近日，日本防衛(wèi)省防衛(wèi)裝備廳在其官方頻道發(fā)布了一則宣傳片，片中介紹了日本最新研制的XF9-1型航空發(fā)動機驗證機，它將被用在日本下一代戰(zhàn)斗機上。2018年7月，該驗證機在IHI瑞穗工廠進行最大推力測試，測試結(jié)果為不啟用加力燃燒室時，最大推力為11噸，啟用后最大推力為15噸。

圖注：XF9-1發(fā)動機。

防衛(wèi)省聲稱，XF9-1的性能已經(jīng)可以媲美美國F119-PW-100發(fā)動機，并計劃在2019年年底前完成新發(fā)動機的各項測試與數(shù)據(jù)分析。后者為F-22戰(zhàn)斗機的發(fā)動機，代表世界航空發(fā)動機的最高水平。這標志著日本航空發(fā)動機技術取得重要進步，已經(jīng)邁入世界先進水平。并且有能力為新一代戰(zhàn)斗機，獨立研制新型高推重比發(fā)動機。

研制計劃

XF9型發(fā)動機預研制項目，是日本國產(chǎn)五代機“F-3”計劃的重要一環(huán)。根據(jù)防衛(wèi)省2016年公布的26DMU方案，“F-3”為重型空優(yōu)戰(zhàn)機，配備兩臺新型高推重比渦扇發(fā)動機，飛行最大速度達到2馬赫，具備優(yōu)異的機動性能，將與美制F-35戰(zhàn)機形成高低搭配。

日本“F-3”計劃技術驗證機之一的X-2“心神”，于2016年4月首飛，當時安裝的是XF-5引擎。該機僅做驗證，沒有量產(chǎn)，“F-3”戰(zhàn)機將以它為基礎繼續(xù)研制。

因此，“F-3”的發(fā)動機從一開始就全面對標美國F119型發(fā)動機。在研制過程中，需要解決縮小發(fā)動機橫截面積、增強單位推力、提高推重比和供電功率，以及矢量噴嘴等技術難點。根據(jù)戰(zhàn)斗機項目進展，研制計劃分為三個階段進行：

第一階段，2010年至2015年間完成“下一代引擎主要部件”的研究，IHI先后完成壓縮機、燃燒器和高壓渦輪的研制工作。

第二階段，2013年至2017年間完成“戰(zhàn)斗機引擎核心部件”的研究。2017年7月，發(fā)動機最重要的部分：核心機研制成功。

第三階段，2015年至2019年間完成風扇、加力燃燒室等部分的研制，并組裝出一臺完整的發(fā)動機。

該項目現(xiàn)已進入第三階段的最后測試期。不難看出，日本以自身掌握的零部件制造技術為基礎，進而研制出核心機，然后再組裝驗證機測試，穩(wěn)步地推進發(fā)動機研制工作。

“既要大推力也要小口徑”

XF9-1驗證機是一種雙軸渦扇發(fā)動機，設計上參考了美國F119發(fā)動機，兩者結(jié)構類似但前者尺寸稍小。它具備3級風扇、1級高壓渦輪、1級低壓渦輪和6級高壓壓氣機，進氣口直徑約1米，最寬處直徑約1.09米，總長度4.8米。而F119發(fā)動機最寬處為1.20米，總長5.16米。

發(fā)動機結(jié)構示意圖。防衛(wèi)省對該機的總體技術描述為：“既要大推力，也要小口徑?！?/strong>

整體上看，XF9-1在提升發(fā)動機性能上，最突出的技術點是讓渦輪前溫度達到1800攝氏度。這一指標直接關系到單位推力大小，是高性能發(fā)動機的重要標志。為此，IHI應用了最新的冷卻、耐高溫材料技術以及新生產(chǎn)工藝。

在該機的風扇和壓氣機部分，采用了鎳基耐高溫單晶葉盤。一次切削成型，并添加了稀有金屬“錸”。錸的熔點達3186攝氏度，是熔點第三高的元素，添加在發(fā)動機零件中可以大大增強耐熱性。在美國F-15、F-16、F-22和F-35的發(fā)動機上均有應用。

XF9-1的三級風扇。單晶葉盤的制作工序復雜、生產(chǎn)周期長而且合格率低，但可以耐受傳統(tǒng)鑄造葉片不能承受的高溫，是研制推重比10這一級軍用航空發(fā)動機不可或缺的重要零部件，在國際上也被航空大國所壟斷。

此外，相對于傳統(tǒng)的榫頭結(jié)構，單晶葉盤的氣流效率高、維護性更好、耐熱性能明顯提升。還可以降低葉盤直徑，縮小整體尺寸。以此來縮小發(fā)動機的雷達反射面積，提升隱身性能。并減少機艙內(nèi)的體積占用，安裝更多其它設備。

傳統(tǒng)榫頭結(jié)構（左），單晶結(jié)構（右）。

日本在XF9-1驗證機上第一次采用“浮壁式”火焰筒設計。優(yōu)點是可以增強燃燒室內(nèi)空氣對流，大大提升冷卻效率，延長火焰筒使用壽命。但是這種設計將原來的雙層結(jié)構改為單層薄壁，結(jié)構更加復雜，加工過程中更易變形，制造難度上升了一個數(shù)量級不止。

該機的浮壁式火焰筒。薄壁上的沖擊孔和對流孔的位置稍有偏差，都會讓散熱效果大打折扣。

眾所周知，日本在材料領域技術實力十分雄厚。尤其在軍用高溫合金、碳纖維材料、陶瓷基復合材料等領域世界領先。此次，XF9-1的火焰筒上就采用了SiC/SiC陶瓷復合基材料（CMC）。

XF9-1臺架試驗，啟用加力燃燒器。

這是一種極具發(fā)展前景的航空發(fā)動機新材料。例如，碳化硅陶瓷材料的強度是傳統(tǒng)合金鋼的 1.5至2.5 倍，密度也小于合金鋼，可以降低發(fā)動機重量。陶瓷復合基材料中最先進的碳化硅纖維，在當下全世界只有日本和美國可以產(chǎn)出，而可以批量生產(chǎn)的只有日本碳素公司和日本宇部興產(chǎn)株式會社。就連美國的“ADVENT”新發(fā)動機計劃中，需要的碳化硅也由日本企業(yè)壟斷。

碳化硅纖維。在航發(fā)上應用這一材料，耐熱性可增強20%，重量反而減輕1/3，但生產(chǎn)困難和高昂的價格阻礙了它的大規(guī)模應用。

除此之外，渦輪盤采用了自行獨立研制的TMW-24鎳鈷高溫合金溶制鍛造。摩擦焊接、3D打印等先進制造技術也被運用在生產(chǎn)中。

這些新材料和新生產(chǎn)工藝的應用，使得XF9-1的核心機可以在渦輪前溫度1800攝氏度下穩(wěn)定工作。甚至超過了F119發(fā)動機的渦輪前溫度（1690攝氏度），已達到現(xiàn)代大型渦扇發(fā)動機性能的先進水平。

一體化動力設計

除了發(fā)動機本身，還配套研制了邊界層隔道進氣道、中央動力控制系統(tǒng)、180KW大功率啟動器等與機體整合為一。意圖組成一個具有較強隱身性能、耗油量低航程遠、推力強勁、工作穩(wěn)定的推進系統(tǒng)。

位于發(fā)動機下方的小型啟動器（紅圈處），為機載設備提供充足的電能。

有資料顯示，XF9-1將會安裝軸向矢量噴口，擴展部分可以自由偏轉(zhuǎn)20度。矢量噴口技術的應用可以縮小機翼控制面的大小，既可以降低被探測面積，也可以明顯提高機動性能。并且有利于降低飛行阻力，更容易實現(xiàn)超音速巡航。

日本航研實力不可小覷

日本的航空工業(yè)在“二戰(zhàn)”后被拆分，但隨著其“亞洲橋頭堡”地位的凸顯，美國開始扶植日本航空企業(yè)。日本政府也大力支持航空企業(yè)成長，從1952年頒布《航空工業(yè)企業(yè)法》以來，制訂了一系列航空工業(yè)發(fā)展法案。并持續(xù)向企業(yè)提供占開發(fā)經(jīng)費總額55%的政府補貼，其余45%的部分，企業(yè)可以從銀行獲得低息貸款，而且政府還會再補貼一部分利息?？傮w扶持力度不小。

而在企業(yè)方面，因為有“和平憲法”制約，日本軍用航空只能潛身于民用航空之中，“寓軍于民”，軍民間可以快速轉(zhuǎn)換。民用產(chǎn)品和軍用產(chǎn)品往往在同一個企業(yè)，甚至同一個廠房內(nèi)生產(chǎn)。有如三菱重工、川崎重工、石川島播磨重工（IHI）等實力強勁的航發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。它們不光謀求國內(nèi)訂單，還積極參與國際項目。1981年三家公司聯(lián)合成立了日本航空發(fā)動機協(xié)會，集中全日本最強的航發(fā)研制實力走向國際市場。從承擔非核心零部件制造，到成為全球核心零件的重要提供商之一，日本航發(fā)技術實力悄然增長。

日本研制的多種航空發(fā)動機。

XF9-1的性能細節(jié)還未公布。但它的前一代發(fā)動機XF5-1不開加力時推重比為7.8，而美國F119發(fā)動機則為7.2，最大的戰(zhàn)斗機發(fā)動機，用于F-35的美國F135發(fā)動機則為7.6。當然，這一數(shù)據(jù)并不能反映發(fā)動機的全部性能。但從這一指標來看日本航發(fā)技術實力的確不容小視。