美軍RQ-180隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)選型分析

張偉

中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司

本文闡述美軍秘密研制的RQ-180隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)的研制背景及特性，分析與RQ-180無(wú)人機(jī)相匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求、推力選擇及發(fā)動(dòng)機(jī)選型，介紹RQ-180無(wú)人機(jī)配置的CF34發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，提出“軍民融合”開(kāi)發(fā)新思路，為我國(guó)高空長(zhǎng)航時(shí)隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供參考。

美國(guó)2021年5月宣布，未來(lái)1 ～2年，21架“全球鷹”無(wú)人機(jī)和3架由“全球鷹”改裝的EQ-4B通信中繼無(wú)人機(jī)將全部退役，21架“全球鷹”無(wú)人機(jī)將由一種具備組合作戰(zhàn)能力的“滲透型”無(wú)人機(jī)平臺(tái)替代。該平臺(tái)是美軍秘密研制并已服役,集情報(bào)、監(jiān)視和偵察(ISR)于一體的高空長(zhǎng)航時(shí)RQ-180隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)，將提升美軍戰(zhàn)略偵察能力。

研制背景

1998年，美國(guó)空軍具有“滲透性”戰(zhàn)略偵察能力的SR-71“黑鳥(niǎo)”超聲速隱身無(wú)人機(jī)退役。

2003年，為研制一種能同時(shí)滿足空軍和海軍不同作戰(zhàn)需求的無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)，美國(guó)國(guó)防部將其空軍、海軍的“無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)”（UCAV）計(jì)劃合并為“聯(lián)合無(wú)人空戰(zhàn)系統(tǒng)”(J-UCAS)項(xiàng)目。

2005年，因美國(guó)空軍和海軍無(wú)人機(jī)的性能和作戰(zhàn)需求存在較大差異，最終導(dǎo)致“聯(lián)合無(wú)人空戰(zhàn)系統(tǒng)”項(xiàng)目分解為空軍的秘密項(xiàng)目和海軍X-47B無(wú)人機(jī)項(xiàng)目。

2019年6月，美國(guó)空軍1架“全球鷹”無(wú)人機(jī)在伊朗霍爾木茲海峽上空被擊落；2019年9月，美國(guó)海軍1架“海神”無(wú)人機(jī)被伊朗防空導(dǎo)彈擊落。實(shí)戰(zhàn)證明，不具有隱身性的“全球鷹”和“海神”無(wú)人機(jī)滲入敵方縱深進(jìn)行秘密偵察，將遭受毀滅性打擊。無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)環(huán)境正從“寬松”向“拒止”對(duì)抗環(huán)境轉(zhuǎn)變，美國(guó)軍方迫切須要一型適應(yīng)未來(lái)強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境，且具備隱身性的高空長(zhǎng)航時(shí)戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)。

與美國(guó)海軍發(fā)展的X-47B無(wú)人機(jī)相比，美國(guó)空軍更希望得到一種隱身性好、實(shí)用升限更高、航程更遠(yuǎn)的大型“全球打擊平臺(tái)”。2008年，美國(guó)空軍全面評(píng)估了諾斯羅普-格魯門(mén)公司（下稱諾格公司）基于X-47B提出的、具有更大翼展面積的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方案，在與“全球鷹”無(wú)人機(jī)進(jìn)行對(duì)比和分析后，決定將RQ-180無(wú)人機(jī)合同授予諾格公司。2009年，諾格公司RQ-180無(wú)人機(jī)研制工作全面啟動(dòng)。2010年8月，首架1號(hào)原型機(jī)首飛成功。2011年1月—2013年7月，2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)原型機(jī)開(kāi)展了不同試飛任務(wù)。2014年2月，在美國(guó)空軍要求下，5號(hào)原型機(jī)完成首飛后轉(zhuǎn)場(chǎng)美國(guó)空軍基地進(jìn)行測(cè)試。2014年9月—2015年11月，6號(hào)和7號(hào)原型機(jī)在美國(guó)空軍基地完成各項(xiàng)飛行指標(biāo)測(cè)試。2015年12月，諾格公司開(kāi)始小批量生產(chǎn)RQ-180無(wú)人機(jī)。2017年，RQ-180無(wú)人機(jī)正式進(jìn)入美國(guó)空軍部隊(duì)服役。

無(wú)人機(jī)的特性

高空長(zhǎng)航時(shí)

RQ-180無(wú)人機(jī)沒(méi)有垂直尾翼和水平尾翼，減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了載油重量，降低了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的燃油消耗,該無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間超過(guò)24小時(shí)。

高隱身性

RQ-180無(wú)人機(jī)腹部為白色，其機(jī)身和機(jī)翼涂覆了新型隱身涂料，平滑的機(jī)體蒙皮表面降低了雷達(dá)波反射效應(yīng)，擁有較小的雷達(dá)截面積，減少了敵方雷達(dá)探測(cè)帶來(lái)的威脅。機(jī)身內(nèi)并排安裝有兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用內(nèi)埋式尾噴管，可降低紅外特征指標(biāo)，提高隱身性能。

“滲透性”偵察能力

RQ-180無(wú)人機(jī)在執(zhí)行電子戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，可“穿透”嚴(yán)密的敵防空網(wǎng)，在敵后方空域進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間偵察。該機(jī)掛裝了有源相控陣?yán)走_(dá)和無(wú)源電子偵察系統(tǒng)，其電子情報(bào)偵察（ELINT）系統(tǒng)集成了地面移動(dòng)目標(biāo)指示器（GMTI）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）和逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR），無(wú)須多種大型作戰(zhàn)飛機(jī)配合，也能完成任務(wù)。

RQ-180無(wú)人機(jī)是美軍重要的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)。該機(jī)在戰(zhàn)區(qū)上空對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持久偵察，獲取戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)并提供數(shù)據(jù)服務(wù)，利用作戰(zhàn)平臺(tái)提供的方位、狀態(tài)及傳感器數(shù)據(jù)繪制戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，提高作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)場(chǎng)可控性。

圖1 RQ-180 隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)選型

若美軍研制RQ-180無(wú)人機(jī)的全新發(fā)動(dòng)機(jī)，可能會(huì)帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)研制經(jīng)費(fèi)高、周期長(zhǎng)及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等系列問(wèn)題。從RQ-180無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)歷程看，美軍為無(wú)人機(jī)研發(fā)并配裝一種全新發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)間周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由此推斷，諾格公司選擇了對(duì)現(xiàn)役、技術(shù)成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)和改型，以獲得RQ-180無(wú)人機(jī)的先進(jìn)動(dòng)力裝置。

發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求

RQ-180戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)利用其利用隱身性好、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)和實(shí)用升限高等優(yōu)勢(shì),在“拒止”對(duì)抗環(huán)境下執(zhí)行抵近偵察、持久監(jiān)視、警戒探測(cè)、通信中繼、電子干擾等支援任務(wù)，其發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足以下要求。

(1)中等推力。

(2)在寬廣飛行包線內(nèi)的高空穩(wěn)定工作性能。

(3)為滿足無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間巡航需求，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具有低燃油消耗率。

(4)擁有低紅外特征指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)隱身性。

(5)滿足雷達(dá)、光電及電子戰(zhàn)吊艙等機(jī)載設(shè)備的高功率供電能力。

(6)滿足高推重比、低成本、良好的可靠性和維修性等通用要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)推力選擇

表1為各型無(wú)人機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。為支持無(wú)人機(jī)在高空長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，應(yīng)選擇推力29400N左右的發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 “全球鷹”“海神”和“死神”無(wú)人機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)。

若RQ-180無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參考“全球鷹”無(wú)人機(jī)的推力量級(jí)，則會(huì)像“全球鷹”無(wú)人機(jī)一樣，在雷電暴雨天氣出現(xiàn)因動(dòng)力不足難以達(dá)到高爬升速度的問(wèn)題，進(jìn)而影響無(wú)人機(jī)的起飛。同時(shí)，RQ-180無(wú)人機(jī)攜帶了更多的監(jiān)視偵察任務(wù)載荷。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)選型時(shí)，應(yīng)考慮選擇比現(xiàn)役高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)推力更大的發(fā)動(dòng)機(jī)。

表2為各型無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)。為滿足快速打擊、空中突防等作戰(zhàn)任務(wù)，應(yīng)在49000 ～78400N推力范圍內(nèi)，為無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)選用中等推力的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

表2 X-47B、“神經(jīng)元”和S-70“獵人”無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)。

小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)能提升無(wú)人機(jī)的隱身性能，但其燃油消耗率高，不利于無(wú)人機(jī)在高空長(zhǎng)時(shí)間飛行。RQ-180無(wú)人機(jī)未攜帶武器，減小了任務(wù)載荷重量。但是，該機(jī)須裝載支持長(zhǎng)時(shí)間飛行的更多燃油，又增加了最大起飛重量。因此，該型發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)選擇與無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)相當(dāng)?shù)耐屏α考?jí)。

綜上所述，RQ-180無(wú)人機(jī)的首選發(fā)動(dòng)機(jī)是49000 ～78400N范圍內(nèi)的中等推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)選型

RQ-180無(wú)人機(jī)自曝光以來(lái)，其動(dòng)力裝置也備受關(guān)注。但是，目前美國(guó)官方尚未披露有關(guān)RQ-180無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)選型的確切信息。

依據(jù)高空長(zhǎng)航時(shí)隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)對(duì)動(dòng)力的特定要求，參考以往高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)所選用的成熟民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)按照推力量級(jí)在49000 ～78400N范圍內(nèi)為RQ-180無(wú)人機(jī)匹配中等推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，技術(shù)成熟的CF34民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基本符合該型無(wú)人機(jī)的動(dòng)力條件。國(guó)內(nèi)外媒體相關(guān)報(bào)道稱，諾格公司已選用兩臺(tái)改進(jìn)型CF34雙轉(zhuǎn)子中等推力民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，作為RQ-180無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。

圖2 改進(jìn)型CF34-8雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

改進(jìn)型CF34發(fā)動(dòng)機(jī)和高空長(zhǎng)航時(shí)“全球鷹”無(wú)人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)AE3007H均為成熟的民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。如果RQ-180無(wú)人機(jī)選配兩臺(tái)改進(jìn)型CF34雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，不僅能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)中等推力量級(jí)要求,而且其推力是“全球鷹”無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的2 ～3倍，可避免RQ-180無(wú)人機(jī)在起飛時(shí)受雷電暴雨天氣影響，使RQ-180擁有更高的實(shí)用升限、更大的電功率輸出，可以攜帶更完備的監(jiān)視偵察設(shè)備及更多的燃油。同時(shí)，低油耗率、大推力等優(yōu)勢(shì)可保證RQ-180無(wú)人機(jī)獲得高空長(zhǎng)航時(shí)性能，但缺點(diǎn)是涵道比大，不利于RQ-180無(wú)人機(jī)獲得高隱身性能。因此，如果RQ-180無(wú)人機(jī)選配CF34發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，必然要對(duì)選用的CF34發(fā)動(dòng)機(jī)推力、隱身性進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。

CF34發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

CF34發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司在20世紀(jì)70年代后期基于軍用TF34發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而成的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了單元體設(shè)計(jì)技術(shù)，共分為8個(gè)單元體，使該型發(fā)動(dòng)機(jī)便于維修。同時(shí)，采用氣膜冷卻技術(shù)，加裝了風(fēng)扇包容環(huán)和防火絕緣罩，具有推重比高，涵道比大和油耗率低等特點(diǎn)，可靠性和維修性好，翻修時(shí)間間隔達(dá)6000h。

改進(jìn)型CF34發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇為1級(jí)軸流式，28個(gè)寬弦、無(wú)凸肩實(shí)心葉片，增壓比1.5，最大轉(zhuǎn)速7300r/min,葉片和盤(pán)的材料為鈦合金。高壓渦輪為2級(jí)軸流式，CF34-8系列高壓壓氣機(jī)為14級(jí)，CF34-8C系列高壓壓氣機(jī)為10級(jí)。低壓渦輪為4級(jí)軸流式，改進(jìn)了氣動(dòng)設(shè)計(jì)，減少了葉片數(shù)量。該型發(fā)動(dòng)機(jī)擁有全新的環(huán)形燃燒室，低壓燃油噴射系統(tǒng)設(shè)置了18個(gè)氣動(dòng)霧化噴嘴，有幾千個(gè)激光打的小孔，形成薄膜冷卻。為移動(dòng)整流罩格柵式反推力裝置，CF34-8系列的早期型別采用機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)，而CF34-8C系列選用的是FADEC控制系統(tǒng)。起動(dòng)系統(tǒng)采用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)。

結(jié)論

RQ-18O無(wú)人機(jī)項(xiàng)目是美國(guó)空軍基于情報(bào)、監(jiān)視和偵察(ISR)無(wú)人機(jī)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)而做出的重大決策，其研制及發(fā)動(dòng)機(jī)選型經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

打贏未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的戰(zhàn)略調(diào)整

以RQ-180無(wú)人機(jī)取代“全球鷹”，表面上看是無(wú)人機(jī)裝備的更新，但實(shí)質(zhì)則是美國(guó)空軍戰(zhàn)略作戰(zhàn)體系的調(diào)整。高隱身性、高空長(zhǎng)航時(shí)戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)的研制與發(fā)展是美國(guó)實(shí)施戰(zhàn)略調(diào)整的重大表現(xiàn)，為其空軍建立以數(shù)據(jù)為中心的組織體系奠定了基礎(chǔ)。優(yōu)先發(fā)展隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)已成為美軍贏得未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的重要舉措。

“軍民融合”開(kāi)發(fā)新思路

發(fā)動(dòng)機(jī)作為高空長(zhǎng)航時(shí)隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)的“心臟”，其構(gòu)型、性能指標(biāo)等要素對(duì)滿足無(wú)人機(jī)全系統(tǒng)性能、成本和可靠性等方面具有決定性影響。借鑒美國(guó)空軍高空長(zhǎng)航時(shí)隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)選用成熟民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，將民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)納入無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的研制和選型范圍，可為我國(guó)軍用高空長(zhǎng)航時(shí)隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)選型研究提供新的思路。

發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)是關(guān)鍵

鑒于未來(lái)察打一體高空長(zhǎng)航時(shí)隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)將在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下執(zhí)行隱蔽突防、防空壓制和對(duì)地面目標(biāo)直接發(fā)動(dòng)打擊等作戰(zhàn)任務(wù),其發(fā)動(dòng)機(jī)選型應(yīng)滿足高空長(zhǎng)航時(shí)隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)動(dòng)力的特定要求，首選中等推力的成熟民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，以獲得高空長(zhǎng)航時(shí)隱身戰(zhàn)略無(wú)人機(jī)的先進(jìn)動(dòng)力裝置?！?/p>