【裝備發展】空中主宰1：日本的進擊！——「未來戰鬥機」計劃2025年首飛；進氣道、復材承力結構、大推力發動機及內埋彈艙技術突破

原標題：【裝備發展】空中主宰1：日本的進擊！——「未來戰鬥機」計劃2025年首飛；進氣道、復材承力結構、大推力發動機及內埋彈艙技術突破

《空天防務觀察》導讀：本期《空中優勢》主要包括以下內容：

——日本「未來戰鬥機」計劃仍在權衡籌劃當中，具體發展路徑有待確定，計劃2025年實現首飛，2028年開始批量製造；

——日本已完成「未來戰鬥機」有隔板進氣道高速風洞試驗驗證；

——利用膠接技術製造的日本「未來戰鬥機」複合材料承力結構（中機身）已完成限制載荷條件下靜強度試驗；

——XF9-1發動機驗證機在地面台架試驗中達到15000千克力加力推力；

——日本正在測試超聲速飛行條件下可快速投放武器的內埋彈艙。

一、日本「未來戰鬥機」計劃仍在權衡籌劃當中，具體發展路徑有待確定，計劃2025年實現首飛，2028年開始批量製造

2018年11月2日，美國《航空周刊》報道，據日本研究人員稱日本防衛省希望在2019年4月1日開始的財政年度內啟動「未來戰鬥機」的全尺寸開發，並希望第一架原型機能夠在2025年首飛。

如果一切按計划進行，日本將在未來數月內決定這種在本世紀30年代投入使用的戰鬥機的發展路徑，但這一時間表可能無法得到保證。根據日本當地媒體報道，關於如何實施的決策可能會順延到從2019財年開始的為期五年的國防採購規劃期。時間上的順延可能使該計劃更接近於與潛在國際合作夥伴的計劃保持一致。據報道，目前關注的是研製一種新的戰鬥機，而不是升級。

根據要求對姓名進行保密的研究人員稱，日本大約需要100架「未來戰鬥機」戰鬥機。批量生產將在首飛後三年的2028年開始。防衛大臣岩屋毅（Takeshi Iwaya）表示，F-2將在大約15年後退役，這表明新機型必須在本世紀30年代初投入使用。日本最初的計劃只是自主研發一型飛機。為此，防衛省已經進行了大約十年的基礎性技術研究工作。2016年又增加了3種可能的實施途徑：與外國合作夥伴共同開發新型飛機、升級現有型號以及進口現貨戰鬥機（基本可以確定為日本已經購買的洛克希德?馬丁公司的F-35「閃電」II）。

日本已向英國和美國的飛機製造商尋求解決方案。洛克希德?馬丁公司告訴《航空周刊》，公司提供了「第五代改進型」，這隻能意味著某種基於F-22「猛禽」或F-35的飛機。但事實上，洛克希德?馬丁公司似乎提出了兩項建議，兩者都基於F-22：用F-35的航電系統進行升級，或者是在F-22的機身安裝了更大的新機翼以及日本生產的推進裝置和系統的新飛機。

日本的未來戰鬥機26DMU概念設計（美國《航空周刊與空間技術》圖片）

據日本的《每日》報報道，波音公司的F-15新版本（F-15X）、歐洲戰鬥機「颱風」（由BAE系統公司提供）以及用新航電設備進行升級的F-22方案已被排除。儘管日本政府一直對外宣稱尚未做出任何決定，但這一報道似乎有道理，部分原因是美國法律禁止向外國銷售F-22。此外，三種方案中的任何一種升級都不可能提供防衛省認為日本需要的東西：具備遠航程以及可以大量內埋掛載遠程空空導彈的隱身戰鬥機。

儘管據說日本正在考慮再購買20架F-35用於替換F-15，但F-35也不能提供這種能力組合。這留下了新戰鬥機的選擇空間。對於國際合作研製方式，最明顯的候選方案是英國2018年7月推出的「暴風」概念；自2017年以來，日本和英國一直在研究聯合開發戰鬥機的可能性。《每日》報稱，擬議中的法、德「未來作戰航空系統」是另一種可能性。但英國、法國和德國不太可能想要像日本理想中那樣大的飛機，有可能達到「颱風」或「陣風」的兩倍大。

此外，歐洲人還沒有準備好在明年啟動全尺寸研發工作。《日經新聞》稱日本時間表正在向後順延。該報稱，日本政府已決定在2019-23財政年度計劃期間的某個時間前不會決定如何實施。但即使這個時點對於國際合作來說還為時過早，至少對英國來說是這樣的，後者打算決定在2025年前啟動全面發展。

預計日本很難與美國合作。美國海軍和空軍都沒有披露其下一代戰鬥機的詳細計劃，因此日本甚至無法評估這些選項。此外，美國也未表示它對用於本世紀30年代的戰鬥機開展國際合作感興趣。

正如最初計劃的那樣，「未來戰鬥機」可以完全由日本研發。自主設計可能會基於雙發的26DMU。方案中的發動機源自推力超過33000磅（15000千克）的石川島播磨重工（IHI）XF9-1技術驗證機。

報道所稱的洛克希德?馬丁公司F-22改型產品是日本自主設計的替代品，其優勢在於擁有一支經驗豐富的公司。《日經新聞》指出，MHI將開發和製造機翼。XF9-1將加以應用，此外三菱電機的航電設備也會得到應用。

過去十年的早期，洛克希德?馬丁公司提出了以標準和擴展的F-22機身加上大型三角翼的各種組合方案作為攻擊機，被稱為FB-22。這種程度的變化可能證明一個論點，即F-22出口禁令未涵蓋新改型。飛行性能可能會下降，但日本的防務規劃者很久以前就接受了這樣一種觀點，即他們首選的戰鬥機會為續航性能和武器載荷能力而犧牲機動性。

二、日本已完成「未來戰鬥機」有隔板進氣道高速風洞試驗驗證

2018年11月14日，美國《航空周刊》報道，日本工程師已經驗證了作為擬議中自主戰鬥機技術採辦工作一部分的隱身進氣道概念設計。

日本防衛省裝備廳戰鬥機進氣道風洞試驗模型（美國《航空周刊與空間技術》圖片）

根據參與該計劃的日本防衛省裝備廳（ATLA）官員說法，風洞試驗證明了設計工作，與預測的表現「足夠吻合」。

在11月13至14日舉行的技術研討會上，ATLA展示了測試中使用的風洞模型。從進氣道入口及其蛇形管道的特徵可以判斷該模型是基於2013年提出的25DMU概念方案而開展設計的，可滿足未來戰鬥機的要求並於本世紀30年代投入使用。儘管25DMU概念方案在隨後一年被26DMU取代。但進氣道項目的主要目的並不是對具體設計進行性能驗證，而是要表明日本工程師能夠勝任這項工作。如果日本確實開展自主戰鬥機的型號研製，工程師將設計另一個進氣道。

接受測試的進氣道設計最大馬赫數2。通常，目標是在大的速度範圍內實現低壓力損失和低畸變。戰鬥機總體設計師確定了機身外部形狀和佔據了機身內部提及的武器艙形狀；發動機尺寸也已給定。進氣道設計人員必須確定適合的形狀。

與其他隱身設計一樣，進氣道通過扭曲以屏蔽發動機葉片對敵方雷達的高反射特性。在展出的試驗模型上，進氣道首先向上、向內扭曲大約40度，然後在發動機前拉直。在研討會上發言的防衛省裝備廳官員拒絕透露具體角度。

該試驗模型需要與石川島播磨重工（IHI）的XF9-1發動機相匹配，因此設計的空氣質量流量較大。XF9-1發動機的加力推力達到15000千克力（33000磅），最大推力為11000千克力。

金屬的風洞模型由進氣道入口和管道以及包括邊界層隔板的前機身兩部分組成，連接在一起進行測試。裝備廳稱，前機身未進行優化設計，也不是試驗的主題。儘管如此，該設計的最顯著特徵可能是它使用了一個用於將湍流邊界層與流入進氣道的空氣分開的隔板。

在過去幾十年中出現的替代方案是無隔板超聲速進氣道，這種進氣道通過在進氣道入口上游機身上設置鼓包從而通過氣動的手段處理邊界層。這對包括洛克希德?馬丁公司F-35「閃電」II在內的最新戰鬥機很有吸引力，部分原因在於簡單的形狀可向地方雷達反射較少的無線電能量。此外，無隔板進氣道通過取消放氣和旁路系統可以達到減重的目的。洛克希德?馬丁公司的工程師今年在一篇關於F-35技術的論文中寫道，F-35的無隔板進氣道比傳統設計輕30%。

ATLA在權衡研究後選擇了隔板設計，因為他們認為無隔板進氣道無法適應寬速域範圍。但日本可能已經設計了無隔板進氣道並將其作為首選。

三、利用膠接技術製造的日本「未來戰鬥機」複合材料承力結構（中機身）已完成限制載荷條件下靜強度試驗

2018年11月20日，美國《航空周刊》報道，日本工程師正致力於用膠水替代緊固件、像蒙皮那樣使用複合材料作為戰鬥機的承力結構。

日本「未來戰鬥機」複合材料中機身強度試驗樣段（日本防衛省防衛裝備廳圖片）

日本正在對一個由複合材料製造的全尺寸中機身段進行強度測試，該項目是日本「未來戰鬥機」技術採辦工作的一部分。該試驗件由模塊製成，這些模塊中複合材料蒙皮用膠水粘合在通過黏合劑相互連接的複合材料框和樑上。但該中機身試驗樣件在機腹仍使用了金屬材料，以吸收來自起落架的複雜載荷，這是複合材料無法完成的任務。同樣位於中機身下部的武器艙也由金屬材料製造。

三菱重工（MHI）在2017財年完成中機身試驗件的製造。試驗樣段寬8.6米（28.2英尺）、長5.2米。樣段的部件分別在熱壓罐中製造完成然後在壓力下黏結在一起完成裝配。此前已經試造了一個更小的膠接複合材料結構用於進行評估。

一位與三菱重工一道負責此項工作的日本防衛省裝備廳（ATLA）官員在ATLA的技術研討會上表示，膠接技術製造的中機身試驗樣段已經接受了限制載荷的考驗，這是飛行中可能出現的最大值。但還未進行極限載荷條件下的測試，該值要比限制載荷大50%。工程師們正在尋找黏合劑和臨近材料連接處的材料破壞跡象，但到目前為止還沒有相關發現。

該名官員稱，評估工作尚未完成但到目前為止尚未有重大問題發生。測試工作將在2019年3月31日完成。但由於技術上存在不確定性，可能需要更多時間。

根據日本工程師的分析，限制複合材料承力結構廣泛應用的一個關鍵因素在於這種材料很容易因鑽孔導致高報廢率。但如果使用膠水代替鉚釘，這一問題幾乎就不存在了，因為所需的鑽孔數量非常少。利用膠接技術製造的中機身段要比原本預期使用以往技術（主要是鉚接技術）製造的機身段更簡單，具有更少的結構部件數量。除為更廣泛地使用複合材料創造了機會，膠接技術帶來的最大直接收益是減重。與緊固件相比，膠水的重量更輕，並且各部件不需要在孔洞周邊進行加強。

ATLA估計正在進行試驗的結構件要比使用緊固件技術製造的同樣結構輕10%，在使用輕重量材料上向前邁進了一步。防衛省裝備廳不會透露使用複合材料具體減輕了多少重量。對這項技術，還需要接受疲勞試驗的測試，但到目前為止還沒有提供資金給予資助。此類工作應該在更小規模的樣件上完成，從而控制所需冷卻設施的尺寸和費用。

這一中機身試驗樣件是根據ATLA為「未來戰鬥機」準備的一種概念設計而製造的，「未來戰鬥機」是一種將在本世紀30年代進入服役的大型作戰飛機。日本政府正考慮包括與他國聯合進行合作研發在內的替代自主設計的備選方案，但同其他國家一道研發飛機仍可使用日本按預期獨立開發積累的技術知識。

四、XF9-1發動機驗證機在地面台架試驗中達到15000千克力加力推力

2018年11月21日，美國《航空周刊與空間技術》報道，作為日本廣泛的戰鬥機技術採辦工作一部分的石川島播磨重工（IHI）XF9-1發動機已經達到了要求的11000千克力（24000磅力）最大推力和15000千克力的加力推力。這一里程碑的實現表明，至少在驗證機形式下日本已經生產出第一台大推力戰鬥機發動機。

來自日本防衛省裝備廳（ATLA）負責監督該項目的官員稱，XF9-1驗證機已經達到最低要求的輸出而沒有任何問題。要求的推力水平是針對海平面的發動機而不是安裝在機身中。

儘管來自地面測試的感測器數據仍在分析中，但並未發現嚴重的異常情況。渦輪風扇在經過通常的改善性能的調整過程之前已經實現了其設計輸出。因此，該名官員在ATLA的年度技術研討會上說，XF9-1很可能能夠實現更高的推力。ATLA早前也暗示它希望可以達到更大的推力，例如規定「至少15000千克力」的加力推力。

XF9-1小迎風面積大推力渦扇發動機（日本防衛省防衛裝備廳圖片）

在組裝完整的渦扇發動機之前，發動機的核心機進行了單獨測試，IHI在6月28日將發動機交付給政府之前進行了公司測試。政府的測試也在IHI的工廠進行，將持續到2019年3月31日，即本財政年度結束。在2019財政年度，驗證機計劃搬到北海道北部的千歲縣接受仍在地面上進行的高度測試。這主要是為了確認發動機可以在飛行中重新啟動，但也會獲得有關高空性能的一些細節。

對發動機空中性能的全面測試需要將其安裝在飛機上，具體的平台仍在考慮當中。這顯然是原計劃範圍的擴展。另一位官員表示，川崎重工C-2運輸機可用於此目的。

在千歲縣進行高度測試後，計劃要求將發動機返回IHI進行動態測試，以了解發動機在像使用中那樣的油門快速運動條件下的運行情況。然而，XF9-1只是一台驗證機。製造生產型發動機需要做更多工作，這樣才能實現高可靠性。

這種雙軸的日本發動機在渦輪機械布局上與洛克希德?馬丁公司的F-22上使用的普?惠公司F119發動機相同，具有三級風扇、六級高壓壓氣機以及單級高壓和低壓渦輪。兩軸對轉。

該發動機設計的渦輪進口溫度超過1800℃（3270℉）；在與討論會同期舉行的展覽會上播放的視頻中，溫度顯示已超過1800℃。質量流量和旁通比尚未公開。根據先前的材料，至少在一個渦輪的罩環上應用了陶瓷基質複合材料（一種能夠比金屬應對更高溫度的材料）。碳硅纖維增強了陶瓷。靜子和轉子葉片由鎳基單晶超合金製成。其上安裝有轉子葉片的渦輪盤由本國開發的鎳鈷超合金TMW-24製成。

高溫是保持發動機減小直徑從而減少機身阻力的努力的一部分。根據《航空周刊與空間技術》對2017年發布的官方1:1圖片的測量結果，XF9-1發動機的直徑為98厘米（39英寸）。ATLA稱，該發動機長度為4.8米（15.7英尺）。

XF9-1能夠支撐超聲速巡航的實現，但目前尚不清楚其預期的機身是否適合這種性能。機身和發動機將成為日本要求在本世紀30年代投入使用的「未來戰鬥機」的自主化備選方案。ATLA還在研究用於發動機的推力矢量噴管。

IHI之前的戰鬥發動機項目是XF5-1，這是一個技術驗證機，只有XF9-1設計推力的三分之一。第一台發動機於1998年交付。兩台XF5-1為三菱重工（MHI）的X-2提供了動力，這是一架戰鬥機技術驗證機，於2016年首飛。

涵蓋2010-15財年工作的初始發動機驗證機預算為50億日元（4400萬美元）。2013財年還為組件研究提供了172億日元。從2015財年到2019財年，被稱為進行戰鬥機發動機系統研究的當前階段將耗資142億日元。除非支持來自其他預算領域或者來自IHI的口袋，否則先進戰鬥機用發動機驗證機的總成本將為364億美元。

五、日本正在測試超聲速飛行條件下可快速投放武器的內埋彈艙

2018年11月20日，美國《航空周刊》報道，日本工程師完成了可在超聲速條件下投放懸掛物的武器艙設計，並進行了測試。

日本防衛省裝備廳（ATLA）官員表示，測試已經證明了武器艙的空氣動力學和機械性能。作為設計進氣道的並行項目，目標不是確認生產設計是否準備就緒，而是表明工程師可以執行這樣的開發工作。

風洞測試首先確認了用於武器艙的測試設備適合於該用途，並評估了與腔體形狀相關的空氣動力學。後續的工作使用了一個帶艙門（處於打開位置）和常規形狀的火箭衝壓發動機導彈的模型，這些導彈被收起以確認它們能夠正確分離。該官員在ATLA組織的技術研討會上說，這個武器艙能夠在超聲速飛行速度下發射（武器）。此前有報道稱防衛省已經進行了馬赫數1.4情況下的發射測試，這是一個可能的發射空對空導彈的速度。發射時速度越快，導彈飛得越遠。此外，進行超聲速機動情況下的飛行員不希望通過減速來發射武器，這會損失能量。

2018年日本工程師已經驗證了他們設計的液壓機構的運行情況。這涉及建造和測試一個全尺寸的武器艙。武器艙的外部尺寸為：長6.2米（20.3英尺）；寬2米；深1.5米。腔體要更小一點。武器艙設計用於攜帶與MBDA「流星」一樣大小的六枚導彈，其中一種帶有先進的日本研製的導引頭。兩個小型的側彈艙每個可攜帶一枚近距導彈。

日本的全尺寸武器艙測試樣段（日本防衛省防衛裝備廳圖片）

內埋武器艙需要快速操作以最大程度壓縮不可避免的反射艙暴露在敵方雷達前的時長。日本「未來戰鬥機」武器艙的一個關鍵設計目標是以很高但未公開的速度完成開艙門、武器彈射、發射架收回和關艙門四個步驟。裝備廳拒絕透露（艙門開閉的）周期，但機械性能可能達到極限。在2001年F-35「閃電」II「聯合攻擊戰鬥機」項目的競爭階段，波音公司表示其設計的艙門和彈射順序需要1-3秒。達到1秒的周期似乎幾乎不可信，但雷神公司已經對洛克希德?馬丁公司F-22的艙門開閉時間表示：「如果你眨眼，就錯過了它。」至於艙門開閉運動之間的彈射過程，科巴姆公司稱其導彈彈射發射器釋放掛載並收回的時間不會超過0.3秒。

日本必須確認驗證機的艙門在高速飛行期間可以打開並關閉。沒有周圍的機身，無法在風洞中評估測試項目。取而代之，研發人員使用作動器來抵擋艙門的運動，模擬用計算流體動力學估測的氣動力載荷。當艙門移動時，阻力會有所不同，但評估在每次測試中使用恆定負載；在不同的測試中應用不同的負載。

彈射過程中，懸掛物要經過彈艙內空氣和外界快速流動氣體之間的不穩定界面。它還將遇到來自彈艙前緣的衝擊波。因此，懸掛物的運動是不可預測的：它可以飛回來並擊中飛機。解決方案的一部分似乎是更快地推出懸掛物，在彈射機構活塞衝程的有限深度範圍內實現必要的速度。這方面日本設計的細節難以獲得。但F-22上的哈里斯公司LAU-142/A氣動彈射發射裝置可將雷神公司的AIM-120「阿姆拉姆」導彈以高達40g過載加速到9米／秒（約30英尺／秒）的分離速度。科巴姆公司稱其由火藥提供動力的導彈彈射發射裝置可達到相近的速度。

近年來，日本工程師在川崎重工P-1海上巡邏機上設計了一個用於亞聲速投放的武器艙。但是從飛機內部超聲速投放是一項更加困難的技術。

黃濤先生已為《空天防務觀察》提供7篇專欄文章，如下表：

（中國航空工業發展研究中心黃濤）

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