在發動機領域不如自己。 目前美軍用於下一代戰鬥機的變頻發動機也基本完成了測試工作, 未來設計6代機服役時就不需要考慮發動機推力問題了, 而普惠公司除了研發新發動機外, 還順手給了F-135發動機增推了一下。 增推後的F-135由原來19噸的最大推力增加到20噸級以上, 可以肯定的說, 未來20年內將沒有任何國家能夠超越甚至達到美國的水平。 第五代發動機是比目前發動機更優越的新一代噴氣式發動機, 與前四代發動機相比, 第五代發動機將呈現出以下五大突出的特點。 一、耗油少、效率高、具有更優秀的內部結構, 以及更大的進氣流量。 從而實現更低的耗油量, 與目前最新的四代發動機F-135相比, 耗油率將降低25%, 而耗油率的降低可以增加戰機的續航時間、待機時間, 使亞音速戰機的航程增加30%, 待機時間增加70%, 使超音速飛機航程增加40%, 待機時間增加80%。 由於使用了變循環發動機技術, 從而拓寬了發動機的工作範圍, 在戰機不同的飛行狀態下提高了發動機的工作效率, 使五代機既能亞音速巡航飛行, 又能進行3到6馬赫的超音速巡航。 二、推力大、重量輕。 與第四代發動機相比, 第五代發動機的功率將會得到大幅度提高, 其中間推力將增大5%, 最大推力增大10%, 進一步提高戰機的飛行速度和高速衝刺能力, 使五代機在不開加力的條件下保持超音速巡航飛行, 並縮短飛機起降距離。 根據瞭解, 五代發動機將綜合運用單晶材料、 特種合金材料等大量新型材料, 使發動機的重量大大減輕, 其推重比可以達到15到20, 而目前最先進飛機的推重比僅爲10。 三、兼容性強、成本低。 第五代發動機採用的自適應通用發動機技術 和高效嵌入式技術 以滿足不同任務飛機的需求。 按照美軍設想, 五代發動機能夠滿足未來全系空中平臺能力的需要, 既可以裝配在空軍第五代飛機上, 也可以裝配在海軍的FA-XX上, 還可以供無人轟炸機使用。 而且F35、F22此類五代機只需要經過簡單的改裝, 也就能夠換裝第五代發動機。 由於通用性很強, 研發成本和裝備價格也大大降低, 性價比也會隨之提高。 根據美軍公佈的消息, 五代發動機的性價比將會是2000年發動機的10倍。 四、零件少易維護。 當今航空發動機內部設計極其複雜, 葉片、管路各種零件幾乎貼在一起了, 導致發動機溢出故障而且維修困難。 由於五代發動機應用了變循環發動機等新技術, 所以能夠充分利用衝壓效果, 使發動機零件減少40%, 可以大大降低發動機的安裝時間、維護難度。 而五代發動機除了用於提供動力外, 還可以用於飛機的方向控制。 以戰機的垂直尾翼爲例, 垂尾是保證飛行和起降時, 飛機方向安定與方向操縱的重要部件, 但垂直豎立的巨型垂尾則是隱身的噩夢。 由於五代發動機將利用發動機的推力施量、 氣動控制面和壓氣機引氣方式等實現飛機的方向控制, 未來戰鬥機的垂尾很有可能會消失。 再加上五代發動機的排放溫度低, 不僅提高了戰機的可靠性, 還提高了隱身性能, 因此未來裝備五代發動機的戰機可探測性也會更低。 5.壽命長,對飛行環境要求低。 五代自適應發動機能夠根據不同的飛行環境, 調節優化發動機工作提高其性能, 因此能使戰機適應多種不同環境下飛行的需要, 而對於環境適應能力的增強也相應地增加了發動機的使用壽命, 所以美軍五代發動機的設計壽命將會比上一代增加50%以上。 總的來說, 美國在航空發動機領域之所以能夠保持世界第一的位置, 主要是得益於美軍和政府在所有武器裝備上預言計劃合理, 而且長遠的規劃。 從上世紀50年代開始, 航空發動機的預言計劃如今第六代發動機已經取得了關鍵進展, 而第七代的研製也已經提上日程了。 所以美軍在自家發動機上的自信也是有原因的。 美軍高官曾直言不諱地表示, 給你們F-135的全套圖紙你們都仿製不出來。 這話雖然講出來有些嘲諷, 但卻是對絕對技術領先的自信。 我是大賓,我們下期再見。 最近幾年, 人工智能和無人技術一直是網友們熱門的話題, 包括在俄烏戰場極爲活躍的無人機, 以及各國宣佈要研發的無人坦克無人戰機。 而美國的洛克希德馬丁公司作爲老牌戰機制造商, 自然也是看出了這一點。 早在2019年, 洛馬公司便與通用動力達成合作, 在1992年改裝的NF-16D的基礎上進行無人戰機的升級和改造。 這裏可能有朋友沒聽過NF-16D。 大賓簡單介紹一下, 這款驗證機是通用動力公司在一架F-16D Block 30的基礎上改裝而來, 外觀上有橙藍色塗裝, 幾倍比常規F-16更大更厚實, 尾部還安裝了多軸推力施量發動機噴嘴, 在失速的情況下仍然可以對飛機進行控制。 因此這款實驗飛機具有超機動性, 能夠在公腳下保持俯仰和偏航控制。 當時這款戰機主要是用於超機動飛行的控制測試。 2021年6月14號, 在與通用動力達成協議後, NF-16D被洛克希德馬丁公司用以進行無人戰機測試, 並且還爲其增加了SA-CS模擬自動控制系統。 可能也有朋友不瞭解SA-CS, 簡單來說就是一個AI智能駕駛系統, 並且可以通過不斷的吸收實驗數據進行學習, 掌握駕駛戰機的飛行技巧。 這架實驗機也被從NF-16D更名爲了X-62A。 不過值得注意的一點, X-62作爲首款由人工智能技術控制的無人戰鬥機, 無疑是軍用航空領域的里程碑事件。 根據美軍研究表明, 當時的人工智能已經可以在各種真實場景中完全控制戰鬥機, 做出類似於人類飛行員的決策和執行機動。 因此在項目開始時, 美空軍就將其視作CCA協同作戰飛機計劃的一部分, 而該計劃的目的是在尋求未來的空戰中, 軍用無人戰機能夠與友人戰機進行混編, 作爲一架輔助掌機的無人遼機共同執行作戰任務。 在美軍的多次試飛測試中, X-62A通過加裝的SACS模擬自主控制系統, 分別測試了四種不同的人工智能飛行模式。 這套模擬系統的核心是六個攝像頭和一臺電腦組成的視覺處理系統。 依靠這些攝像頭, AI可以觀察航線上各個方向的飛機, 並由預測他們的飛行軌跡。 如果附近的飛機飛行狀態出現異常, 那麼AI會立刻做出反應並保持跟蹤, 必要時完成規避動作。 另外這一AI駕駛系統還能完成與塔臺的簡單對話。 然而比較遺憾的是, 除了和進行飛行操作以及和塔臺進行簡單對話外, 目前X-62還並不具備使用機載武器進行空戰的能力。 但AI逐漸學習大量的飛行數據後, 大兵相信很快可以實現這一目標。 那麼我們回到視頻開頭的問題, 如果現階段美軍的無人戰機已經具備使用機載武器的能力, 它與有人戰機在空中對戰,誰會更強呢? 上世紀70年代初, 人工智能技術小有突破時, 美軍就一直在嘗試能否將其用於駕駛軍用飛機。 只不過由於當時電腦硬件的限制不足以支撐後續研究計劃, 所以進展相當緩慢。 之後大規模集成電路的電腦出現, 算力方面有了明顯的提升後, 人工智能技術開始進入穩步增長階段。 2016年6月, 智能空戰系統Alpha在美軍的模擬超視距空戰中 戰勝了美空軍退役上校基恩裏。 當時基恩裏雖然已經退役, 但之前卻是美空軍的頂尖飛行員, 駕駛過多種機型, 有數千小時的飛行經歷, 也擔任過預警機、任務指揮官, 作戰經驗豐富。 另外,他作爲教官還培訓了多名美國空軍飛行員, 有着多年和人工智能空戰系統格鬥的經驗。 並且在當時的空中模擬格鬥中, 研發人員甚至有意讓Alpha處於劣勢地位, 例如限制Alpha控制的戰機飛行速度、 武器裝備以及戰鬥機的作戰能力。 即使如此, Alpha依然能夠擊敗人類飛行員, 展現了人工智能系統的空戰潛力。 2020年8月, 美國國防部高級研究計劃局又一次組織了模擬飛行比賽, 當時包括洛馬在內共有8個研發團隊參加了比賽, 但結果是AI憑藉着超乎尋常的瞄準能力扒得頭籌, 最終以5比0的大比分, 擊敗了擁有超過2000小時F-16飛行經驗的 哥倫比亞特區空軍國民警衛隊飛行員班格。 而之所以AI飛行員能連續兩次擊敗人類飛行員, 大兵認爲AI在空戰中具備沒有血肉束縛的優勢。 首先人類飛行員在約12200米的高度 以每小時2415公里的速度飛行時犯錯誤的成本很高, 而AI可以增加容錯率, 因爲AI可以在動態的環境中考慮和協調最佳的戰術計劃, 並且做出精確的響應, 整體速度要比人類快250倍。 舉例來說,在空戰中飛行員發現敵機後, 需要立刻根據雙方的態勢做出相應的機動飛行, 儘量佔據有利地形, 這包括高度及方位, 以及能夠根據敵機的速度、高度及方向變化做出相應的調整, 而做到恰到好處的機動飛行及調整很不容易, 早了會暴露意圖, 晚了會損失掉時間優勢, 所以飛行員只能是根據經驗儘量的做好這一切。 雖然一些王牌飛行員能夠做得很好, 取勝概率也大一些, 但是有時也不免失手, 出現亂拳打死老師傅的情況, 反觀AI卻可以根據機上傳感器收集到的戰場信息, 不斷地連續做出最佳的反應, 並根據對手的軌跡變化做出及時的應對。 雖然這一過程也有延遲, 但以人類的反應速度和操作精準度, 還是很難媲美的。 實驗數據表明, 在預判的反應速度上, 人類飛行員需要0.3秒才能對敵機的行動做出反應, 而AI飛行員在幾毫秒內就可以做出反應, 並且戰機從高空俯衝到低空盤旋, AI仍然具有高超的瞄準能力, 這一點是人類幾乎無法做到的。 因此, AI可以將空戰的每一步都做到極致, 在空間與時間的轉換過程中獲得先機。 其次, 人類飛行員由於是血肉之軀, 因此存在過載制限制, 雖說人類飛行員在抗鶴載服與高壓面罩的配合下, 可以承受短時間的9G過載, 但人體很難長時間承受9G以上的高負荷, 因爲這個時候心臟已經無法完成血液的循環, 所以很快眼前就會出現黑目, 然後暈厥, 直到重要的器官因缺血而導致衰竭死亡。 但是AI則完全沒有這方面的顧慮, 即使是同樣的戰機, 也可以儘可能的延長過載時間來實現比有人駕駛更高的機動性, 而持續的大過載機動會有累積效應, 結果就是優勢越來越大。 最後是駕駛經驗積累, 由於AI不是人類, 根本不需要休息, 所以只要服務器通電, 那麼它就可以持續增加駕駛心眼。 以最近一次以5比0擊敗美軍飛行員班格的人工智能爲例, 他從2019年底參賽到2020年8月比賽結束, 經過至少40億次仿真訓練後, 已經相當於擁有30年的F-16駕駛經驗, 雖然之前一直模擬的是F-15戰機, 但超強的學習能力使他在比賽前很短時間就能駕馭F-16, 輕鬆擊敗王牌飛行員。 那麼問題來了, 未來美空軍飛行員會不會全部退役呢? 完全依靠AI駕駛F-16、F-22等其他戰機呢? 首先可以肯定的是, 有人駕駛戰鬥機絕對不會被AI取代, 因爲此前兩次人機大戰是在有限場景下的模擬對抗, 其場景只是簡單的1對1視距內相, 相比真實的空戰場景來說, 複雜度要低幾個數量級。 另外, 在信息可觀測性和反應速度等方面所展現出的難度和特殊性還並不算突出, 因此在目前階段, 真實的人機對抗場景中, AI不一定能夠完勝人類, 但隨着科技的發展, AI肯定要比人類更強。 經過以上分析, 各位朋友不難看出無人戰鬥機的價值和戰略意義, 但是具體美軍會如何發展還需要看美國國防部是如何看待這一技術方向。 對於美國已經納入時間表的6代戰機, 雖然還是沒有詳細的技術標準透露出來, 但是AI的駕駛技術會在新一代戰機上應用已經是不爭的事實了, 並且大兵預測6代戰機相對成熟後還是會設置飛行員駕駛艙, 也就是說戰機作戰還是會由人類飛行員爲主導, AI駕駛技術作爲輔助, 全程接管空戰操作, 人類只需要確定最終攻擊命令的下達就像打遊戲一樣。 當然, 飛行員駕駛艙也很可能被美軍放棄, 畢竟AI有更好的判斷標準和反應速度, 但即便如此, 相信美軍也不會授權AI自行攻擊的權利。 所以進一步的情況是, 如果戰機想要發揮全部戰鬥性能, 那就不能讓飛行員出現在駕駛艙中, 最多隻需要遠程監控而已。 而這些技術推進都需要看美軍高層對於AI無人戰機或者其他武器的界定, 由於AI武器系統存在着根本性的倫理道德挑戰, 一直以來, 美國國防部都不準備賦予人工智能自主執行攻擊命令的能力, 而是更願意推進這項技術在情報分析方面的應用開發。 但這種情況無疑是對AI發展的一種限制。 比如說, 有一群高度智能化的無人機如同帶刀侍衛一樣, 伴隨着有人駕駛戰鬥機, 爲其提供情報、信息以及火力上的支持。 這種名爲中程遼基的潛位武器系統, 也是美軍對於AI融入空戰的一種嘗試。 所以美國國防部近幾年推出的一系列政策文件, 都在倡導通過投資自主性、人工智能和機器學習等技術, 以獲得具有競爭力和軍事優勢。 並且國防部一直在把這些政策轉化爲具體的行動, 從觀念、組織和技術上, 破除AI發展的阻礙。 例如2020年8月26號, 美國國會研究服務處發佈的人工智能與國家安全報告顯示, 美國國防部正在考慮人工智能在包括情報、監視與偵察、 後勤、網絡空間作戰、信息戰、指揮與控制、 半自主和自主載具, 以及殺傷性自主武器系統上的多種不同應用。 從這些信息來看, 美軍已經致力於將AI技術帶上戰場, 而這一報告連同ACE計劃在AI戰機上的進程, 無疑不再傳遞着明確的信號, 那就是AI技術爲主導的潘多拉魔盒終究會被打開。 好了,本期視頻到此結束, 各位朋友認爲, 未來無人戰機是否會有自主攻擊能力呢? 歡迎在評論區留言討論。 我是大賓,我們下期視頻見。