■ 邵冬 / 中國航發(fā)研究院

從20世紀20年代起，各國軍事專家陸續(xù)提出了潛水飛機或者飛行潛艇等關(guān)于跨介質(zhì)飛航器的方案或設(shè)想，但受工程技術(shù)水平的限制，均未成功轉(zhuǎn)化至工程應(yīng)用。受軍事作戰(zhàn)需求的牽引以及工程技術(shù)進步的驅(qū)動，跨介質(zhì)飛航器的相關(guān)研究在21世紀依舊熱度不減。

在軍事力量激烈競逐的大背景下，各國都在致力于建立起較為完善的反導(dǎo)系統(tǒng)。例如，美國海軍裝備的“宙斯盾”防空反導(dǎo)系統(tǒng)，具有反應(yīng)快、火力猛、抗干擾性強的特點，隨著該系統(tǒng)的進一步完善，未來從空中直接打擊海上目標的成功率將明顯降低。而目前所使用的水下武器主要是潛艇和魚雷，其隱蔽性高、機動性強、水下打擊能力強，被打擊對象受限于有效偵察手段和防御手段的缺乏，較難建立起完整的防御體系。

針對海洋環(huán)境偵察與防御的特點，兼具空中高速巡航和水下隱蔽突防能力的跨介質(zhì)飛航器將發(fā)揮多棲優(yōu)勢，實現(xiàn)對海上目標的有效打擊。其作戰(zhàn)特點為：具備遠程快速飛行能力，能夠快速抵達作戰(zhàn)區(qū)域，為躲避空中雷達偵察潛入至數(shù)十米水下進行低速潛航，而后伺機實施水下攻擊，或出水升空繼續(xù)飛行實施空中攻擊。

跨介質(zhì)飛航器的作戰(zhàn)特點對多種技術(shù)都提出了與傳統(tǒng)飛行器和潛水器迥異的要求，其中，跨介質(zhì)動力系統(tǒng)是支撐發(fā)展跨介質(zhì)飛航器的關(guān)鍵，但是空中動力與水下動力在工作原理與工作方式各具特點、差異較大，較難統(tǒng)一。因此，跨介質(zhì)動力技術(shù)已成為了制約跨介質(zhì)飛航器技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難點。

圖1 蘇聯(lián)飛行潛艇概念圖

跨介質(zhì)飛航器的發(fā)展

對于跨介質(zhì)飛航器，目前尚無統(tǒng)一的劃分標準，縱觀各國跨介質(zhì)飛航器的發(fā)展歷程（見表1），按照起飛質(zhì)量大致可劃分為：10t以下為小型飛航器，10～20t為中型，20t以上則為重型或大型。根據(jù)表1大致可以看出，已有的研究大都將重點放在了20t以上的大型武器平臺和10t以下的小型輔助武器兩個方向。

跨介質(zhì)飛航器大型武器平臺及動力概念方案由來已久

蘇聯(lián)在第二次世界大戰(zhàn)之前就提出了“飛行潛艇”計劃，并于1934年提出飛機和潛艇結(jié)合的武器裝備設(shè)計草案（如圖1所示），動力方案為：在空中采用3臺約為895kW（1200 hp）的發(fā)動機，能以200 km/h的速度飛行，最大飛行高度2500 m；水下靠蓄電池帶動螺旋槳電機航行，電機功率約為7.46kW（10 hp），航速僅為2～3 kn，活動距離最多不過9～10 km。該方案確定了飛機基本參數(shù)并制定了戰(zhàn)術(shù)指標，但基于當(dāng)時的技術(shù)條件，進入工程化研發(fā)的技術(shù)風(fēng)險大，同時由于二戰(zhàn)的爆發(fā)，蘇聯(lián)將精力更多地投入到技術(shù)風(fēng)險小、見效快的項目中，最終由于技術(shù)和政策的雙重影響，本項目未進入詳細設(shè)計階段。

表1 跨介質(zhì)飛航器及動力方案

20世紀70年代，美國提出了一種大型潛水飛機方案，用作戰(zhàn)略核武器的發(fā)射平臺，以達到機動、分散部署戰(zhàn)略核武器的目的。該潛水飛機具有機動性強、隱蔽性好等優(yōu)點，其構(gòu)型與大型水上飛機相似，機腹下有可收放的水翼，以縮短起飛距離，可攜帶2枚“北極星”A-3潛射戰(zhàn)略導(dǎo)彈。由于主要用作發(fā)射平臺，該方案并不強調(diào)水下航行能力，在水下只有有限的機動能力。在動力系統(tǒng)方面，飛行時采用普通的渦扇發(fā)動機，起飛質(zhì)量180t；潛航時使用斯特林發(fā)動機，可在水下停留5天。受美國調(diào)整整體核戰(zhàn)略的影響，該項目完成概念設(shè)計后便被擱置，并未進入研制階段。

2008年，美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）提出一種混合飛行平臺，旨在融合飛機的速度和航程、水面艦艇的游弋功能和潛艇的隱身能力?？罩酗w行由航空發(fā)動機驅(qū)動螺旋槳提供動力，水下潛航采用噴水推進，水下潛航時螺旋槳折疊。

上述的跨介質(zhì)飛航器均為大型的戰(zhàn)斗平臺，它們的動力方案基本是分開獨立的空中動力與水下動力的簡單組合，一體化的跨介質(zhì)動力方案仍屬空白。

跨介質(zhì)飛航器小型輔助武器動力蓬勃發(fā)展

美國提出將跨介質(zhì)能力與小型無人機結(jié)合形成潛射無人機。這種無人機通常沒有水下機動能力，由潛艇發(fā)射至水面附近，通過助推裝置升空后依靠空中動力執(zhí)行偵察或打擊任務(wù)。

20世紀90年代，美國率先開展了潛射無人機的研制?！昂Ｉ纤阉髡摺睘樽钤绲臐撋錈o人機；2003年，洛克希德-馬丁公司在DARPA的委托下開始研制“鸕鶿”潛射無人機（如圖2所示），它的動力方案是耗油率較低的渦扇發(fā)動機；2004年，美國海軍研究實驗室（NRL）開始研發(fā)基于燃料電池驅(qū)動的XFC潛射無人機（如圖3所示）。

前文已提及，水下潛射無人機通常沒有水下機動能力，它們的動力裝置僅支撐其空中飛行，主要原因是無人機的體積及質(zhì)量使得其無法承受兩套獨立的動力系統(tǒng)。如若此類無人機擁有一體化的跨介質(zhì)水空動力技術(shù)支撐，那么勢必會進一步增強其現(xiàn)有作戰(zhàn)能力，并衍生出新的作戰(zhàn)模式。

圖2 “鸕鶿”潛射無人機

圖3 XFC潛射無人機

跨介質(zhì)飛航器動力需求

根據(jù)上文可以看出，被關(guān)注較多的跨介質(zhì)大型飛行平臺和小型輔助武器都具有一定的局限性，而對介于兩者之間的中型跨介質(zhì)飛航器則研究較少，其動力系統(tǒng)研究也尚未展開。中型跨介質(zhì)飛航器的質(zhì)量在十幾噸量級，能夠在空中高亞聲速巡航，還可以在水下數(shù)十米的深度低速潛航，更加貼合跨介質(zhì)的作戰(zhàn)需求。以下針對中型跨介質(zhì)飛航器的動力需求，具體分析對其適用的空中動力和水下動力。

水下動力分析

水下推進分為電動力推進和熱動力推進兩種方式。電動力推進裝置主要由電池組、推進電機、控制系統(tǒng)、連接電纜、傳動裝置、推進器等組成。熱動力推進裝置由推進劑及能源儲存系統(tǒng)、能源供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動機、推進器等組成。兩種動力裝置的推進器一般均為螺旋槳或泵噴推進器。

水下動力能成功應(yīng)用的關(guān)鍵是比能量能夠達標。比能量是衡量動力系統(tǒng)特性的主要指標，指的是能源動力系統(tǒng)的單位質(zhì)量提供給推進器的能量。按照比能量，常見的水下熱動力和電動力可大致劃分為4個層級（見表2）。21世紀前，電動力推進在比能量上一直無法與熱動力推進相媲美。21世紀后，隨著鋁氧化銀等高能量密度電池的研制成功，電動力推進逐步走向應(yīng)用，在比能量方面已與熱動力系統(tǒng)水平相當(dāng)。

鉛酸電池是早期使用的可循環(huán)使用的充電電池，由于其能量密度過低（如圖4所示），已基本被淘汰。鋁氧化銀電池是能量密度較高的電池組，但需要配備復(fù)雜的電解液系統(tǒng)，其能量密度只達到了OTTO-II燃料的60%左右，但得益于電動力推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量相對較小的原因，基于鋁氧化銀電池的動力系統(tǒng)比能量與使用OTTO-II燃料的動力系統(tǒng)相比較高。能量密度和比能量更高的則是鋰離子電池裝置，然而在實際工程應(yīng)用中頻頻出現(xiàn)鋰電池?zé)崾Э乇▎栴}，其爆炸產(chǎn)生機理復(fù)雜，短時間難以解決。另外，需要指出的是，電動力系統(tǒng)基本不存在排放，所以不會受航行深度的影響，也不會產(chǎn)生航跡，而對于非封閉式的熱動力系統(tǒng)在這兩方面則有較大的限制。

綜上來看，在較小的潛深下，中比能量層級的熱動力形式是較為成熟的水下動力系統(tǒng)，具體形式為活塞機或渦輪機，需要配合螺旋槳或泵實現(xiàn)水下推進。

空中動力分析

在亞聲速的速域內(nèi)，空中動力技術(shù)主要聚焦于活塞發(fā)動機與燃氣渦輪發(fā)動機?；钊桨l(fā)動機經(jīng)濟性好、耗油率低，所適用的速域較低且功率較小，一般用作輕型飛行器的動力，難以符合中型飛航器的功率要求。燃氣渦輪發(fā)動機則有渦軸、渦槳、渦噴與渦扇等多種形式。其中，渦軸一般用作直升機的動力，限制了飛航器的構(gòu)型，渦槳適用的速域較低，渦噴與渦扇形式的空中動力較為符合中型跨介質(zhì)飛航器的動力要求。

中型跨介質(zhì)飛航器動力關(guān)鍵技術(shù)

通過以上討論，中型跨介質(zhì)飛航器較為合理的水下動力方案是燃氣渦輪或活塞式發(fā)動機，空中動力方案是渦噴或渦扇發(fā)動機。將兩者應(yīng)用在跨介質(zhì)飛航器上的常規(guī)做法是，采用分開且獨立的空中動力與水下動力的簡單組合形式（如圖5所示），但這種簡單的組合存在系統(tǒng)集成度差、結(jié)構(gòu)不緊湊、功能單一、質(zhì)量大等問題，難以發(fā)揮飛航器的作戰(zhàn)優(yōu)勢。

表2 動力系統(tǒng)按比能量分類

圖4 電池和熱動力燃料能量密度對比

與此同時，空中燃氣渦輪發(fā)動機和水下渦輪推進系統(tǒng)在燃燒室設(shè)計、渦輪設(shè)計和流路設(shè)計等方面具有相似性。伴隨著技術(shù)發(fā)展，兩種動力形式具有一定的功能和結(jié)構(gòu)融合設(shè)計潛力，將有利于提高動力系統(tǒng)的集成度、結(jié)構(gòu)緊湊度，從而減輕動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提升作戰(zhàn)效能。該動力系統(tǒng)將根據(jù)飛航器的出水、入水情況進行噴氣推進模式與噴水推進模式的切換，從而持續(xù)為跨介質(zhì)飛航器提供動力。

通過分析，空中動力和水下動力相融合所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾種。

適用于多環(huán)境介質(zhì)的動力系統(tǒng)總體構(gòu)型

在明確動力系統(tǒng)的功能需求、性能要求以及構(gòu)型限制的前提下，需要綜合考慮多種熱力循環(huán)的特點及熱力循環(huán)參數(shù)的協(xié)調(diào)，基于燃燒室、渦輪等關(guān)鍵部件的共用性，并結(jié)合模式切換對調(diào)節(jié)機構(gòu)的需求，構(gòu)建緊湊的空水流路布局，從而形成高度集成的跨介質(zhì)飛航器動力系統(tǒng)構(gòu)型。

適用于多種燃料的燃燒室技術(shù)

飛航器在空中飛行時，動力系統(tǒng)以航空煤油等作為能源。飛航器在水下潛航時，動力系統(tǒng)以水下推進劑作為能源。在不同介質(zhì)工作環(huán)境下，伴隨著動力輸出功率需求以及所使用燃料的變化，燃燒室的壓力、溫度以及工質(zhì)流量等工作條件均會存在較大變化，燃燒的組織形式也需要進行相應(yīng)調(diào)整。燃燒室須保證適用于多種燃料的工作特性。

寬范圍高效率工作的渦輪技術(shù)

水介質(zhì)的密度比空氣介質(zhì)大兩個數(shù)量級，黏度大一個數(shù)量級。結(jié)合環(huán)境介質(zhì)特性，基于跨介質(zhì)作戰(zhàn)需求，跨介質(zhì)飛航器在水下需要的動力輸出功率較空中小很多，動力系統(tǒng)工質(zhì)流量會在寬范圍內(nèi)變化，致使渦輪處于大范圍的變工況條件下工作。通過改變?nèi)~片安裝角的變幾何渦輪，作為調(diào)節(jié)和改善渦輪工作特性行之有效的措施，已成為葉輪機械方面的研究熱點，廣泛應(yīng)用于航空、船舶與石油化工等領(lǐng)域。與之前應(yīng)用的不同之處在于，跨介質(zhì)動力中渦輪工況變化范圍更寬，單純的變幾何渦輪技術(shù)可能難以實現(xiàn)，可在此基礎(chǔ)上輔以一定的氣動調(diào)節(jié)手段，例如在導(dǎo)葉喉部位置引入射流等。

動力系統(tǒng)模態(tài)轉(zhuǎn)化技術(shù)

跨介質(zhì)飛航器動力系統(tǒng)，可根據(jù)飛航器所處環(huán)境與作戰(zhàn)任務(wù)需求，對自身的工作模態(tài)進行自適應(yīng)調(diào)整。其工作模態(tài)有空中飛行、入水潛航、水下潛航和出水飛行等多種。模態(tài)之間的調(diào)整轉(zhuǎn)換對動力系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生較大沖擊。

首先，動力系統(tǒng)在內(nèi)部須通過各種調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)流路、燃料供應(yīng)、部件工作特性等調(diào)整，其中涉及復(fù)雜的容積效應(yīng)、機械慣性與熱慣性等均可影響到動力系統(tǒng)總體性能的安全過渡。

其次，動力系統(tǒng)在外部會受到外部工作介質(zhì)的影響，出入水時由于空氣、水兩種介質(zhì)物性急劇變化導(dǎo)致的力學(xué)沖擊和溫度沖擊也會干擾動力系統(tǒng)模態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。

圖5 空中動力與水下動力的簡單組合

結(jié)束語

中型跨介質(zhì)飛航器具有良好的應(yīng)用作戰(zhàn)潛力，有利于實現(xiàn)空海一體化作戰(zhàn)，其中跨介質(zhì)動力系統(tǒng)則是兼顧遠程飛行與水下潛行綜合作戰(zhàn)模式的根本支撐，也是需要被重點突破的瓶頸所在，而空中動力與水下動力從簡單相加向高度相融的跨越則是改善目前動力系統(tǒng)弊端的重要技術(shù)手段。