從X-47B到MQ-25看無人機及其動力發(fā)展

■ 陳玉潔 周軍 / 中國航發(fā)渦輪院

近年來，美國海軍著力探索艦載無人機發(fā)展，經(jīng)過反復(fù)摸索與論證，最終呈現(xiàn)出由X-47B彈射起飛/攔阻著艦型無人機驗證機轉(zhuǎn)為MQ-25“黃貂魚”艦載無人加油機的發(fā)展路徑。根據(jù)無人機平臺任務(wù)的改變，其動力裝置也隨之進行了調(diào)整。

X-47B項目發(fā)展與變遷

2004年8月，諾斯羅普-格魯門（諾格）公司與美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）簽署了一份X-47B無人戰(zhàn)斗機研制合同，在“聯(lián)合無人作戰(zhàn)系統(tǒng)”（J-UCAS）項目下按照要求生產(chǎn)了3架X-47B，并對驗證機進行了飛行測試，以驗證隱身無尾布局無人機對航母環(huán)境的適應(yīng)能力，提升關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級。

2006年年底，美國海軍提出了“海軍無人作戰(zhàn)航空系統(tǒng)”（N-UCAS）計劃，欲將無人作戰(zhàn)飛機引入航母艦載機聯(lián)隊。

2007年2月，美國海軍發(fā)布了招標書，啟動了“無人作戰(zhàn)航空系統(tǒng)驗證機”（UCAS-D）計劃。

2007年8月，諾格公司憑借X-47B最終贏得競標，獲得美國海軍授予的一份為期6年的UCAS-D合同。

2011年2月，X-47B首 飛， 并于2012—2014年完成了多次航母彈射、著艦、觸艦復(fù)飛等高難度試驗，成為世界上第一款能夠從航空母艦上起飛并自行回落的隱身無人機。

2015年4月，X-47B成功進行自主空中加油，成為全球首架實現(xiàn)空中加油的無人機。

X-47B成為全球首架實現(xiàn)空中加油的無人機

X-47B研制里程碑

后續(xù)項目MQ-25啟動

2015年，X-47B實現(xiàn)了自主空中加油后，航母艦載無人機驗證項目也隨之結(jié)束。此后，美國海軍啟動了“艦載無人空中監(jiān)視和打擊”（UCLASS）項目，但項目要求與具體方案卻長時間難以確定。

由于美國國會和美國海軍對項目的發(fā)展定位不能達成一致，加上其他國家拒止能力的增強以及B-21遠程轟炸機項目的擠壓，UCLASS被迫調(diào)整為“艦載空中加油系統(tǒng)”(CBARS)項目，由此開始了MQ-25“黃貂魚”艦載空中無人加油機的研發(fā)。

2018年8月，波音、洛克希德-馬?。羼R）和通用原子等3家公司參與項目競標，波音成功勝出，獲得價值8.05億美元的MQ-25原型機的研制和試飛合同。

波音的MQ-25原型機

波音MQ-25在2019年9月19日實現(xiàn)首飛

MQ-25原型機采用機背式進氣道，扁平機頭的頂部配有3個空氣數(shù)據(jù)傳感器、下方裝有攝像頭，主起落架可收入機翼內(nèi)側(cè)的機體，機翼折疊后機體大小與F/A-18相當(dāng)，整體呈現(xiàn)翼身融合、菱形機身截面、V形尾翼、埋入式進氣口、矩形噴管等隱身設(shè)計特點。此外，MQ-25原型機機翼下設(shè)有加油吊艙掛架，可發(fā)射導(dǎo)彈或投擲炸彈，具有一定的空中打擊能力。2019年9月19日，MQ-25原型機在圣路易斯機場實現(xiàn)首飛，持續(xù)2h的首飛檢驗了MQ-25的飛行性能和地面控制站的遙控功能。

MQ-25無人機的關(guān)鍵性能為任務(wù)加油能力和艦機適配性，并未強調(diào)隱身打擊能力。此外，美國海軍要求在2020年交付首架原型機，在2025年形成任務(wù)能力，以加快部署進度。根據(jù)這些要求，波音公司為MQ-25無人機選擇了AE3007N發(fā)動機。AE3007由羅羅北美公司（前艾利遜公司）研制，主要用于支線飛機和大中型公務(wù)機，以及“全球鷹”高空長航時無人機，迄今已交付逾3400臺。AE3007N為渦扇發(fā)動機，推力范圍在30～40kN，推力適中；大涵道比，耗油率低；為民機設(shè)計，可靠性高；在維修保障方面，存在軍民通用性優(yōu)勢。

發(fā)展動因

美國海軍無人機研發(fā)項目由UCLASS轉(zhuǎn)為CBARS，由研發(fā)X-47B隱身無人轟炸機到研發(fā)MQ-25“黃貂魚”艦載加油無人機，不僅反映出美國海軍對無人機地位作用的認識在不斷深化、研發(fā)費用緊縮等因素，而且還包括以下動因。

外部動因

近年來，全球多國都在研發(fā)各種中程反艦彈道導(dǎo)彈，使航母的安全距離已經(jīng)大于3700km。這種情況下，只有增加現(xiàn)有艦載機的航程，才能使航母群在反艦彈道導(dǎo)彈打擊范圍之外完成各種空中打擊任務(wù)。也就是說，現(xiàn)代空中作戰(zhàn)的客觀環(huán)境，對空中加油機提出了迫切需求。

波音的MQ-25方案為F/A-18E加油想象圖

內(nèi)部需求

目前，美國海軍擁有的F/A-18E/F“超級大黃蜂”艦載戰(zhàn)斗機數(shù)量足夠，F(xiàn)-35C的部署也在逐步增加，正處于早期研制階段的F/A-XX六代機將具備有人/無人駕駛可選能力。此外，S-3“北歐海盜”艦載加油機退役后，F(xiàn)/A-18F不得不掛載副油箱和加油吊艙轉(zhuǎn)行執(zhí)行“伙伴加油任務(wù)”。因此，對于美國海軍艦載航空兵來說，現(xiàn)階段最需要的是艦載無人加油機，并不是高端艦載無人打擊飛機。

技術(shù)限制

目前的無人機要完成起飛降落、飛行控制、航線規(guī)劃和障礙規(guī)避等操作，需要接受操作員的控制指令，或者根據(jù)預(yù)先設(shè)定的任務(wù)程序進行，尚不能實現(xiàn)完全自主控制。作戰(zhàn)時，有人駕駛戰(zhàn)斗機飛行員的反應(yīng)時間約為200ms，除去數(shù)據(jù)鏈的傳輸時間，無人機的地面控制員要在更短的時間內(nèi)感知戰(zhàn)場態(tài)勢并發(fā)出相應(yīng)指令相當(dāng)困難，使得遂行空戰(zhàn)任務(wù)的無人機無法對有人戰(zhàn)斗機形成優(yōu)勢，致使美國海軍退而求其次，降低任務(wù)要求，選擇在X-47B項目的技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)以空中加油為主、監(jiān)視偵察為輔的MQ-25。

動力裝置上，X-47B采用了普惠公司的F100-PW-220U發(fā)動機，該發(fā)動機的原型機是20世紀80年代初期為F-15戰(zhàn)斗機研發(fā)的F100-PW-100，是一臺技術(shù)并不十分先進的發(fā)動機。美國海軍未來的無人作戰(zhàn)飛機對推進系統(tǒng)提出的要求越來越高，而此型老舊的發(fā)動機已經(jīng)無法滿足，而且F100系列發(fā)動機從未在美國海軍大規(guī)模服役，這對于裝備的后勤保障來說也是不可取的。

動力發(fā)展途徑

美國在《無人機系統(tǒng)路線圖（2005—2030）》中指出：“推進技術(shù)和處理器技術(shù)是無人機的兩大關(guān)鍵技術(shù)”，由此可見動力技術(shù)的發(fā)展對無人機系統(tǒng)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。無人機動力裝置的發(fā)展主要有3個途徑：在現(xiàn)有發(fā)動機基礎(chǔ)上改型；根據(jù)設(shè)計要求研制全新的傳統(tǒng)構(gòu)型發(fā)動機；研制全新構(gòu)型的動力裝置。無論是X-47B配裝的F100-PW-220U，還是MQ-25配裝的AE3007N，二者都屬于現(xiàn)役發(fā)動機的改進改型。

改進改型

出于對無人機系統(tǒng)平臺低成本和高可靠性的考慮，當(dāng)前的動力多來源于中程公務(wù)機、輕型戰(zhàn)斗機等配裝的成熟型號，主要是依據(jù)無人機平臺的作戰(zhàn)任務(wù)、飛行包線及適用環(huán)境等的不同，對成熟型號進行適應(yīng)性改進。X-47B的動力裝置F100-PW-220U就是F100-PW-220渦扇發(fā)動機的改型。為了適應(yīng)X-47B對動力裝置的要求，它在基準型的基礎(chǔ)上取消了加力燃燒室，并采用環(huán)繞的S形噴管取代全狀態(tài)可調(diào)噴管，從而使發(fā)動機結(jié)構(gòu)更加緊湊，紅外信號最少，加強了飛機的隱身性。另外，還通過采取降低渦輪冷卻空氣流量和提高工作溫度等手段使F100-PW-220U改進型在最大狀態(tài)下的推力提高了10%。

AE3007發(fā)動機剖面圖

齒輪傳動風(fēng)扇（GTF）技術(shù)原本是為民用飛機開發(fā)的，目前普惠公司正在探索將其衍生型應(yīng)用到無人機系統(tǒng)中，使無人機具備良好的續(xù)航能力。據(jù)普惠公司稱，如果美國海軍UCAS-D計劃采用GTF技術(shù)，其航程將比采用F100-PW-220U的增加10%～20%。

研制全新的發(fā)動機型號

隨著無人機平臺不斷發(fā)展，其對推進系統(tǒng)提出的要求越來越多，而在現(xiàn)役發(fā)動機不能有效滿足無人機任務(wù)需求時，就需要研制全新的發(fā)動機型號。GE公司認為，對未來無人作戰(zhàn)飛機所需的渦扇發(fā)動機而言，現(xiàn)有的軍用發(fā)動機涵道比太小，而民用發(fā)動機的風(fēng)扇直徑太大。尺寸太大會增加額外的質(zhì)量、成本和雷達/紅外信號，而尺寸太小又使飛機持續(xù)飛行時間太短、任務(wù)載荷少。為此，GE公司計劃研制新的先進發(fā)動機，將小尺寸核心機和適當(dāng)直徑的風(fēng)扇結(jié)合起來，研制出可滿足需求的具有較高涵道比的發(fā)動機，但是單獨為無人機研制一個新的發(fā)動機型號需要較高的成本和較長的研制周期。

新型動力、兼顧發(fā)展

未來的無人機平臺將向高空高速、臨近空間超高聲速方向發(fā)展，傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機已經(jīng)難以適應(yīng)，這就需要研制新型動力裝置。美國已經(jīng)有了新研制高端無人機發(fā)動機的苗頭，近年來制訂了多個計劃發(fā)展自適應(yīng)變循環(huán)渦扇發(fā)動機，已經(jīng)研制出驗證機型號有XA100和XA101，將會在近期進行試驗驗證。這種發(fā)動機是根據(jù)未來“忠誠僚機”戰(zhàn)法思路發(fā)展，有可能發(fā)展成為美國下一代空中優(yōu)勢或穿透性制空有人和無人戰(zhàn)斗機的動力裝置。2019年2月，GE公司宣布XA100的詳細設(shè)計已經(jīng)完成。發(fā)動機的航程可增加35%，滯空時間延長50%。若能應(yīng)用到F-35C上，可以增加780km的航程。

無人機動力裝置的發(fā)展路線選擇須考慮許多因素，例如，采購數(shù)量、成本、用途和任務(wù)類型，以及所期望的平臺能力。無人機發(fā)動機的性能、成本以及采購數(shù)量在很大程度上決定了發(fā)動機是采取全新研制、還是改型的發(fā)展途徑。如果無人機的性能主要取決于配裝的發(fā)動機，而且采購數(shù)量相當(dāng)大，那么比較適宜全新研制發(fā)動機。不然，則適合在現(xiàn)有發(fā)動機基礎(chǔ)上改型。當(dāng)然，還有其他一些影響因素，例如，適配的發(fā)動機的推力量級、耗油率等。所以，綜合考慮各方面因素，X-47B和MQ-25都采用了現(xiàn)役發(fā)動機的改型。

結(jié)束語

基于X-47B項目的發(fā)展、終止和后續(xù)調(diào)整，對于無人機及其動力發(fā)展有很好的借鑒意義，尤其需要重點關(guān)注以下幾個方面。

無人化是未來戰(zhàn)爭的一大發(fā)展趨勢，無人作戰(zhàn)飛機的發(fā)展路線應(yīng)該根據(jù)作戰(zhàn)需求來確定和調(diào)整。X-47B項目從攻擊機到加油機的轉(zhuǎn)變，正是針對軍事需求的變化而不斷調(diào)整的結(jié)果。我國無人作戰(zhàn)飛機的發(fā)展，也要從軍事斗爭準備的實際出發(fā)，明確軍事需求，并能根據(jù)戰(zhàn)爭模式的預(yù)判而靈活調(diào)整，牽引裝備技術(shù)的發(fā)展方向。

無人機動力發(fā)展路線的選擇是一個綜合性問題，要在需求、性能、成本之間折衷。在技術(shù)驗證機階段通?？紤]用新機加貨架發(fā)動機或改型發(fā)動機的組合進行發(fā)展，這樣可以大大縮減成本和研制周期，有利于無人機技術(shù)的快速發(fā)展迭代。但是，既有型號發(fā)動機或經(jīng)適度改進的發(fā)動機仍然與無人機及任務(wù)需求的匹配有一定偏差，而單獨為無人機發(fā)展新型發(fā)動機的成本又太高，可在有人機動力發(fā)展中同時兼顧無人機動力的需求。

從無人機動力的選型上來看，從X-47B到MQ-25都選擇了渦扇發(fā)動機。因綜合性能較好、技術(shù)相對成熟，渦扇發(fā)動機將成為中大型無人機動力的首選。但具體選用什么性能的發(fā)動機應(yīng)取決于無人機自身的任務(wù)需求，例如，X-47B以執(zhí)行情報、監(jiān)視與偵察（ISR）和攻擊任務(wù)為主，所以選用了中小涵道比渦扇發(fā)動機F100-PW-220U；而MQ-25以加油為首要任務(wù)，則選擇了大涵道比渦扇發(fā)動機AE3007N。

從長遠來看，無人機智能技術(shù)在不斷發(fā)展，任務(wù)自主性不斷提高，屆時無人戰(zhàn)斗機、無人轟炸機、無人運輸機、無人加油機等各型機種都將不斷涌現(xiàn)。因此，要將目光放長遠，堅持動力先行的原則，積極開展無人機發(fā)動機的預(yù)先研究和自主創(chuàng)新工作，完善無人機動力系統(tǒng)譜系，為適應(yīng)未來無人化作戰(zhàn)場景打下堅實的基礎(chǔ)。