美國軍用航空動力的發(fā)展趨勢

郭 琦，周 軍

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

1 引言

2001年，美國國防部在《四年防務(wù)審查報告》中明確提出，新的防務(wù)戰(zhàn)略建立在基于能力模式進行防務(wù)規(guī)劃的思想之上，表明美軍施行了新的軍事變革，開始從基于敵對威脅的防御計劃逐步向基于敵對能力的防御計劃轉(zhuǎn)變。

此前基于敵對威脅的防御計劃是美國前國防部長佩里于1980年提出，其指導思想是針對蘇聯(lián)威脅而實施需求牽引，技術(shù)推動[1]。然而蘇聯(lián)和東歐發(fā)生劇變后，美國長期以蘇聯(lián)為作戰(zhàn)對象而發(fā)展的一些武器裝備，無法適應(yīng)冷戰(zhàn)后新時期的作戰(zhàn)需要。這種巨大變化引起美軍上下的廣泛關(guān)注和爭論，對需求牽引、技術(shù)推動這一指導思想產(chǎn)生了困惑，以能力牽引、技術(shù)推動的需求革命趁勢而起。

當作戰(zhàn)對象消失或出現(xiàn)重大調(diào)整時，原先基于此威脅所研制發(fā)展的武器裝備將失去針對性，這對于各國來說都是如此。美軍武器裝備發(fā)展指導思想的演變值得深思，其軍用推進技術(shù)的發(fā)展演變需認真研究。

2 美軍防御計劃模式

2.1 基于敵對威脅的防御計劃模式

基于敵對威脅的防御計劃又稱優(yōu)勢防御規(guī)劃，其基本思想是“需求牽引，技術(shù)推動”，即作戰(zhàn)需求是拉動武器裝備發(fā)展的原始動力，而科學技術(shù)則是武器裝備物化的推動力。其實質(zhì)是先針對具體作戰(zhàn)對象論證作戰(zhàn)需求，再從技術(shù)和裝備角度論證方案，通過滿足需求來提高武器裝備的綜合作戰(zhàn)效能。該指導思想的提出有其特定的歷史背景，是對二戰(zhàn)以后美軍武器裝備發(fā)展指導思想的總結(jié)。

2.2 基于敵對能力的防御計劃模式

基于敵對能力的防御計劃，是更加強調(diào)敵對方會以何種方式挑戰(zhàn)美國，而不特指敵對方是誰或可能在哪兒挑戰(zhàn)美國。它促使美國更加關(guān)注世界各國不斷增長的各種能力，著眼于把作戰(zhàn)能力同聯(lián)合作戰(zhàn)結(jié)合起來，并通過確定各種作戰(zhàn)能力的優(yōu)先順序，應(yīng)對各種層次的戰(zhàn)略挑戰(zhàn)。根據(jù)這種預(yù)想發(fā)展武器裝備，旨在發(fā)展和保持美國的航空、航天和信息優(yōu)勢，最終達到以不變應(yīng)萬變的效能，打造出既能國際反恐，又能打贏各種戰(zhàn)爭的全能美軍。美國空軍2020遠景規(guī)劃就是這種基于敵對能力防御計劃的實例。

美軍2020遠景報告展示了空軍的作戰(zhàn)概念。作戰(zhàn)任務(wù)包括：全球攻擊、本土安全、全球機動、全球持續(xù)打擊、對核攻擊的反應(yīng)、太空和C4ISR(指揮、控制、通訊、計算機、情報、監(jiān)視和偵察)以及靈活作戰(zhàn)支持。任務(wù)要求的能力是，指揮與控制、情報、監(jiān)視和偵察、兵力運用和兵力投放。這些能力轉(zhuǎn)化為2020年所需的推進技術(shù)見圖1。

圖1 推進研究目標Fig.1 Propulsion research goals

3 新防御戰(zhàn)略對航空推進能力的要求

2006年，美國空軍和國防部航空航天推進需求委員會在《美國空軍和國防部航空航天推進需求述評》[2]報告中，采用基于敵對能力的防御計劃模式，構(gòu)想了2020年四個不確定性的戰(zhàn)爭場景，并以此確定出四大推進技術(shù)挑戰(zhàn)：

(1)傳統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)。要求繼續(xù)改進燃氣渦輪發(fā)動機的推重比、油耗、壽命周期費用和耐久性等傳統(tǒng)技術(shù)性能指標。繼續(xù)改進這些指標有助于保持美國在燃氣渦輪發(fā)動機領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，并降低現(xiàn)役發(fā)動機的維修、保障和燃油費用。

(2)非常規(guī)技術(shù)挑戰(zhàn)。要求改進推進系統(tǒng)隱身性和生存性，適應(yīng)緊縮基地的要求(如要求短距和垂直起降)，大大改進燃油經(jīng)濟性以利于長時間巡邏。專門針對無人機系統(tǒng)研發(fā)的推進系統(tǒng)也在該領(lǐng)域扮演重要角色。

(3)災(zāi)難性技術(shù)挑戰(zhàn)。要求推進系統(tǒng)為飛行器提供高馬赫數(shù)能力，以反擊時間緊急的目標。用于遠程攻擊任務(wù)的推進系統(tǒng)必須保證有人飛機能以馬赫數(shù)(M)2～3.5的速度巡航。同時需要能以M4～16速度巡航的高超聲速飛行器對時間緊急的目標實施遠程打擊，或保護本土免受其攻擊。

(4)破壞性技術(shù)挑戰(zhàn)。要求推進系統(tǒng)為定向能武器或反擊定向能武器的裝置提供動力。需要熱和動力的集成管理、高吸熱燃料和大發(fā)電能力之類的推進系統(tǒng)來應(yīng)對這些威脅；也需要這些推進系統(tǒng)為小型自主網(wǎng)絡(luò)傳感器和武器系統(tǒng)提供動力。

這些挑戰(zhàn)要求美軍的推進系統(tǒng)能覆蓋M0～16的整個馬赫數(shù)范圍，即需要圖1中所示的5個方面的高速推進系統(tǒng)技術(shù)。

高速武器(如高速偵察機、高速轟炸機、空天飛機、高速巡航導彈等)航程遠、速度快、性能卓越，被軍事專家稱為繼螺旋槳、噴氣推進器之后航空史上的第三次革命性成果[3]。其飛行速度和高度大大超過現(xiàn)役飛機和巡航導彈，對未來的作戰(zhàn)方式必將產(chǎn)生極其深遠的影響。如以M4速度巡航的高速飛行器，能在9 h內(nèi)環(huán)繞地球一周，迅速打擊數(shù)千或上萬公里外的各類軍事目標，這大大拓展了戰(zhàn)場空間。另外，高速飛行器的飛行速度極高，使得防空系統(tǒng)的攔截概率因反應(yīng)時間太短而大幅下降，因而具有較高的突防成功率，可有效制約預(yù)警和防空武器系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮。如果將高速飛行器與隱身技術(shù)相結(jié)合，那么防空探測系統(tǒng)的應(yīng)急反應(yīng)時間會更短，攻擊系統(tǒng)的生存能力大大加強，更易奪取戰(zhàn)場主動權(quán)。作戰(zhàn)效能更高的高速武器不僅能通過熱輻射和定向能造成毀傷，而且能通過直接命中目標來破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。高速導彈的體積比一般導彈的體積要小許多，因此運輸機、戰(zhàn)斗機和轟炸機可大量裝載，作戰(zhàn)威力顯著增強。另外，高速偵察機也能在很短時間內(nèi)飛遍全球，對許多突發(fā)性很強的熱點地區(qū)均能做出快速反應(yīng)，具有很高的偵察和信息戰(zhàn)效能。

4 美軍面向2020年的推進技術(shù)研究

美國目前正在開展針對高速渦輪發(fā)動機、沖壓發(fā)動機(ramjet)、超燃沖壓發(fā)動機(scramjet)、脈沖爆震發(fā)動機(PDE)、火箭推進技術(shù)、組合循環(huán)發(fā)動機和極高效推進技術(shù)的一系列研究活動[4]。

4.1 NAI(美國空天)計劃

美國從2001年開始實施NAI計劃。高速和高超聲速研究是該計劃的三大研究領(lǐng)域之一，專門為一次性使用的武器系統(tǒng)(如導彈和攔截武器)以及遠程攻擊/偵察和吸氣式兩級入軌(TSTO)進入空間用的可重復使用系統(tǒng)提供軍事變革能力(圖2)。高速和高超聲速技術(shù)可應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)攻擊、洲際戰(zhàn)略攻擊、武器上升階段攔截和低成本進入太空等任務(wù)，使作戰(zhàn)能力大大增強。比如，超燃沖壓發(fā)動機是M4以上唯一可選的吸氣式動力裝置，能保證飛行器在2 h內(nèi)到達全球任何地方，在幾分鐘內(nèi)攻擊數(shù)百英里遠的時間緊急目標，具備足夠動能穿透堅固目標，像飛機一樣自由進入太空。2010年，美國X-51A飛機創(chuàng)造了用超燃沖壓發(fā)動機連續(xù)飛行100 s的飛行記錄。

圖2 美國空天計劃概要Fig.2 The national aerospace initiative taxonomy

高速和高超聲速研究涉及的發(fā)動機技術(shù)包括：高速渦輪發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機和組合循環(huán)發(fā)動機(圖3)。渦輪發(fā)動機適用于亞聲速和低中超聲速飛行器。采用更先進材料和更高效冷卻技術(shù)的高速渦輪發(fā)動機能使飛行器速度達到M4。一次性使用渦輪發(fā)動機能為高超聲速導彈提供高效推進能力。可重復使用高速渦輪發(fā)動機能作為渦輪基組合循環(huán)(TBCC)發(fā)動機的基本發(fā)動機。組合循環(huán)發(fā)動機是把渦輪發(fā)動機或火箭發(fā)動機與超燃沖壓發(fā)動機組合在一起。這些推進系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵部件技術(shù)包括：空氣引入、壓縮、燃燒、渦輪、排氣、推進劑、結(jié)構(gòu)與材料、循環(huán)一體化、控制系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和助推器。

圖3 高速和高超聲速飛行器推進技術(shù)研制方法Fig.3 High-speed/hypersonic propulsion technology development approach

4.2 RATTLRS(對時間緊急目標進行遠程攻擊的創(chuàng)新方法)計劃

美國海軍的RATTLRS計劃針對先進高速巡航導彈技術(shù)，開發(fā)高速、高度一體化的渦輪發(fā)動機推進系統(tǒng)。RATTLRS的航空器僅用渦輪發(fā)動機就能加速到M3。這種高速渦輪發(fā)動機技術(shù)也將用于渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機。

4.3 HiSTED(高速渦輪發(fā)動機驗證)計劃

美國空軍和國防預(yù)研局的HiSTED計劃，是開發(fā)驗證具備航空和航天推進能力的高速渦輪發(fā)動機技術(shù)。這種高馬赫數(shù)一次性使用渦輪發(fā)動機能在M4以上工作。它將有助于M4以上戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)的一次性使用推進系統(tǒng)的研制，以及高超聲速巡航飛行器和反應(yīng)式進入太空系統(tǒng)的可重復使用TBCC發(fā)動機的研制。

4.4 VAATE(多用途、經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機)計劃

美國空軍牽頭的VAATE計劃，開發(fā)可用于先進導彈的高速渦輪發(fā)動機或渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)，如高通流風扇，耐溫能力更強、壽命更長的渦輪以及進氣道和尾噴管一體化技術(shù)。VAATE計劃包括了支持RATTLRS和HiSTED計劃的先進發(fā)動機技術(shù)開發(fā)工作。第5節(jié)將對該計劃做重點闡述。

4.5 HyFly(高超聲速飛行)計劃

美國海軍和國防預(yù)研局2002年開始實施HyFly計劃，計劃針對以M6巡航進行全球攻擊的高速戰(zhàn)術(shù)攻擊武器，開發(fā)用火箭助推的沖壓和超燃沖壓(雙燃燒室)發(fā)動機。

4.6 HyTech(高超聲速技術(shù))計劃

美國空軍的HyTech計劃開發(fā)吸熱碳氫燃料冷卻的超燃沖壓發(fā)動機。

4.7 SED(超燃沖壓發(fā)動機驗證)計劃

美國空軍和國防預(yù)研局的SED計劃，是驗證HyTech計劃開發(fā)的吸熱碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機的生存能力。

4.8 高超聲速發(fā)動機技術(shù)驗證計劃

美國陸軍的高超聲速發(fā)動機技術(shù)驗證計劃，是研制飛行重量的超燃沖壓發(fā)動機并進行地面試驗。該發(fā)動機采用氫燃料，工作馬赫數(shù)在M10～12之間。圖4顯示了與上述高速和高超聲速推進研究計劃相關(guān)的推進技術(shù)開發(fā)路線圖。

4.9 脈沖爆震發(fā)動機研究計劃

目前主要研究純脈沖爆震發(fā)動機技術(shù)，和把脈沖爆震燃燒技術(shù)組合進渦輪發(fā)動機的混合脈沖爆震發(fā)動機技術(shù)。PDE最有可能用于M4以下的低成本導彈，而不是作為燃氣渦輪發(fā)動機或高速布雷頓循環(huán)發(fā)動機的替代裝置。

4.10 組合循環(huán)發(fā)動機研究計劃

組合循環(huán)發(fā)動機有三種形式：TBCC、RBCC(火箭基組合循環(huán))和T/RBCC(渦輪與火箭基組合循環(huán))發(fā)動機。TBCC涉及三大關(guān)鍵狀態(tài)：渦輪與沖壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換、沖壓與超燃沖壓(雙模)狀態(tài)轉(zhuǎn)換和高超聲速工作狀態(tài)。T/RBCC采用三噴氣式(TriJet)概念，即采用三組推進發(fā)動機(渦噴、火箭引射沖壓和雙模沖壓發(fā)動機)[5]。因為TBCC需要能達到M4的渦輪發(fā)動機，而目前還沒有，因此三噴氣式組合發(fā)動機是M4渦輪發(fā)動機技術(shù)成熟之前的一個理想替代方案，它用火箭推進器作為引射沖壓發(fā)動機。

5 美國高速渦輪發(fā)動機技術(shù)發(fā)展路線圖

VAATE計劃正在研究改變戰(zhàn)爭游戲規(guī)則的渦輪發(fā)動機創(chuàng)新概念，以適應(yīng)新軍事變革的挑戰(zhàn)。圖5展示了各種先進渦輪發(fā)動機概念所能支撐的作戰(zhàn)能力。比如，采用一次性使用高速渦輪發(fā)動機(①)作動力的巡航導彈能被所有轟炸機和戰(zhàn)斗機攜帶，除提供強大的防區(qū)外攻擊能力外，還能以超過M4的速度攻擊目標。同時s也是未來載人航天快速反應(yīng)系統(tǒng)的基本動力。自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(②)優(yōu)化了飛機整個飛行包線的性能。本質(zhì)上這種推進能力具有可變特性，在單一航空器上既能進行快速反應(yīng)的超聲速攻擊，又能進行持續(xù)亞聲速空中巡邏。這種推進概念對發(fā)電和熱管理有利。結(jié)構(gòu)緊湊的高效直接升力發(fā)動機(③)能使未來的大型運輸機具備短距起降和短距起飛/垂直降落能力，實現(xiàn)遠程、高亞聲速巡航的任務(wù)機動能力。

下面具體分析美國空軍5種2020遠景作戰(zhàn)概念分別需要上述哪種先進渦輪發(fā)動機技術(shù)的支持。

(1)全球攻擊任務(wù)

①大于M2速度巡航、低油耗、長壽命的渦輪發(fā)動機(有人遠程攻擊機)；

②大于M4的一次性使用渦輪發(fā)動機(遠程攻擊巡航導彈)；

③高效的推進一體化和安裝技術(shù)(飛發(fā)一體化技術(shù))；

④高超聲速巡航飛行器用的高馬赫數(shù)渦輪發(fā)動機(TBCC技術(shù))。

遠程攻擊是目前吸氣式推進技術(shù)最重要的一個應(yīng)用方向。遠程攻擊是指在任意時間、在任何地方、任何環(huán)境下，對任何目標迅速而持續(xù)地取得理想作戰(zhàn)效果的能力。遠程攻擊需要借助非常規(guī)吸氣式發(fā)動機的推進技術(shù)。用于遠程攻擊任務(wù)的推進系統(tǒng)，對于有人飛機，必須能使其以M2～3.5速度巡航；對于無人武器平臺，要采用M4的一次性使用渦輪發(fā)動機。

(2)全球持續(xù)打擊任務(wù)

①技術(shù)轉(zhuǎn)化到F-35的發(fā)動機中；

②生存力強的集成進氣道；

③下一代尾噴管技術(shù)；

④高性能無人作戰(zhàn)飛機推進系統(tǒng)；

⑤長航時、亞聲速武器的渦輪發(fā)動機。

(3)太空和C4ISR任務(wù)

①用作水平起降助推器的高馬赫數(shù)渦輪發(fā)動機；

②用于無人機的推進與動力一體化；

③用于高空長航時無人機的翼身融合高效渦輪發(fā)動機。

(4)全球機動任務(wù)

①結(jié)構(gòu)緊湊的直接升力推進系統(tǒng)；

②回收人員飛行器的推進系統(tǒng)；

③小型重油發(fā)動機(美國陸軍項目)；

④改進的渦輪發(fā)動機(美國陸軍項目)。

全球機動作戰(zhàn)要求穩(wěn)健而持續(xù)的空中補給和加油能力，以保證兵力部署、軍事作業(yè)和重新兵力部署。

(5)靈活作戰(zhàn)支持任務(wù)

①技術(shù)轉(zhuǎn)化到F100發(fā)動機中；

②技術(shù)轉(zhuǎn)化到F110發(fā)動機中；

③技術(shù)轉(zhuǎn)化到AE3007發(fā)動機中；

④技術(shù)轉(zhuǎn)化到F119發(fā)動機中；

⑤其它渦輪發(fā)動機的技術(shù)轉(zhuǎn)化機會。

在常規(guī)渦輪發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，通過不斷改進傳統(tǒng)軍用渦輪發(fā)動機性能指標，如推重比、油耗、壽命周期費用、耐久性等，實現(xiàn)新技術(shù)轉(zhuǎn)化。

6 結(jié)束語

美軍航空武器裝備基于敵對能力的發(fā)展戰(zhàn)略引領(lǐng)其航空動力技術(shù)的發(fā)展方向。可以預(yù)見，到2020年，空天一體戰(zhàn)、信息一體戰(zhàn)、全球作戰(zhàn)將成為現(xiàn)實。這些作戰(zhàn)概念要求發(fā)展高速渦輪發(fā)動機和高超聲速組合動力技術(shù)。美國已重點針對高速渦輪發(fā)動機、沖壓發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機、火箭發(fā)動機、組合循環(huán)發(fā)動機和極高效推進技術(shù)，廣泛開展了大量技術(shù)研究工作，并取得了重大技術(shù)進展。軍用航空動力技術(shù)正向高速和高效方向發(fā)展。

目前國內(nèi)空天動力研究、組合動力研究正成為熱門。超燃沖壓發(fā)動機是高超聲速領(lǐng)域唯一可選的吸氣式動力裝置，美國在該領(lǐng)域正走向成熟，我國應(yīng)積極開展超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)的研究。另外，也須高度重視高速(M2～4巡航)渦輪發(fā)動機技術(shù)的預(yù)研工作。高速渦輪發(fā)動機是未來一代以M2～3巡航的有人飛行器的動力，也是能以M4巡航的遠程攻擊巡航導彈的動力，更是高超聲速巡航飛行器用組合動力的渦輪基推進裝置。

[1]宋金峰.由“需求牽引，技術(shù)推動”到“基于能力的需求革命”[J].輕兵器，2007，30(11)：4.

[2]Committee on Air Force and Department of Defense Aerospace Propulsion Needs,National Research Council.A Review of United States Air Force and Department of Defense Aerospace Propulsion Needs[M].Washington：The National Academies Press，2006.

[3]李剛團，李繼保，周人治.渦輪-沖壓組合發(fā)動機技術(shù)發(fā)展淺析[J].燃氣渦輪試驗與研究，2006，19(2)：57—62.

[4]Richman M S，Kenyon J A，Sega R M.High Speed and Hypersonic Science and Technology[R].AIAA 2005-4099，2005.

[5]王巍巍，郭 琦，曾 軍，等.國外TBCC發(fā)動機發(fā)展研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2012，25(3)：58—62.