■ 王奉明 王永梅 / 中國(guó)航發(fā)研究院 張雷 蔡松冶 / 93128部隊(duì)

遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)均為重型轟炸機(jī)，主要用于深入敵后，對(duì)軍事基地、交通樞紐、經(jīng)濟(jì)和政治中心等戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)施轟炸，其起飛質(zhì)量多在200t以上、載彈量大于20t，航程達(dá)10000km以上，是一個(gè)國(guó)家航空軍事技術(shù)實(shí)力的重要體現(xiàn)，在軍事上的戰(zhàn)略地位不可替代。

由于技術(shù)門(mén)檻高、研制經(jīng)費(fèi)高以及與國(guó)家軍事需求結(jié)合緊密等特點(diǎn)，目前只有美國(guó)、俄羅斯擁有遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)。按照服役年代和技術(shù)水平，遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)一般被分為三代：第一代為20世紀(jì)50—60年代開(kāi)始服役的B-52和圖-95高亞聲速戰(zhàn)略轟炸機(jī)；第二代為20世紀(jì)70—80年代開(kāi)始服役的B-1B和圖-160可變后掠翼超聲速戰(zhàn)略轟炸機(jī)；第三代為20世紀(jì)90年代開(kāi)始服役的B-2高亞聲速隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)。

遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)動(dòng)力概況

美國(guó)的第一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)B-52為亞聲速常規(guī)布局轟炸機(jī)，研制初期安裝的是J57渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，1960年為增加航程和節(jié)省燃油，改為耗油率較低的TF33中等涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；第二代的B-1B為后掠翼超聲速轟炸機(jī)，考慮超聲速突防和兼顧航程要求，采用中等涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，配裝了涵道比為2的F101-GE-102發(fā)動(dòng)機(jī)；第三代的B-2為亞聲速飛翼布局隱身轟炸機(jī)，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)埋安裝，要求發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、迎風(fēng)面積小，因此選擇涵道比為0.8的小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，是在F110發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的。據(jù)資料表明，美國(guó)下一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)LRS-B為 “更加隱身、更加便宜、更加好用” 的亞聲速飛翼布局隱身飛機(jī)，經(jīng)初步分析，動(dòng)力裝置為在F-35飛機(jī)的F135發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上研制的。

圖1 美國(guó)的幾型遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)

圖2 蘇聯(lián)/俄羅斯兩型遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)

蘇聯(lián)/俄羅斯的第一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)圖-95為亞聲速常規(guī)布局轟炸機(jī)，采用TV-2渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)；第二代圖-160為后掠翼超聲速轟炸機(jī)，考慮超聲速突防和兼顧航程要求，采用中等涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，即涵道比為2的HK321發(fā)動(dòng)機(jī)。有資料表明，俄羅斯下一代轟炸機(jī)PAK-DA為亞聲速飛翼布局隱身飛機(jī)，估計(jì)載彈量24t、航程12000～15000km，其配套動(dòng)力裝置的起飛推力應(yīng)在117.68kN（12000kgf）以上。

表1 遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)及其動(dòng)力對(duì)比

B-2轟炸機(jī)動(dòng)力分析

B-2轟炸機(jī)的發(fā)展理念對(duì)后來(lái)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)的發(fā)展具有重要影響，其動(dòng)力的選型理念和發(fā)展理念也值得具體分析和借鑒。

B-2轟炸機(jī)采用的F118-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)是在F101-GE-100和F110-GE-100發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，貫徹低成本、低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的研制道路，并根據(jù)飛機(jī)需求調(diào)整低壓部件改進(jìn)而來(lái)。該發(fā)動(dòng)機(jī)于1982年進(jìn)行第一次臺(tái)架試車(chē)，1987年具備生產(chǎn)能力，1989年裝在B-2A飛機(jī)上進(jìn)行試飛，2002年完成了數(shù)控系統(tǒng)的高空臺(tái)試驗(yàn)。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)118發(fā)動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)與F110發(fā)動(dòng)機(jī)一致，但是推力有所增大，主要是因?yàn)椴扇∫韵聨讉€(gè)技術(shù)措施：一是增加了空氣流量，由122kg/s提高到131kg/s；二是增加了壓比，核心機(jī)壓比由9.5提高到11；三是增加了渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟龋?371℃提高到1427℃；四是通過(guò)去掉加力燃燒室，降低了流道內(nèi)的阻力，加力燃燒室冷態(tài)的總壓恢復(fù)系數(shù)為0.98左右，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率基本保持不變，推力增加0.5%。這些改變需要的就是通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律就能實(shí)現(xiàn)，無(wú)須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大改，符合美國(guó)一貫追求的低成本和低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)理念。

通過(guò)上述分析可知，F(xiàn)101發(fā)動(dòng)機(jī)為中等涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，具有耗油率低的特點(diǎn)，但是直徑較大；F110發(fā)動(dòng)機(jī)為中小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，耗油率相對(duì)較高，但是半徑較小（比F101發(fā)動(dòng)機(jī)小0.22m）。轟炸機(jī)追求大航程，要求耗油率要低，美國(guó)為何采用F110發(fā)動(dòng)機(jī)作為B-2 轟炸機(jī)動(dòng)力的改進(jìn)基礎(chǔ)，卻不采用耗油率更低的F101發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)？這主要是因?yàn)椋绹?guó)在發(fā)展遠(yuǎn)程轟炸機(jī)時(shí)，從系統(tǒng)的角度對(duì)B-2轟炸機(jī)的動(dòng)力選擇進(jìn)行了深入分析。

表2 三型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)最大直徑與飛機(jī)巡航升阻比關(guān)系

發(fā)動(dòng)機(jī)最大直徑對(duì)飛機(jī)升阻比的影響

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)埋安裝的飛機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大直徑越大，飛機(jī)迎風(fēng)面積就越大，飛機(jī)升阻比越低。從圖3中可以看出，對(duì)于某一特定的飛機(jī)氣動(dòng)布局，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最大直徑由1.3m增加到1.7m時(shí)，其巡航升阻比下降了約18%。根據(jù)布雷蓋航程公式，升阻比越小，航程越短。

發(fā)動(dòng)機(jī)最大直徑對(duì)飛機(jī)隱身特性的影響

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸對(duì)飛機(jī)的影響示意

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)埋安裝的隱身飛機(jī)，S形進(jìn)、排氣系統(tǒng)的長(zhǎng)度和體積正比于發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑。據(jù)研究，S形進(jìn)氣道和S形尾噴管長(zhǎng)度是其進(jìn)氣直徑的3～4倍時(shí)才具有較高的氣動(dòng)效率，擁有較大直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)與較小直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，進(jìn)行埋入式設(shè)計(jì)時(shí)，遮擋發(fā)動(dòng)機(jī)雷達(dá)反射的進(jìn)、排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度就越大，且飛機(jī)機(jī)體長(zhǎng)度將會(huì)更大、高度更高。除了隱身不易實(shí)現(xiàn)外，還會(huì)帶來(lái)采購(gòu)成本、燃油消耗增加等缺點(diǎn)。

對(duì)于某一特定飛機(jī)氣動(dòng)布局，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大直徑由1.5m增加到1.7m時(shí)，原始機(jī)體（不采取任何隱身措施）的前向雷達(dá)截面積（RCS）增大了33%。因此，包括B-2轟炸機(jī)在內(nèi)的大多數(shù)亞聲速隱身飛機(jī)通常采用戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)加力型。

通過(guò)飛機(jī)性能計(jì)算可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)直徑的變大雖然會(huì)帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增加，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)身變厚，引起飛行阻力的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加帶來(lái)的收益甚至?xí)蝻w行阻力的增加被完全抵消，B-2轟炸機(jī)選型時(shí)就是因?yàn)檫@個(gè)原因舍棄了F101發(fā)動(dòng)機(jī)。

新一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)及配套動(dòng)力

與前幾代相比，美國(guó)新一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)的發(fā)展模式有所突破。一種發(fā)展方向是吸取了B-2 轟炸機(jī)成本高、維修性差的教訓(xùn)，向著低成本、強(qiáng)隱身方向發(fā)展。據(jù)報(bào)道，美國(guó)空軍在2015年授予了諾斯羅普-格魯門(mén)（諾格）公司新一代遠(yuǎn)程轟炸機(jī)B-21（如圖5所示）的工程與制造發(fā)展（EMD）合同，這是美國(guó)在冷戰(zhàn)結(jié)束后發(fā)展的首型轟炸機(jī)。據(jù)分析，該機(jī)最大起飛質(zhì)量為68～80t，內(nèi)埋載彈量為5.5～9.1t，不進(jìn)行空中加油的作戰(zhàn)半徑為3900～4600km，這些參數(shù)低于現(xiàn)役的B-2轟炸機(jī)，但具有超隱身、作戰(zhàn)半徑和載彈量適中、武器配置靈活多樣、兼?zhèn)渑R空打擊和防區(qū)外打擊能力等優(yōu)勢(shì)。由于采用低成本技術(shù)，B-21造價(jià)相對(duì)低廉，預(yù)計(jì)采購(gòu)數(shù)量達(dá)到100架。B-21轟炸機(jī)預(yù)計(jì)在2021年年底首飛，2025年服役，可選動(dòng)力裝置包括基于F135發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和采用具有更高渦輪前溫度的組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

新一代遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)的另一個(gè)方向是向著高速化方向發(fā)展。2013年美國(guó)媒體披露了美國(guó)高超聲速“察打一體”飛機(jī)SR-72概念（如圖6所示），由洛克希德-馬?。羼R）公司的臭鼬工廠研發(fā)。SR-72作為SR-71偵察機(jī)的后繼機(jī)型，采用無(wú)人駕駛模式，飛行速度高達(dá)Ma6，可在1h內(nèi)飛抵全球任何戰(zhàn)略目標(biāo)，集情報(bào)收集、偵察、監(jiān)控、對(duì)地攻擊等多用途為一體。2017年，洛馬公司公布了SR-72的部分細(xì)節(jié)，動(dòng)力系統(tǒng)采用兩臺(tái)上下并聯(lián)式渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC），其中渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為低速段動(dòng)力可以使飛機(jī)從起飛加速至Ma3，而亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將完成剩余的加速任務(wù)。洛馬公司的計(jì)劃是先研制一款與F-22戰(zhàn)斗機(jī)尺寸相當(dāng)?shù)目s尺驗(yàn)證機(jī)（可能是有人駕駛）來(lái)驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)，計(jì)劃于2023年首飛。

圖5 美國(guó)新一代遠(yuǎn)程轟炸機(jī)B-21藝術(shù)渲染圖

圖6 SR-72高超聲速驗(yàn)證機(jī)采用并聯(lián)TBCC動(dòng)力

圖7 PAK DA遠(yuǎn)程轟炸機(jī)概念圖

俄羅斯新一代遠(yuǎn)程轟炸機(jī)發(fā)展朝著隱身、大航程和大載彈量方向發(fā)展。其新一代轟炸機(jī)PAK DA（如圖7所示）的研發(fā)由圖波列夫公司承擔(dān)，采用飛翼氣動(dòng)布局，亞聲速飛行，航程超過(guò)12000km，具有隱身、長(zhǎng)續(xù)航（可持續(xù)飛行30h）等特點(diǎn)。該項(xiàng)目2009年啟動(dòng)，試驗(yàn)驗(yàn)證樣機(jī)計(jì)劃2025年首飛，2028年投入使用。顯然這是一款與B-2類(lèi)似的遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)，所用發(fā)動(dòng)機(jī)據(jù)稱(chēng)是在NK-321基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，其總體技術(shù)水平相比美國(guó)的較低，但由于其涵道比大，燃油經(jīng)濟(jì)性具有一定優(yōu)勢(shì)，有助于航程的增加。

未來(lái)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)動(dòng)力發(fā)展評(píng)估

由于采購(gòu)、維修成本極高，遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)采購(gòu)數(shù)量非常有限，一旦進(jìn)入服役都會(huì)延續(xù)幾十年，一般不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)退役，造成遠(yuǎn)程轟炸機(jī)“幾代同堂”的現(xiàn)象發(fā)生，其配套動(dòng)力也是新老發(fā)動(dòng)機(jī)三代同堂。

未來(lái)10年內(nèi)發(fā)展的以亞/超聲速飛行的遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)動(dòng)力的發(fā)展仍將在成熟的常規(guī)中小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，而不會(huì)像當(dāng)年財(cái)大氣粗的美國(guó)軍方一樣專(zhuān)門(mén)為遠(yuǎn)程轟炸機(jī)開(kāi)發(fā)全新的發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，GE和普惠公司正在研發(fā)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)也是非常好的候選動(dòng)力，因?yàn)樗軒Ыo飛機(jī)不開(kāi)加力超聲速巡航、不同工況下燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、隱身等特性，將大大提升飛機(jī)性能。

無(wú)人/高超聲速組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是未來(lái)發(fā)展方向，雖然美、俄目前在研的遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)都是有人駕駛、亞/超聲速飛行，但隱身、火力圈外發(fā)射精確制導(dǎo)武器的高超聲速突防戰(zhàn)術(shù)正逐漸被接受，人們不再爭(zhēng)論遠(yuǎn)程轟炸機(jī)和戰(zhàn)略地地導(dǎo)彈孰輕孰重，反而因?yàn)楦叱賱?dòng)力越來(lái)越成熟而對(duì)發(fā)展空天遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)充滿(mǎn)熱情，可選的高超動(dòng)力包括TBCC、強(qiáng)預(yù)冷等組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。

結(jié)束語(yǔ)

從目前的現(xiàn)狀來(lái)看，擁有遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)的國(guó)家只有美國(guó)和俄羅斯，且三代轟炸機(jī)同時(shí)在役，未來(lái)新老發(fā)動(dòng)機(jī)三代同堂的現(xiàn)象將依然存在。以亞/超聲速飛行的遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)動(dòng)力在未來(lái)10年內(nèi)仍將在成熟的常規(guī)中小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。同時(shí)，隨著遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)朝著高速、隱身的方向迅速發(fā)展，無(wú)人化和以高超聲速組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的機(jī)型也是未來(lái)的重要發(fā)展方向。