美國海軍艦載無人空中加油系統(tǒng)項目及動力

■ 李明/中國航發(fā)研究院

美國海軍MQ-25艦載無人空中加油系統(tǒng)項目終將花落誰家？是選用羅羅公司AE3007N渦扇發(fā)動機的波音公司，還是采用GE公司F404渦扇發(fā)動機的洛克希德-馬丁公司，亦或是采用普惠加拿大公司PW815渦扇發(fā)動機的通用原子公司？

美國海軍MQ-25“黃貂魚”艦載無人加油機項目的競爭已進(jìn)入重要時刻。4月5日，波音公司公布了參與競標(biāo)的樣機，并選用一臺羅羅公司的AE3007N渦扇發(fā)動機作為動力，推力為40kN。借此動力裝置，該樣機已完成跑道上的機動，用以模擬航母甲板上的滑行。4月9日，洛克希德-馬?。羼R）公司公布了競標(biāo)方案，其動力裝置選用GE公司的非加力型F404渦扇發(fā)動機，推力約為44kN。今年2月，通用原子公司公布了競標(biāo)方案，動力采用惠普加拿大公司的PW815渦扇發(fā)動機，推力為71kN，并于4月5日在MQ-25無人機的進(jìn)排氣模型上測試成功。自此，最終參選美國海軍“艦載無人空中加油系統(tǒng)”（CBARS）項目MQ-25原型機的三個方案及其動力裝置已全部揭開面紗。

美國海軍艦載固定翼無人機項目發(fā)展歷程

波音的MQ-25方案為F/A-18E加油想象圖

近20年來，美國海軍艦載固定翼無人機的預(yù)先發(fā)展進(jìn)行了多次調(diào)整，先后經(jīng)歷了海軍無人作戰(zhàn)飛機項目（UCAV-N）、聯(lián)合無人作戰(zhàn)系統(tǒng)項目（J-UCAS）、無人作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)驗證項目（UCAS-D）、艦載無人空中監(jiān)視與打擊項目（UCLASS）和艦載無人空中加油系統(tǒng)項目（CBARS）等五個發(fā)展階段。

海軍無人作戰(zhàn)飛機項目（UCAV-N）

2000年6月，美國海軍和美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）率先啟動艦載固定翼無人機的研制，即海軍無人作戰(zhàn)飛機項目，旨在驗證執(zhí)行監(jiān)視、打擊和壓制敵方防空任務(wù)能力，以及在航母上起降的技術(shù)可行性，2003年4月項目結(jié)束。期間參與競爭的方案有波音公司的X-46和諾斯羅普-格魯門（諾格）公司的X-47A，其中X-47A實現(xiàn)首飛。項目成功驗證了低速飛行品質(zhì)、飛行性能、模擬攔阻著艦等關(guān)鍵技術(shù)，驗證了海軍無人作戰(zhàn)飛機的可行性，降低了后續(xù)無人機發(fā)展項目的風(fēng)險。

聯(lián)合無人作戰(zhàn)系統(tǒng)項目（J-UCAS）

2003年10月，在DARPA領(lǐng)導(dǎo)下，美國空軍和海軍將各自的無人作戰(zhàn)飛機發(fā)展計劃整合為聯(lián)合無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，組織研發(fā)能同時滿足海軍和空軍的無人作戰(zhàn)飛機：不僅要成為縱深打擊平臺，而且還要成為大型長航時平臺，能攜帶各種重型武器；可同時執(zhí)行對敵防空壓制、電子攻擊、情報監(jiān)視偵察（ISR）以及精確打擊等多種任務(wù)。在該項目下，波音公司和諾格公司分別研制了各自的驗證機X-45C和X-47B。其中，X-45C類似于波音公司為空軍研發(fā)的X-45A，但體積更大、航程更遠(yuǎn)；X-47B則在X-47A的基礎(chǔ)上放大，并延長了機翼，改變了進(jìn)氣道和尾噴管形狀。

2006年2月，美國國防部決定空軍、海軍無人作戰(zhàn)飛機分型發(fā)展，聯(lián)合無人作戰(zhàn)系統(tǒng)項目被取消。在此期間，無人作戰(zhàn)飛機性能指標(biāo)有較大提升，對無人作戰(zhàn)飛機的使用模式、作戰(zhàn)效率、空中加油等技術(shù)也進(jìn)行了一定的研究和評估。

無人作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)驗證項目（UCAS-D）

無人作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)驗證的主要目的是驗證航母是否能安全、有效地使用無人作戰(zhàn)飛行器，以及驗證無人作戰(zhàn)飛行器是否能滿足美國海軍在遠(yuǎn)航、久航和生存能力方面的潛在需求。主要包括艦載起降過程、甲板處理及支持、空中加油、編隊飛行等。

2007年2月，美國海軍發(fā)布項目招標(biāo)書，諾格公司、波音公司憑借各自在J-UCAS項目中的技術(shù)儲備，分別推出競爭方案。波音公司的方案是X-45N，由X-45C放大改進(jìn)而來，但未擺脫其最初為高隱身攻擊任務(wù)而設(shè)計的影子；諾格公司則是X-47B，由于該無人機一開始就是為海軍需求設(shè)計，在續(xù)航時間和作戰(zhàn)半徑上均勝X-45N一籌，故贏得競標(biāo)，在后續(xù)試驗中完成了自主空中受油、航母起降、編隊飛行等任務(wù)。

艦載無人空中監(jiān)視與打擊項目（UCLASS）

在UCAS-D項目開展的同時，美國海軍于2010年3月向工業(yè)部門發(fā)布了信息需求和正式的信息征詢書（RFI），表示海軍將在10年內(nèi)研制艦載無人空中監(jiān)視和打擊（UCLASS）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由無人機、任務(wù)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)組成。其中，無人機除執(zhí)行持久的ISR和精確打擊能力外，還具備為其他飛機加油的能力，以保證航母打擊群和艦艇編隊能夠持續(xù)獲取所有維度戰(zhàn)場空間的態(tài)勢和信息，對其中最重要和最具威脅的目標(biāo)實施打擊。

2011年6月，通用原子公司、洛馬公司、諾格公司、波音公司分別獲得美國海軍資助，開展先期研究，包括作戰(zhàn)概念論證、可選方案分析以及相關(guān)技術(shù)成熟度和可行性分析等，以使海軍在項目進(jìn)入技術(shù)研發(fā)階段前能更好地了解各種設(shè)計的性能以及風(fēng)險。

洛馬公司采取了與RQ-170“哨兵”隱身無人偵察機類似的設(shè)計——“深海幽靈”（Sea Ghost），并充分利用RQ-170、F-35的成熟技術(shù)及經(jīng)驗；通用原子公司采用的是“海上復(fù)仇者”（Sea Avenger），由“捕食者-C”無人機衍生而來；諾格公司的方案是X-47B的衍生型；波音在前期X-45C的基礎(chǔ)上，提出“鬼怪鰩魚”（Phantom Ray），并完成了試飛。

然而，在項目推進(jìn)過程中，美國海軍、國會及部分專家對UCLASS無人機的主要用途存在分歧，就ISR、打擊、空中加油等任務(wù)能力一直存有爭論，項目最終特征不能確定，未能發(fā)布招標(biāo)書，沒有取得實質(zhì)性進(jìn)展。在2017財年的國防預(yù)算提案中，UCLASS項目被調(diào)整更名為“艦載空中加油系統(tǒng)”（CBARS）。

艦載空中加油系統(tǒng)項目（CBARS）

艦載空中加油系統(tǒng)項目包括航空部分、航母部分、控制系統(tǒng)及連接部分，計劃到2022財年累計投入約25億美元。航空部分即為無人機，旨在對其他航母艦載機提供自主空中加油服務(wù)，擁有部分ISR能力，同時有足夠的尺寸、電力和冷卻能力以攜帶海軍偵察雷達(dá)，但不強調(diào)隱身性能和作戰(zhàn)能力。計劃2018年8—10月授出工程與制造發(fā)展（EMD）階段合同，2023財年開始采購，總量最多72架，并于2025年左右形成初始作戰(zhàn)能力（IOC）。

MQ-25艦載空中無人加油系統(tǒng)競標(biāo)方案

2016年，美國海軍正式將CBARS無人機命名為MQ-25“黃貂魚”，并向諾格公司、洛馬公司、波音公司和通用原子公司四家競標(biāo)公司授出總價值2.5億美元技術(shù)成熟和風(fēng)險降低階段的合同，這四家公司同樣是此前UCLASS項目參與單位。

2017年10月，美國海軍向此四家公司發(fā)布MQ-25的最終需求建議書（RFP），要求在3個月內(nèi)提交競標(biāo)方案，隨后用6個月完成方案遴選，而后一過程通常需要18個月。RFP要求無人機能攜帶不少于6800kg燃油在距母艦920km外對4～6架艦載機實施空中加油作業(yè)。該需求將使接受加油的艦載機有能力進(jìn)行縱深打擊，或擴展航母編隊的防空警戒、截?fù)艉头礉搮^(qū)域。與F/A-18E/F搭檔，有望將其任務(wù)半徑從目前的725km延伸至1300km以上。對F-35C而言，作戰(zhàn)半徑能從1111km提高到1689km，成為作戰(zhàn)半徑最大的艦載機。

2018年4月，被普遍認(rèn)為最有實力的競爭者諾格公司退出競標(biāo)，據(jù)分析，應(yīng)該是其X-47B的設(shè)計與純加油機的要求不太符合，項目提供的經(jīng)費無法滿足研發(fā)和生產(chǎn)投入，存在“大材小用”“無利可圖”的問題。其余公司先后公布了各自的競標(biāo)方案。

通用原子公司采用了基于“海上復(fù)仇者”無人機的傳統(tǒng)“翼-身-尾”設(shè)計，包括傳統(tǒng)機身、機翼、V形尾翼、背負(fù)式進(jìn)氣道，隱身性能一般，但航程和載荷能力突出，同時預(yù)留了能力增長空間。

波音公司的方案采用大傾角V形尾翼、與機身平齊的背負(fù)式進(jìn)氣道、扁平化機身，一定程度上保留了其UCLASS方案“鬼怪鰩魚”的特點，具有一定隱身能力。與另外兩家不同，波音公司已經(jīng)制造了樣機，并開展了航母甲板的模擬測試、全尺寸發(fā)動機測試等大量首飛前的準(zhǔn)備工作。

洛馬公司延續(xù)了在UCLASS中的“深海幽靈”方案，采用無尾飛翼布局設(shè)計，選用橢圓形進(jìn)氣口和直列式發(fā)動機布局，該設(shè)計可容納大量燃油，具備較好的隱身性能，以及擴展ISR能力和打擊能力的空間。洛馬公司在其競標(biāo)宣傳片中特別展示了ISR和打擊能力。

洛克希德-馬丁公司概念方案甲板起降想象圖

三家的方案，基本都繼承了前期項目的成果，針對加油功能需求進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計，甚至直接將成熟部件拿來就用。例如，洛馬公司的方案就直接利用了70多個美軍投資項目的技術(shù)成果，以及洛馬公司其他內(nèi)部投資研發(fā)項目的成果，起降架直接來自F-35C。這樣可以盡量降低風(fēng)險，能夠快速形成裝備。

MQ-25艦載空中無人加油系統(tǒng)動力需求及競標(biāo)方案分析

動力需求分析

根據(jù)需求建議書，MQ-25無人機的關(guān)鍵性能參數(shù)只有兩個：艦機適配性和空中加油能力，并未強調(diào)隱身、偵察和打擊能力，與此同時，美國海軍希望能加快部署進(jìn)度，2020財年交付首架原型機，2025年形成任務(wù)能力。根據(jù)這些要求，無人機動力首先要推力大、油耗低，不強調(diào)隱身性能使得采用大涵道比渦扇發(fā)動機成為可能；為了控制項目的進(jìn)度和成本，所選用的動力一定是基本成熟的貨架產(chǎn)品，可供驗證機直接使用，這樣，自然就傾向于民用公務(wù)機或支線客機用發(fā)動機，可以解決安全性、維修性等一系列問題；而對于艦載適配性，可以后期根據(jù)需求進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，如艦載“三防”、抗大過載設(shè)計等。

波音公司采用的AE3007N發(fā)動機

AE3007由羅羅北美公司（前艾利遜公司）研制，1995年取得美國聯(lián)邦航空局（FAA）適航證，主要用于支線飛機和大中型公務(wù)機，已被“全球鷹”高空長航時無人機及其衍生型號選用，已交付逾3400臺，累計飛行超過7000萬小時。

AE3007發(fā)動機

波音公司選用該型發(fā)動機應(yīng)該是基于以下考慮：推力適中，30～40kN的推力范圍，可滿足飛機推力要求；低耗油率，由大涵道比保證；高可靠性，原為客機設(shè)計，已大量投入使用，安全可靠性基本不存在問題，后續(xù)的維修保障也很有優(yōu)勢。

通用原子公司采用的PW815發(fā)動機

該發(fā)動機是普惠加拿大公司最新研制的PW800系列中的一型，主要針對遠(yuǎn)程、高速公務(wù)機設(shè)計，是加拿大普惠公司迄今為止開發(fā)的推力最大的渦扇發(fā)動機。PW815在2012年首次運轉(zhuǎn)，2017年取得FAA適航證，被灣流公司的G600公務(wù)機選用。

作為新一代渦扇發(fā)動機，采用了單級整體葉盤風(fēng)扇、先進(jìn)燃燒室、全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)等新技術(shù)，以及鈦合金、復(fù)合材料等輕質(zhì)先進(jìn)材料。所以在燃油效率、污染排放和噪聲方面性能優(yōu)異，代表了普惠最先進(jìn)的環(huán)保設(shè)計技術(shù)。

PW815發(fā)動機

洛馬公司采用的F404發(fā)動機

F404是GE公司20世紀(jì)60年代研制的小涵道比加力式渦扇發(fā)動機，根據(jù)海軍經(jīng)驗要求設(shè)計，具有突出的可靠性和維修性，已在數(shù)十個國家的空海軍得到應(yīng)用，包括F/A-18、T-50教練機、F-117、“鷹獅”和“光輝”等飛機，裝配數(shù)量超過3750臺，還曾被波音公司選作X-45B/C無人作戰(zhàn)飛機動力。

基本上，該發(fā)動機主要作為戰(zhàn)斗機/攻擊機動力使用，而洛馬公司選其非加力型作為無人加油機動力，放棄了UCLASS方案采用的TFE731/TF34中大涵道比發(fā)動機，或許是基于與F/A-18艦載機動力通用性考慮，同時滿足無人機擴展打擊能力的需要。

動力方案對比分析

三型發(fā)動機性能參數(shù)對比如表1所示。在推力上，AE3007與F404基本一致，但都只能達(dá)到PW815的60%。與大涵道比的PW815、AE3007相比，F(xiàn)404非加力型耗油率要高出26%～60%，推重比則基本相當(dāng)。

相比而言，通用原子公司可以憑借PW815發(fā)動機的大推力、低耗油率，使其方案在航程或運載能力上占據(jù)絕對優(yōu)勢；AE3007的采用使得波音公司的方案能夠滿足海軍的基本需求，并具有一定隱身性能。而洛馬公司的動力選擇更傾向于隱身和機動性，高耗油率將影響其航程和載荷，同時由于使用F404發(fā)動機的F/A-18C/D即將結(jié)束航母部署，該機上艦后的維修通用性將會失去意義。

從三家的方案和動力選擇可發(fā)現(xiàn)：通用原子公司完全是針對當(dāng)前的加油要求設(shè)計，但大推力發(fā)動機也可使其具有一定ISR能力；波音公司則基本按照建議書的要求設(shè)計，具有可拓展ISR的能力，但空間有限；洛馬公司則主要針對未來作戰(zhàn)能力，順便滿足當(dāng)前加油功能。至于最后的中標(biāo)結(jié)果，還是取決于美國海軍對未來艦載無人機的真實規(guī)劃。

艦載無人機動力發(fā)展分析

能力需求和資源投入決定了無人機技術(shù)轉(zhuǎn)化的結(jié)果

針對全球軍事力量的迅速崛起，美國的應(yīng)對措施是：針對實時需求，迅速將技術(shù)轉(zhuǎn)化為武器裝備，形成戰(zhàn)斗力。考慮亞太再平衡戰(zhàn)略以及相關(guān)國家的反介入/區(qū)域拒止能力增強，美國海軍一直致力于推動無人作戰(zhàn)飛機上艦。但經(jīng)過前幾個驗證項目，無人機執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的能力尚不成熟，同時，鑒于經(jīng)費預(yù)算的掣肘，最終對艦載無人機的追求落腳到了加油機，實乃權(quán)宜之計。這樣，一方面將近20年技術(shù)積累迅速轉(zhuǎn)化成實際戰(zhàn)斗力，應(yīng)對需求；另一方面借此積累實際運行經(jīng)驗，便于在后續(xù)拓展應(yīng)用范圍。當(dāng)然，美國海軍不會就此止步，MQ-25只是一個階段性小結(jié)，后續(xù)的持續(xù)發(fā)展歸根結(jié)底是由任務(wù)需求決定的。

小批量快速采辦項目需要成熟貨架產(chǎn)品的支撐

MQ-25從發(fā)出工程與制造發(fā)展合同，到2021財年計劃首飛，最快只有3年時間，且采購數(shù)量最多只有72架，時間和體量上都不可能研發(fā)全新的發(fā)動機，這就決定了動力只能選擇比較成熟的貨架產(chǎn)品，進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)衍生。從幾家的選擇來看，都采用了保有量比較大的現(xiàn)有發(fā)動機、或者民用市場容量較大的機型。波音公司和洛馬公司的動力選擇顯而易見；而通用原子公司采用一型新發(fā)動機的原因，主要也是基于方案原型“海上復(fù)仇者”的發(fā)動機（PW545B）性能不足的考慮，需要一型高性能發(fā)動機滿足能力需求，而且PW815發(fā)動機也是采用大量成熟技術(shù)，已被市場認(rèn)可，基本不存在技術(shù)風(fēng)險。這也為小批量快速采辦項目指出了一條可行的途徑，但需要背后龐大的民用市場支撐，是軍民融合、寓軍于民的典范。

表1 性能參數(shù)

艦載無人機動力根據(jù)任務(wù)要求選用不同類型發(fā)動機

從UCLASS到MQ-25，動力系統(tǒng)無一例外地均選擇了渦扇發(fā)動機，可以看出渦扇發(fā)動機因其推力范圍廣、耗油率低、可隱身化處理、可高空高速使用等綜合性能較好，技術(shù)相對成熟、譜系較為完善的特點將成為中大型無人機動力的首選。但選用什么類型的發(fā)動機還要由無人機自身的任務(wù)需求決定，以執(zhí)行ISR和攻擊任務(wù)為主的UCLASS項目大都選用中小涵道比渦扇發(fā)動機；而以加油為首要目標(biāo)的MQ-25則更多選擇大涵道比渦扇發(fā)動機，因此，對于特定類型發(fā)動機的需求也不會一成不變，需要及時根據(jù)使用環(huán)境和能力體系變化做出應(yīng)對和調(diào)整。