戰(zhàn)略轟炸機的動力裝置需求分析

■ 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)略轟炸機已經(jīng)進入到型號研制階段。在動力裝置的選擇上，兩國既有相同的側(cè)重點，也有結(jié)合自身情況的特殊考量。對上述情況進行探究，可為我國的戰(zhàn)略轟炸機的動力選擇提供一定的參考價值。

美國的新型戰(zhàn)略轟炸機項目可追溯到1999年，項目名稱從最初的B-3轟炸機到2018轟炸機、新一代轟炸機（NGB）、遠程打擊轟炸機（LRS-B），直至2015年10月被正式命名為B-21飛機（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

B-21飛機的基本要求是遠程、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飛機的詳細技術指標，但明確提出了三項基本設計要求： 一是可兼容現(xiàn)有機載武器，包括核武器；二是大航程； 三是單機價格限制在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）。

同樣，出于國家安全考慮，俄羅斯也啟動了新一代戰(zhàn)略轟炸機“遠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，正式披露了批準的方案設計和戰(zhàn)技指標，2015年5月轉(zhuǎn)入工程研制，預計2025—2026年飛機首飛。俄羅斯新型戰(zhàn)略轟炸機強調(diào)的是單機隱身突防、超遠航程和核常兼?zhèn)涞拇驌裟芰Α?/p>

對比美、俄戰(zhàn)略轟炸機，其主要技術特征幾乎一致：首先，在航程方面，俄羅斯提出了超遠航程，美國B-21飛機要求大航程，從B-21飛機的推測技術數(shù)據(jù)看，最大起飛重量減小，飛機最大載彈量也同步減小，然而飛機的載油量并未同步縮小，從一個側(cè)面印證了 “大航程”要求；其次，兩種飛機均要求核常兼?zhèn)洌@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調(diào)單機隱身突防，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飛機最大起飛重量達180 t，而B-21飛機的最大起飛重量據(jù)推測只有80 t，屬中型飛機；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調(diào)經(jīng)濟可承受性的特點。

美俄新型戰(zhàn)略轟炸機的動力選擇

B-21飛機的動力選擇

自從B-21飛機項目啟動以來，官方披露的消息較少，初步消息是選擇了普惠公司的發(fā)動機作為動力。據(jù)此，外界普遍認為，B-21飛機采用F135發(fā)動機（如圖3所示）改進型的可能較大。作此猜測的理由如下：B-21飛機最大起飛重量較小，采用兩臺F135推力級的發(fā)動機，按中間推力算，飛機推重比為0.313，可以滿足要求，不像B-2飛機必須采用4臺發(fā)動機；F135是F-35飛機的動力裝置，2006年首飛，目前已經(jīng)成熟，該型發(fā)動機推力大、推重比大、耗油率低，符合轟炸機一般不新研發(fā)動機、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)動機的技術方案。

當然，B-21飛機也可能采用自適應發(fā)動機。美國空軍研究實驗室（AFRL）預計，自適應通用發(fā)動機技術（ADVENT）計劃和自適應發(fā)動機技術開發(fā)（AETD）計劃研究的“可變循環(huán)推進系統(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%，使飛機的作戰(zhàn)半徑增加25%～30%，續(xù)航時間延長30%～40%，從而可以較好地滿足B-21飛機大航程的要求。

圖2 PAK-DA轟炸機虛擬圖

圖3 F135發(fā)動機

PAK-DA飛機的動力選擇

目前，俄羅斯的航空發(fā)動機新型號比較少，尤其是近年，經(jīng)濟持續(xù)低迷對發(fā)動機研制造成較大困難，因此PAK-DA飛機的發(fā)動機只能采用NK-32發(fā)動機（如圖4所示）的改進型。

圖4 NK-32發(fā)動機

NK-32發(fā)動機是圖-160遠程戰(zhàn)略轟炸機、圖-144重型超聲速客機和圖-22M中程超聲速戰(zhàn)略轟炸機的動力，由庫茲涅佐夫發(fā)動機試驗設計局于1977年研制。該發(fā)動機為三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，是當時世界上推力最大的渦扇發(fā)動機，也是世界上首批采用了雷達和紅外隱身技術的渦扇發(fā)動機之一。

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

作為比較，表1給出了世界主要轟炸機的技術參數(shù)，表2給出了幾型先進發(fā)動機的技術參數(shù)。

表1 世界主要戰(zhàn)略轟炸機的主要技術參數(shù)

表2 世界幾型先進發(fā)動機的主要技術參數(shù)

戰(zhàn)略轟炸機的動力裝置需求分析

和其他軍用飛機發(fā)動機相比，戰(zhàn)略轟炸機的發(fā)動機除強調(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，考慮飛機隱身要求，發(fā)動機需要內(nèi)裝，發(fā)動機的幾何尺寸要求更??；第三，也由于隱身要求，發(fā)動機噪聲要小，抗電磁干擾能力要強，紅外信號特征要弱；第四，考慮到飛翼飛機無垂尾，其操縱難度更大，對發(fā)動機的推力矢量和推力轉(zhuǎn)向要求更高，這在提高飛機操縱性的同時，也可以提高飛機生存力；第五，現(xiàn)代飛機強調(diào)低成本，發(fā)動機從生產(chǎn)到使用維修成本要更低。

大推重比和高可靠性

對于飛機設計而言，載重量永遠是不夠的。所有飛機，從民用到軍用，整個設計過程貫穿的一個主題就是減重。軍用飛機系統(tǒng)中，僅發(fā)動機系統(tǒng)就占到飛機使用空重的12.81%～26.13%，同樣推力級的發(fā)動機，推重比從6增加到8，意味著發(fā)動機的質(zhì)量減輕25%，自重小、推重比大的發(fā)動機就能實現(xiàn)飛機性能上的突破，也可以給其他機載系統(tǒng)留出更多的質(zhì)量空間。相比推重比，發(fā)動機可靠性的要求更強烈一些。一型可靠性高的發(fā)動機是飛機型號成功的保證?？煽啃圆粌H僅是一些指標，它的內(nèi)涵更加表現(xiàn)在以下方面：一是發(fā)動機要在各種惡劣工況下長時間穩(wěn)定可靠地工作；二是發(fā)動機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)動機系統(tǒng)使用的元器件可靠性篩選要更嚴一些，因小部件失效引起的發(fā)動機故障就會降低很多。先進發(fā)動機的可靠性非常高，除技術因素外，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)動機的零部件數(shù)量比F100-PW220發(fā)動機大約減少了40%，F(xiàn)119發(fā)動機的平均維修間隔（EFH）比F100-PW220發(fā)動機提高了62%，而F100-PW220發(fā)動機的EFH已經(jīng)達到了147h。目前，國產(chǎn)發(fā)動機的可靠性和壽命是一個難點，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)量是一個途徑。

低耗油率

低耗油率發(fā)動機對飛機航程和作戰(zhàn)半徑的提高是明顯的。例如，轟6飛機更換發(fā)動機后，耗油率由0.952 kg/（daN·h）降至0.7 kg/（daN·h），降幅達26.5%，飛機的航程大幅度提升。盡管現(xiàn)在可以空中加油來增加飛機的航程和作戰(zhàn)半徑，但戰(zhàn)略轟炸機的任務性質(zhì)決定了飛機本身需要較大的航程和作戰(zhàn)半徑，因此發(fā)動機的耗油率越低越好。近年來的技術進展表明，發(fā)動機的技術進步已經(jīng)成為提高飛機經(jīng)濟性或是轟炸機航程和作戰(zhàn)半徑的主要因素，普惠公司的戰(zhàn)斗機發(fā)動機的耗油率已經(jīng)由F100發(fā)動機的0.70級（單位為kg /（daN·h））降低到F119發(fā)動機的0.60級，而美國通用經(jīng)濟可承受先進渦輪發(fā)動機（VAATE）計劃的目標是在F119發(fā)動機的耗油率基礎上再降低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、視覺等其他信號特征隱身。涉及到發(fā)動機的主要有電磁隱身和紅外隱身，這兩方面和發(fā)動機系統(tǒng)的進氣道設計、噴管設計有關。現(xiàn)在流行采用S形進氣道、S形噴管，目的是為了減少雷達和紅外信號特征，其他形式的進氣口和排氣口設計也在探究之中。發(fā)動機本身如果能采用更多的隱身技術如三涵道技術、綜合熱管理技術和發(fā)動機的尾跡管理等，降低雷達和紅外信號特征，會較大程度地減輕飛機隱身設計的壓力。

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

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)向進行飛行和控制，完全或部分代替飛機操縱面,就可以取消飛機的外露部件，如垂尾、腹鰭和其他操縱面，這樣除能減少飛機雷達截面積（RCS）外，還可減輕整機質(zhì)量、增加內(nèi)部燃油空間、降低系統(tǒng)復雜性、提高敏捷性、降低全生命周期成本等。利用推力矢量控制時，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行飛機操縱，并且量值和方向易變, 可以增加飛機操縱裕度，提高飛機的生存力。美國曾在F-18飛機上進行過推力矢量飛行控制試驗，并且更進一步，曾有取消飛機所有操縱面，僅依靠推力矢量進行飛行控制的研究計劃。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轟炸機單價達到10億美元，并且有嚴格的維修保障要求。這些因素限制了其在海外的部署與作戰(zhàn)使用，也導致美國明確要求LRS-B的成本降低到5.5億美元以下。遠程轟炸機和任何軍機一樣，均強調(diào)低的制造成本和使用成本，提高經(jīng)濟可承受性，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)動機技術比較落后，短期內(nèi)難以研制成功戰(zhàn)略轟炸機所需的新一代高性能發(fā)動機，可以先用其他成熟發(fā)動機做適應性改進后配裝戰(zhàn)略轟炸機。同時，瞄準航空發(fā)動機的先進水平，參考世界發(fā)達國家的發(fā)動機研究計劃，如美國的綜合高性能渦輪發(fā)動機技術（IHPTET）計劃和VAATE計劃等，積極開展未來發(fā)動機技術的預研工作，在技術成熟基礎上開展新一代軍用航空發(fā)動機的研制，待新發(fā)動機研制成功后，進行轟炸機的換發(fā)工作，這未嘗不是一個好的選擇。