臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器應(yīng)用發(fā)展研究

鐘玲玲

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引言

臨近空間(near space)又稱“近空間”、“近太空”或“亞軌道”，寬泛的定義為高度在20～100 km之間的空域[1]，該空域高于普通航空飛行器的最大高度而又低于軌道飛行器的最低高度，兼具航空航天的空間特點(diǎn)。臨近空間飛行器按飛行速度可分為低動(dòng)態(tài)和高動(dòng)態(tài)兩大類。臨近空間低動(dòng)態(tài)飛行器主要指飛行速度小于或接近聲速，能夠在臨近空間空域執(zhí)行特定任務(wù)的飛行器，主要包括超高空氣球、平流層飛艇、超高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)等。近幾十年來(lái)，以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家均投入大量人力物力發(fā)展臨近空間低動(dòng)態(tài)飛行器，制定了相應(yīng)的研究計(jì)劃，并取得了重大進(jìn)展。臨近空間低動(dòng)態(tài)飛行器的特點(diǎn)決定了其在情報(bào)收集、情報(bào)傳輸、快速反應(yīng)等方面具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值，成為當(dāng)今各主要軍事強(qiáng)國(guó)重點(diǎn)研究的熱點(diǎn)之一。臨近空間低動(dòng)態(tài)飛行器將作為軍用航空器和航天器的有效補(bǔ)充，成為未來(lái)聯(lián)合作戰(zhàn)中一支新的重要力量[2-5]。而以渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的臨近空間低動(dòng)態(tài)飛行器近年異軍突起，因其具有快速部署，大范圍任務(wù)覆蓋和高任務(wù)載荷能力而受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的關(guān)注，具有極高的軍事應(yīng)用價(jià)值[6]。

1 臨近空間飛行器的劃分

飛行高度和速度是臨近空間飛行器生存能力和載荷能力的關(guān)鍵因素，下面結(jié)合高度速度特性的分析，對(duì)臨近空間飛行器進(jìn)行分類。

根據(jù)大氣密度，大致可以將空間分為以下幾個(gè)范圍：

(1) 0～20 km

低空稠密大氣層，目前航空器主要飛行范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，飛行器利用空氣動(dòng)力可以作大過(guò)載的機(jī)動(dòng)飛行或長(zhǎng)時(shí)間留空待機(jī)。目前大部分的戰(zhàn)斗機(jī)和導(dǎo)彈的攻擊包線集中在這個(gè)范圍內(nèi)，飛行器的生存環(huán)境復(fù)雜。

(2) 20～35 km

氣動(dòng)力作用明顯，這個(gè)區(qū)間飛行器可以利用氣動(dòng)升力滯留，其飛行特性更偏向傳統(tǒng)航空的特點(diǎn)。這個(gè)區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間滯留的飛行器可分為低動(dòng)態(tài)和高動(dòng)態(tài)2種類型。

(3) 35～60 km

氣動(dòng)力作用不太明顯，這個(gè)區(qū)間飛行器無(wú)法利用氣動(dòng)升力滯留，其飛行軌跡更接近于彈道。

(4) 60～120 km

氣動(dòng)力作用較弱，基本是起干擾作用，這個(gè)區(qū)間飛行器的飛行軌跡基本就是彈道。

在高度>25 km，Ma<0.85時(shí)，升力系數(shù)在0.5～0.6 之間，根據(jù)表1所示的動(dòng)壓計(jì)算，飛行器翼載不大于70 kg/m2，顯然作戰(zhàn)平臺(tái)無(wú)法攜帶一定的作戰(zhàn)載荷長(zhǎng)時(shí)間留空。Ma>3.5時(shí)，升力系數(shù)為0.12～0.18，對(duì)應(yīng)翼載大于260 kg/m2，作戰(zhàn)平臺(tái)具有長(zhǎng)時(shí)間留空作戰(zhàn)能力。作戰(zhàn)飛行高度是生存力的關(guān)鍵之一，速度是關(guān)鍵之二。

由此可見，Ma<0.85的低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器，一般飛行高度在20～25 km之間。25 km以上是高動(dòng)態(tài)高超聲速臨近空間飛行器的飛行范圍。

2 低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器的能力特點(diǎn)

Ma<0.85的低動(dòng)態(tài)臨近空間飛行器根據(jù)動(dòng)力和能源形式的不同，又分為以下幾種。

低動(dòng)態(tài)的太陽(yáng)能飛行器[7]與飛艇[8]，飛行速度慢，不能快速部署到距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)區(qū)域，不能在有限的作戰(zhàn)時(shí)間內(nèi)完成大范圍區(qū)域的任務(wù)覆蓋。太陽(yáng)能飛行器有效載荷輕，功率小，不能裝載滿足作戰(zhàn)需求的高性能任務(wù)載荷。

表1 動(dòng)壓表Table 1 Velocity pressure table

高動(dòng)態(tài)飛行器飛行速度快，但留空時(shí)間短，不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)地在特定區(qū)域遂行作戰(zhàn)任務(wù)。轉(zhuǎn)彎半徑大，一旦飛過(guò)特定任務(wù)區(qū)域，較難進(jìn)行該區(qū)域的重新覆蓋。

臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器速度適中(600～700 km/h)，抗風(fēng)能力強(qiáng)，相對(duì)于飛艇和太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)受風(fēng)速和氣象條件約束小，可以達(dá)到全天候不同地理位置的有效部署。風(fēng)速隨高度層變化曲線如圖1所示(1 ft=0.304 8 m，1 kn=0.514 4 m/s)。與其他低動(dòng)態(tài)和高動(dòng)態(tài)的臨近空間飛行器相比，該平臺(tái)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器有效載荷質(zhì)量大(大于1 500 kg)，功率大(可達(dá)到100 kW以上)，航時(shí)長(zhǎng)(大于24 h)，轉(zhuǎn)彎半徑較小，任務(wù)重新規(guī)劃與部署調(diào)整能力較強(qiáng)(如表2所示)。

同時(shí)，因其相對(duì)于飛艇和太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)(不大于200 km/h)具有更大的飛行速度，渦扇動(dòng)力飛行器前出能力強(qiáng)，可以定點(diǎn)在防區(qū)周圍部署，也可以前出至作戰(zhàn)區(qū)域，與其他裝備形成作戰(zhàn)體系，成為機(jī)動(dòng)的信息節(jié)點(diǎn)。

3 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 美國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 U-2高空偵察機(jī)

在美國(guó)空軍的偵察機(jī)中，U-2飛機(jī)算的上是個(gè)“久經(jīng)考驗(yàn)的老兵”。雖然U-2偵察機(jī)秘密設(shè)計(jì)和研制于60年前，但年過(guò)半百仍在服役。直到2014年3月五角大樓提交了2015財(cái)年國(guó)防預(yù)算草案，決定全部退役U-2戰(zhàn)略偵察機(jī)，使用高空無(wú)人機(jī)取而代之，這標(biāo)志著一個(gè)時(shí)代的結(jié)束。

U-2在50余年的服役歷程中，有過(guò)多種改型，U-2A/C/R分別使用普拉特&惠特尼的PW-J57和PW-J75渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，U-2R使用通用電氣公司F118-101渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，F(xiàn)118-101渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是B-2 飛機(jī)F118-100發(fā)動(dòng)機(jī)改型，通過(guò)改進(jìn)渦扇部件，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)流量，增加了使用高度，拓寬了失速邊界，提高了工作效率，進(jìn)一步提升了U-2的巡航升限和巡航時(shí)間。

3.1.2 “全球鷹”無(wú)人機(jī)

“全球鷹”無(wú)人機(jī)(圖2)是美國(guó)諾斯羅普·格魯門公司研制的高空高速無(wú)人偵察機(jī),1994年開始研制，1998年3月樣機(jī)試飛，2001年春天通過(guò)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，11月就匆匆投入了對(duì)塔利班的軍事打擊行動(dòng)?！叭蝥棥币碚?5.4 m，長(zhǎng)13.5 m，高4.62 m，最大飛行速度644 km/h，最大飛行高度20 500 m，空重4 060 kg，最大起飛質(zhì)量11 622 kg。它身體龐大、雙翼直挺，翼展超過(guò)波音747飛機(jī)，球狀機(jī)頭將直徑達(dá)1.2 m的雷達(dá)天線隱藏了起來(lái)?！叭蝥棥睓C(jī)載燃料超過(guò)7 000 kg，占全機(jī)質(zhì)量的60%，可攜帶900 kg有效載荷。最大航程達(dá)25 945 km，自主飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)41 h，可以完成跨洲際飛行，可在距發(fā)射區(qū)5 500 km的目標(biāo)區(qū)上空停留24 h 進(jìn)行連續(xù)偵察監(jiān)視(U-2偵察機(jī)在目標(biāo)上空僅能停留10 h)。

羅·羅公司AE 3007H渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)(圖3)[9]具有高性能、低成本、低風(fēng)險(xiǎn)等特征，因而在1994年被“全球鷹”項(xiàng)目選中。該發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面標(biāo)準(zhǔn)天氣條件下能產(chǎn)生8 500 lb(3 855.6 kg)推力。聯(lián)邦航空局(FAA)早已鑒定了多種AE 3007發(fā)動(dòng)機(jī)的民用改型，這些發(fā)動(dòng)機(jī)已應(yīng)用在巴西航空工業(yè)公司EMB 145/140/135系列支線噴氣飛機(jī)和Cessna Citation X商務(wù)噴氣飛機(jī)上。AE3007H則受益于AE3007可靠性的極大提高，這是通過(guò)800多萬(wàn)飛行小時(shí)的聯(lián)合商務(wù)空運(yùn)獲得的。AE3007的主要部件已積累了很多的商務(wù)空運(yùn)經(jīng)驗(yàn)。AE3007H發(fā)動(dòng)機(jī)只有3個(gè)特有的部件：全權(quán)限數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)控制(FADEC)設(shè)備(雖然主要差別在于特殊用途軟件是開發(fā)自民用改型)、輔助回油泵、電子排氣控制閥。

3.1.3 白色騎士二號(hào)

2009年7月30日美國(guó)奧什科什報(bào)道維珍公司建造的“白色騎士二號(hào)”飛機(jī)(圖4，5)28日在美國(guó)威斯康星州奧什科什市世界最大的航空展上首次公開亮相。這種飛機(jī)是世界上最大的全合成材料飛機(jī)，維珍公司將用它把第1艘商業(yè)載人飛船“太空船2號(hào)”送上太空。在設(shè)計(jì)上，“白色騎士二號(hào)”的雙機(jī)身用于搭載進(jìn)行亞軌道飛行的太空船。2008年，“白色騎士二號(hào)”最大飛行高度達(dá)到21 300 m，駕駛艙位于右側(cè)機(jī)身。翼展為43 m，長(zhǎng)度24 m。有效載荷達(dá)到17 000 kg。

表2 臨近空間低動(dòng)態(tài)飛行器種類Table 2 Near space low dynamic aircrafts category

“白色騎士二號(hào)”采用4臺(tái)加拿大普拉特&惠特尼的PW308發(fā)動(dòng)機(jī)(圖6)，發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)推力30.69 kN，位于機(jī)身外側(cè)。

3.2 俄羅斯發(fā)展現(xiàn)狀

在俄羅斯，以殲擊機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)將后掠翼?yè)Q成大展弦比直機(jī)翼的方式研制出了第1架高空亞聲速飛機(jī)雅克-25B，氣動(dòng)性能接近U-2，然而在結(jié)構(gòu)質(zhì)量方面該飛機(jī)卻稍遜一籌。因而，燃油的有效載荷較低。在米亞西雪夫總設(shè)計(jì)師的領(lǐng)導(dǎo)下，研制出新型飛機(jī)M-17。它為雙梁式布局，用來(lái)對(duì)抗高空氣球，但續(xù)航時(shí)間短，只有2 h左右。在此基礎(chǔ)上，研制出了巡航時(shí)間增至6 h的M-55飛機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)增加至2臺(tái)。M-17和M-55飛機(jī)創(chuàng)造了達(dá)到最大高度、爬升時(shí)間和沿閉合圓飛行速度等幾項(xiàng)世紀(jì)記錄并且至今仍用于研究大氣現(xiàn)象、照相偵察和其他任務(wù)。圖7和圖8給出俄羅斯雅克-25，M-55 飛機(jī)與美國(guó)U-2，TR-1飛機(jī)之間的外形對(duì)比。表3給出了幾種機(jī)型之間的性能參數(shù)對(duì)比。

4 主要軍事應(yīng)用前景

臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器的主要軍事應(yīng)用需求[10-15]包括：

(1) 執(zhí)行通信中繼任務(wù)，還可實(shí)施戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視，包括登島及海上作戰(zhàn)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視，強(qiáng)敵介入時(shí)對(duì)其航空基地、海上目標(biāo)的跟蹤和監(jiān)視。

(2) 進(jìn)行邊境偵察，領(lǐng)海及專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)巡邏，熱點(diǎn)地區(qū)監(jiān)視，對(duì)我國(guó)周邊5 000 km范圍內(nèi)的國(guó)家地區(qū)陸上軍事電子目標(biāo)進(jìn)行常態(tài)化電子對(duì)抗偵察，獲取其部署、特征參數(shù)和使用方式等情報(bào)。

(3) 戰(zhàn)前準(zhǔn)備期間，實(shí)施各類戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)遠(yuǎn)距偵察，敏感海區(qū)監(jiān)視，電子情報(bào)偵收為作戰(zhàn)部隊(duì)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的目標(biāo)情報(bào)保障。

(4) 戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)行期間，承擔(dān)各波次打擊后目標(biāo)毀傷效果檢查；禁飛、禁航區(qū)的巡邏、監(jiān)視以及強(qiáng)敵介入時(shí)對(duì)其海上目標(biāo)的探測(cè)、定位等。

臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器的主要作戰(zhàn)樣式包括：

(1) 發(fā)射空間載荷

利用飛行高度高、續(xù)航時(shí)間久的優(yōu)點(diǎn)，在高威脅的戰(zhàn)區(qū)上空攜帶二級(jí)火箭或其他運(yùn)載器，機(jī)動(dòng)實(shí)時(shí)部署通信和間諜衛(wèi)星，類似美國(guó)“白色騎士二號(hào)”使用模式。滿足未來(lái)空天一體化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)“快速響應(yīng)” 的要求：24 h待機(jī)機(jī)動(dòng)發(fā)射。快速機(jī)動(dòng)部署戰(zhàn)術(shù)小衛(wèi)星，作為協(xié)同作戰(zhàn)的信息平臺(tái)和對(duì)敵偵察監(jiān)視平臺(tái)。同時(shí)，可作為民用太空旅游飛船的發(fā)射載機(jī)。

(2) 投放無(wú)人機(jī)等常規(guī)航空任務(wù)載荷

利用飛行高度高、載荷能力大的特點(diǎn)，將無(wú)人機(jī)或無(wú)人機(jī)機(jī)群攜帶至臨近空間，這些無(wú)人機(jī)在20 km 以上投放即使無(wú)動(dòng)力滑翔，航程也可以達(dá)到200 km以上，它們可以實(shí)施電子對(duì)抗偵察、各類戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)指示、各波次打擊后目標(biāo)毀傷效果檢查等。

(3) 臨近空間信息支援節(jié)點(diǎn)

未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)呈現(xiàn)出局部化、體系化、信息化、快速化的特點(diǎn)，在局部區(qū)域，多兵種多類型裝備快速協(xié)同作戰(zhàn)。這樣的條件下，提出了快速機(jī)動(dòng)、占領(lǐng)信息制高點(diǎn)、集預(yù)警探測(cè)和信息中繼于一身的信息支援節(jié)點(diǎn)的需求。而臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器恰恰具備飛行高度高、載荷大、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、留空時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以作為局部戰(zhàn)爭(zhēng)裝備組網(wǎng)的信息中繼節(jié)點(diǎn)，成為“臨近空間機(jī)動(dòng)衛(wèi)星”，完成偵察、接收、轉(zhuǎn)發(fā)信息。

表3 典型臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛機(jī)主要參數(shù)Table 3 Typical key parameters of near space low dynamic aircraft with turbofan engine

(4) 廣域搜索識(shí)別查證

臨近空間高空巡航，通視距離接近600 km，可在主要水面地面裝備防御火力圈外發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，大功率X波段雷達(dá)對(duì)海寬域搜索，巡航Ma數(shù)0.8，1 h覆蓋1 200 km×850 km范圍，24 h覆蓋2 448 km2。采用孔徑4 m×2 m P波段雷達(dá)，功耗126 kW，對(duì)F-35 探測(cè)距離250 km。搭載電子偵察與定向系統(tǒng)、多功能火控雷達(dá)和綜合光電探測(cè)系統(tǒng)。電子偵察與定向系統(tǒng)用于在敵水面艦艇沒有采用電磁輻射控制措施時(shí)遠(yuǎn)距探測(cè)和識(shí)別敵方艦艇對(duì)空搜索雷達(dá)信號(hào)，并進(jìn)行定向，引導(dǎo)飛機(jī)飛向疑似目標(biāo)所在區(qū)域。多功能火控雷達(dá)具備對(duì)海搜索、前斜視合成孔徑成像和目標(biāo)跟蹤功能，可在寬度600 km內(nèi)搜索大型水面艦艇，并在600 km距離上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，形成水面態(tài)勢(shì)圖。之后可使用前斜視合成孔徑成像功能對(duì)疑似目標(biāo)進(jìn)行成像和分辨，在距離200 km時(shí)分辨率達(dá)1 m以內(nèi)。綜合光電探測(cè)系統(tǒng)能力與用于遠(yuǎn)轟的綜合光電探測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)，具備遠(yuǎn)距探測(cè)和激光照射能力，可在150 km距離上探測(cè)艦艇目標(biāo)，識(shí)別距離110 km，激光照射距離達(dá)70 km。

(5) 前出襲擾偵察

利用高高度和激光自衛(wèi)武器等形式，前出至敵方基地周邊空域，對(duì)基地進(jìn)行襲擾偵察。具有長(zhǎng)航時(shí)、高高度的特點(diǎn)，可采用敵退我擾，敵起我退的襲擾式偵察作戰(zhàn)模式，對(duì)敵方出動(dòng)能力、電子信息等遂行常規(guī)偵察、電子偵收等任務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)目前在臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器研究領(lǐng)域面臨著裝備體系尚不完善、作戰(zhàn)對(duì)象尚不明確的復(fù)雜情況。面對(duì)此種情況，首先需要通過(guò)威脅分析，確立臨近空間低動(dòng)態(tài)渦扇動(dòng)力飛行器的作戰(zhàn)任務(wù)，根據(jù)臨近空間作戰(zhàn)環(huán)境特點(diǎn)，初步提煉典型特征，并根據(jù)作戰(zhàn)需求，通過(guò)流程仿真確立作戰(zhàn)模式。其次，應(yīng)努力突破大展弦比高升阻比結(jié)構(gòu)/載荷/氣彈綜合布局設(shè)計(jì)技術(shù)和臨近空間渦扇動(dòng)力設(shè)計(jì)技術(shù)，為臨近空間低動(dòng)態(tài)飛行器的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。