■ 黨舉紅/航空工業(yè)一飛院

目前，美國、俄羅斯兩國的新型戰(zhàn)略轟炸機(jī)已經(jīng)進(jìn)入到型號(hào)研制階段。在動(dòng)力裝置的選擇上，兩國既有相同的側(cè)重點(diǎn)，也有結(jié)合自身情況的特殊考量。對上述情況進(jìn)行探究，可為我國的戰(zhàn)略轟炸機(jī)的動(dòng)力選擇提供一定的參考價(jià)值。

美國的新型戰(zhàn)略轟炸機(jī)項(xiàng)目可追溯到1999年，項(xiàng)目名稱從最初的B-3轟炸機(jī)到2018轟炸機(jī)、新一代轟炸機(jī)（NGB）、遠(yuǎn)程打擊轟炸機(jī)（LRS-B），直至2015年10月被正式命名為B-21飛機(jī)（如圖1所示）。

圖1 尚未揭開面紗的美國下一代戰(zhàn)略轟炸機(jī)

B-21飛機(jī)的基本要求是遠(yuǎn)程、高生存力，能夠突破未來的“反介入/區(qū)域拒止” (A2/AD)環(huán)境并在其中作戰(zhàn)。該機(jī)核常兼?zhèn)?，能夠被美國空軍在未來的高端威脅環(huán)境中使用，并賦予美國空軍從本土起飛、向全球任何地區(qū)投送空中打擊的能力和靈活性。截至目前，美國空軍未披露B-21飛機(jī)的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)，但明確提出了三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)要求： 一是可兼容現(xiàn)有機(jī)載武器，包括核武器；二是大航程； 三是單機(jī)價(jià)格限制在5.5億美元以內(nèi)（2010年幣值，基于100架的采購數(shù)量，未攤銷研制費(fèi)）。

同樣，出于國家安全考慮，俄羅斯也啟動(dòng)了新一代戰(zhàn)略轟炸機(jī)“遠(yuǎn)程航空兵未來航空綜合體”（PAKDA，如圖2所示）的研制工作。2013年4月，正式披露了批準(zhǔn)的方案設(shè)計(jì)和戰(zhàn)技指標(biāo)，2015年5月轉(zhuǎn)入工程研制，預(yù)計(jì)2025—2026年飛機(jī)首飛。俄羅斯新型戰(zhàn)略轟炸機(jī)強(qiáng)調(diào)的是單機(jī)隱身突防、超遠(yuǎn)航程和核常兼?zhèn)涞拇驌裟芰Α?/p>

對比美、俄戰(zhàn)略轟炸機(jī)，其主要技術(shù)特征幾乎一致：首先，在航程方面，俄羅斯提出了超遠(yuǎn)航程，美國B-21飛機(jī)要求大航程，從B-21飛機(jī)的推測技術(shù)數(shù)據(jù)看，最大起飛重量減小，飛機(jī)最大載彈量也同步減小，然而飛機(jī)的載油量并未同步縮小，從一個(gè)側(cè)面印證了 “大航程”要求；其次，兩種飛機(jī)均要求核常兼?zhèn)?，這是大國軍事存在的基本要求；第三，都要求高隱身，尤其俄羅斯還特別強(qiáng)調(diào)單機(jī)隱身突防，這說明俄羅斯在隱身方面的要求更為迫切。區(qū)別之處在于，PAK-DA飛機(jī)最大起飛重量達(dá)180 t，而B-21飛機(jī)的最大起飛重量據(jù)推測只有80 t，屬中型飛機(jī)；另外，美國特別提出了生產(chǎn)成本要求，這符合美國人一貫強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)可承受性的特點(diǎn)。

美俄新型戰(zhàn)略轟炸機(jī)的動(dòng)力選擇

B-21飛機(jī)的動(dòng)力選擇

自從B-21飛機(jī)項(xiàng)目啟動(dòng)以來，官方披露的消息較少，初步消息是選擇了普惠公司的發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。據(jù)此，外界普遍認(rèn)為，B-21飛機(jī)采用F135發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖3所示）改進(jìn)型的可能較大。作此猜測的理由如下：B-21飛機(jī)最大起飛重量較小，采用兩臺(tái)F135推力級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，按中間推力算，飛機(jī)推重比為0.313，可以滿足要求，不像B-2飛機(jī)必須采用4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)；F135是F-35飛機(jī)的動(dòng)力裝置，2006年首飛，目前已經(jīng)成熟，該型發(fā)動(dòng)機(jī)推力大、推重比大、耗油率低，符合轟炸機(jī)一般不新研發(fā)動(dòng)機(jī)、重視成本控制的慣例；在F135 的“系統(tǒng)家族”中曾有F135-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案。

當(dāng)然，B-21飛機(jī)也可能采用自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）預(yù)計(jì)，自適應(yīng)通用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（ADVENT）計(jì)劃和自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)開發(fā)（AETD）計(jì)劃研究的“可變循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)”可以使耗油率下降25%以上，普惠的PW9000耗油率甚至可以降低30%，使飛機(jī)的作戰(zhàn)半徑增加25%～30%，續(xù)航時(shí)間延長30%～40%，從而可以較好地滿足B-21飛機(jī)大航程的要求。

圖2 PAK-DA轟炸機(jī)虛擬圖

圖3 F135發(fā)動(dòng)機(jī)

PAK-DA飛機(jī)的動(dòng)力選擇

目前，俄羅斯的航空發(fā)動(dòng)機(jī)新型號(hào)比較少，尤其是近年，經(jīng)濟(jì)持續(xù)低迷對發(fā)動(dòng)機(jī)研制造成較大困難，因此PAK-DA飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)只能采用NK-32發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖4所示）的改進(jìn)型。

圖4 NK-32發(fā)動(dòng)機(jī)

NK-32發(fā)動(dòng)機(jī)是圖-160遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)、圖-144重型超聲速客機(jī)和圖-22M中程超聲速戰(zhàn)略轟炸機(jī)的動(dòng)力，由庫茲涅佐夫發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)局于1977年研制。該發(fā)動(dòng)機(jī)為三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是當(dāng)時(shí)世界上推力最大的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，也是世界上首批采用了雷達(dá)和紅外隱身技術(shù)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)之一。

NK-32發(fā)動(dòng)機(jī)將在生產(chǎn)型的基礎(chǔ)上分批次改進(jìn)：第一階段是滿足現(xiàn)役圖-160轟炸機(jī)首批改進(jìn)型圖-160M1；第二階段是滿足圖-160轟炸機(jī)的深度改進(jìn)型圖-160M2；第三階段是配裝未來新一代轟炸機(jī)PAK-DA。2017年12月，俄羅斯聯(lián)邦國防和安全委員會(huì)主席維克托·邦達(dá)列夫表示，PAK-DA轟炸機(jī)原型機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近完成，由于決定恢復(fù)生產(chǎn)圖-160M2戰(zhàn)略轟炸機(jī)，新型轟炸機(jī)PAK-DA的研發(fā)工作只能推遲，PAK-DA試驗(yàn)可能在2023—2024年開始。

作為比較，表1給出了世界主要轟炸機(jī)的技術(shù)參數(shù)，表2給出了幾型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

表1 世界主要戰(zhàn)略轟炸機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表2 世界幾型先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

戰(zhàn)略轟炸機(jī)的動(dòng)力裝置需求分析

和其他軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，戰(zhàn)略轟炸機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)除強(qiáng)調(diào)推重比大、可靠性高之外，更重視低耗油率，更小的耗油率是大航程的保證；其次，考慮飛機(jī)隱身要求，發(fā)動(dòng)機(jī)需要內(nèi)裝，發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何尺寸要求更??；第三，也由于隱身要求，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲要小，抗電磁干擾能力要強(qiáng)，紅外信號(hào)特征要弱；第四，考慮到飛翼飛機(jī)無垂尾，其操縱難度更大，對發(fā)動(dòng)機(jī)的推力矢量和推力轉(zhuǎn)向要求更高，這在提高飛機(jī)操縱性的同時(shí)，也可以提高飛機(jī)生存力；第五，現(xiàn)代飛機(jī)強(qiáng)調(diào)低成本，發(fā)動(dòng)機(jī)從生產(chǎn)到使用維修成本要更低。

大推重比和高可靠性

對于飛機(jī)設(shè)計(jì)而言，載重量永遠(yuǎn)是不夠的。所有飛機(jī)，從民用到軍用，整個(gè)設(shè)計(jì)過程貫穿的一個(gè)主題就是減重。軍用飛機(jī)系統(tǒng)中，僅發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就占到飛機(jī)使用空重的12.81%～26.13%，同樣推力級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，推重比從6增加到8，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量減輕25%，自重小、推重比大的發(fā)動(dòng)機(jī)就能實(shí)現(xiàn)飛機(jī)性能上的突破，也可以給其他機(jī)載系統(tǒng)留出更多的質(zhì)量空間。相比推重比，發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的要求更強(qiáng)烈一些。一型可靠性高的發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)型號(hào)成功的保證。可靠性不僅僅是一些指標(biāo)，它的內(nèi)涵更加表現(xiàn)在以下方面：一是發(fā)動(dòng)機(jī)要在各種惡劣工況下長時(shí)間穩(wěn)定可靠地工作；二是發(fā)動(dòng)機(jī)要盡可能地減少維修工作量，壽命及定檢間隔要更長一些；三是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)使用的元器件可靠性篩選要更嚴(yán)一些，因小部件失效引起的發(fā)動(dòng)機(jī)故障就會(huì)降低很多。先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性非常高，除技術(shù)因素外，還得益于整體結(jié)構(gòu)件的采用和零部件數(shù)量的大幅減少。例如，F(xiàn)119發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件數(shù)量比F100-PW220發(fā)動(dòng)機(jī)大約減少了40%，F(xiàn)119發(fā)動(dòng)機(jī)的平均維修間隔（EFH）比F100-PW220發(fā)動(dòng)機(jī)提高了62%，而F100-PW220發(fā)動(dòng)機(jī)的EFH已經(jīng)達(dá)到了147h。目前，國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命是一個(gè)難點(diǎn)，還有很大的提升空間，采用整體結(jié)構(gòu)件、減少零部件數(shù)量是一個(gè)途徑。

低耗油率

低耗油率發(fā)動(dòng)機(jī)對飛機(jī)航程和作戰(zhàn)半徑的提高是明顯的。例如，轟6飛機(jī)更換發(fā)動(dòng)機(jī)后，耗油率由0.952 kg/（daN·h）降至0.7 kg/（daN·h），降幅達(dá)26.5%，飛機(jī)的航程大幅度提升。盡管現(xiàn)在可以空中加油來增加飛機(jī)的航程和作戰(zhàn)半徑，但戰(zhàn)略轟炸機(jī)的任務(wù)性質(zhì)決定了飛機(jī)本身需要較大的航程和作戰(zhàn)半徑，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率越低越好。近年來的技術(shù)進(jìn)展表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)成為提高飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性或是轟炸機(jī)航程和作戰(zhàn)半徑的主要因素，普惠公司的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率已經(jīng)由F100發(fā)動(dòng)機(jī)的0.70級(jí)（單位為kg /（daN·h））降低到F119發(fā)動(dòng)機(jī)的0.60級(jí)，而美國通用經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（VAATE）計(jì)劃的目標(biāo)是在F119發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率基礎(chǔ)上再降低25%。

隱身和抗電磁干擾能力

對于現(xiàn)在及未來飛機(jī)而言，隱身是全方位的，不僅包括電磁隱身，還包括紅外、聲響、視覺等其他信號(hào)特征隱身。涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)的主要有電磁隱身和紅外隱身，這兩方面和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)、噴管設(shè)計(jì)有關(guān)?，F(xiàn)在流行采用S形進(jìn)氣道、S形噴管，目的是為了減少雷達(dá)和紅外信號(hào)特征，其他形式的進(jìn)氣口和排氣口設(shè)計(jì)也在探究之中。發(fā)動(dòng)機(jī)本身如果能采用更多的隱身技術(shù)如三涵道技術(shù)、綜合熱管理技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)的尾跡管理等，降低雷達(dá)和紅外信號(hào)特征，會(huì)較大程度地減輕飛機(jī)隱身設(shè)計(jì)的壓力。

隨著人工智能和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)化控制程度越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的智能控制水平也越來越高，能夠較大地改善發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和維修性，但也會(huì)帶來控制系統(tǒng)電磁干擾的問題，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的抗電磁干擾能力是確保飛機(jī)安全航行的前提。

推力矢量和推力轉(zhuǎn)向

依靠推力矢量（如圖5所示）和推力轉(zhuǎn)向進(jìn)行飛行和控制，完全或部分代替飛機(jī)操縱面,就可以取消飛機(jī)的外露部件，如垂尾、腹鰭和其他操縱面，這樣除能減少飛機(jī)雷達(dá)截面積（RCS）外，還可減輕整機(jī)質(zhì)量、增加內(nèi)部燃油空間、降低系統(tǒng)復(fù)雜性、提高敏捷性、降低全生命周期成本等。利用推力矢量控制時(shí)，不管迎角多大和飛行速度多低，均可以利用這部分操縱力進(jìn)行飛機(jī)操縱，并且量值和方向易變, 可以增加飛機(jī)操縱裕度，提高飛機(jī)的生存力。美國曾在F-18飛機(jī)上進(jìn)行過推力矢量飛行控制試驗(yàn)，并且更進(jìn)一步，曾有取消飛機(jī)所有操縱面，僅依靠推力矢量進(jìn)行飛行控制的研究計(jì)劃。無疑，推力矢量控制飛行是未來發(fā)展方向之一。

圖5 EJ200軸對稱三維矢量噴管

低成本和經(jīng)濟(jì)可承受性

低成本是武器裝備發(fā)展永恒的主題，并且隨著現(xiàn)役武器裝備研制成本的快速攀升顯得尤為重要。B-2轟炸機(jī)單價(jià)達(dá)到10億美元，并且有嚴(yán)格的維修保障要求。這些因素限制了其在海外的部署與作戰(zhàn)使用，也導(dǎo)致美國明確要求LRS-B的成本降低到5.5億美元以下。遠(yuǎn)程轟炸機(jī)和任何軍機(jī)一樣，均強(qiáng)調(diào)低的制造成本和使用成本，提高經(jīng)濟(jì)可承受性，才能裝備更多、使用更加靈活和方便。

結(jié)束語

與美俄相比，我國的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)比較落后，短期內(nèi)難以研制成功戰(zhàn)略轟炸機(jī)所需的新一代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，可以先用其他成熟發(fā)動(dòng)機(jī)做適應(yīng)性改進(jìn)后配裝戰(zhàn)略轟炸機(jī)。同時(shí)，瞄準(zhǔn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)水平，參考世界發(fā)達(dá)國家的發(fā)動(dòng)機(jī)研究計(jì)劃，如美國的綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃和VAATE計(jì)劃等，積極開展未來發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的預(yù)研工作，在技術(shù)成熟基礎(chǔ)上開展新一代軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，待新發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功后，進(jìn)行轟炸機(jī)的換發(fā)工作，這未嘗不是一個(gè)好的選擇。