新型远程轰炸机动力装置发展研究

飞机那点事儿

来源：国际航空

　　美国和俄罗斯一直将远程轰炸机作为核心装备发展。从美国最初的B-3轰炸机、“2018轰炸机”概念到目前提出的“系统家族”远程打击轰炸机(LRS-B)，以及俄罗斯正在发展的“远程航空兵未来航空综合体”(PAK-DA)轰炸机可以看出，远程轰炸机即将迎来新一轮的发展高潮。

　　动力发展需求

　　综合工作能力

　　远程轰炸机要具备短时间内完成重大作战任务所具备的快速作战响应能力，包括在战争打响的第一时间或萌芽状态下从公路或机场跑道上起飞，具有高的机动性和爬升能力，快速到达作战地域;未来新的作战模式更强调体系作战和任务的多样性，远程轰炸机必须具有较高的燃油经济性，实现长时间、大范围的火力投送。这些作战任务的实现很大程度上都依赖于高效的涡轮发动机。为了综合平衡这两方面作战能力对发动机的要求，美国在自适应通用发动机技术(ADVENT)计划下发展了三涵道自适应循环发动机，与用于超声速战斗机的动力装置不同，远程轰炸机发动机计划用增加的第三涵道，实现地面起飞状态下的大推力(较小涵道比模式工作)和高空巡航状态下的低油耗(较大涵道比模式工作)功能，以满足快速地面起飞和远程亚声速巡航要求。

图：“系统家族”概念中远程轰炸机动力方案

　　大推力和大功率提取能力

　　远程轰炸机要实现核常兼备、大规模的火力投送，具备较大的携带负载能力，必将是一型大型飞行器，因此对发动机推力需求大。采用双发布局的LRS-B轰炸机起飞重量应在F-15E战斗机和B-2轰炸机之间，载荷能力在12.5t左右。按照同样为飞翼布局、采用4台F118-GE-100发动机的B-2轰炸机推算，考虑LRS-B轰炸机3700km左右的作战半径，该轰炸机对单台发动机的起飞推力需求大约在200kN量级。同时，由于未来远程轰炸机必须具有自卫能力，将携带更先进的电子系统以及激光、微波等定向能武器，功率提取将达到兆瓦级，因此，还将要求发动机具备在飞行条件下的大功率提取能力。

　　隐身和抗电磁干扰能力

　　目前从美国和俄罗斯的下一代轰炸机发展来看，虽然在发展过程中对选择亚声速还是超声速轰炸机有过激烈的争论，但由于高超声速技术还不成熟，存在效费比低、生存力较弱等缺点，最终两国均选择了亚声速轰炸机方案。

　　对于亚声速轰炸机来说，隐身性能是其战场生存能力的保证。现役的B-2轰炸机是世界上唯一一款具有高隐身能力并参加过实战的轰炸机，因此美国对轰炸机高隐身的重要性有更深刻的认识;LRS-B轰炸机将面临新的、更为复杂的作战环境，尤其针对假想敌的雷达和导弹技术的快速发展而面临的威胁，必须具备在反介入/区域拒止(A2/AD)环境中作战的能力，因此，隐身性能必将较B-2轰炸机有进一步提升;据介绍，美国新型轰炸机将具备很强的隐身能力，能安全地穿透敌方防空网，在严密设防的敌方领空飞行作战。

　　飞机隐身性能的提高，势必要求发动机的隐身能力也随之提高，这将依赖于发动机本身的隐身设计，如三涵道技术、先进多功能隐身材料、综合热管理技术以及与飞机的高度一体化设计。另外，从未来战争的发展来看，电子战在未来作战中将扮演越来越重要的角色，电磁权的掌握成为获得战争的主动权和打开胜利之门的钥匙。美国空中力量在过去的十余年里，在区域冲突中能发挥重大作用，取得战区制电磁权压倒性优势是关键因素之一，这也对远程轰炸机及其发动机控制系统的抗电磁干扰能力提出更高的要求，它除了能够适应常规的复杂电磁环境，为了克服低空复杂气候条件以及地面密集的电子设备的电磁辐射干扰，甚至是敌方电磁脉冲武器和高功率微波武器等电磁武器施加的强电磁干扰，必须耐受宽频谱、高强场的各种频域、时域综合电磁环境效应。

　　更高的高空作战能力

　　目前B-2隐身轰炸机的巡航飞行高度和现役战斗机差不多，在白天有被敌方飞行员目视发现并遭受攻击的风险，因此该机通常在夜间行动。而美国拟议中的下一代轰炸机技术方案，其飞行高度可能提高到18.3km，这将超过目前大多数现役战斗机的升限，而且此高度以上的天空背景是黑色，将降低飞机被目视发现的概率;同时，巡航飞行高度的增加也将减小飞机整体的雷达反射面(RCS)，提升生存能力。

　　如果下一代远程轰炸机的飞行高度提升到18km以上，对于发动机来说，将面临高空低压环境下长时间持续工作，推力性能下降明显的问题，尤其是在低雷诺数的工作环境中对压气机和涡轮部件的效率影响严重;此外，高空条件下大气压力的降低，对发动机滑油系统的油气分离、高效润滑等稳定工作要求带来挑战。从高空长航时无人机RQ-4“全球鹰”采用的AE3007H发动机来看，如果在18km以上的高度稳定巡航，发动机核心机将采用较高的总增压比以降低雷诺数的影响，并且采用较大的涵道比以利于实现其巡航的低油耗要求。

　　低成本和高经济可承受性

　　经济可承受性是武器装备发展永恒的主题，并且随着现役武器装备研制成本的快速攀升显得尤为重要。B-2轰炸机单价达到10亿美元，并且有严格的维修保障要求，正是这些因素限制了其在海外的部署与作战使用;美国明确要求LRS-B的成本降低到5.5亿美元以下，并具备多种作战任务能力。从这一点也可以看出，对其动力在可靠性、维护性方面的要求必将较F118-GE-100发动机有较大的提升。

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　　发展趋势和方向

　　三涵道变循环发动机

　　从发展趋势来看，采用自适应循环的三涵道涡扇发动机有诸多优点，如可以实现整个包线内最经济的燃油效率;由于第三股气流的冷却，发动机的综合热管理和排气冷却更容易实现，整机的隐身性能更好。但从技术风险的角度考虑，虽然美国已经历经5代变循环技术的发展，采用变循环技术的风险还是很高，其中涉及到先进的耐高温材料、第三涵道可调机构等难题。同时，从经济可承受性和效费比的角度考虑，美国计划装备的新一代LRS-B轰炸机数量在100~200架，单独为其新研一型发动机可能性较小，更可能的是结合第六代战斗机动力发展进行研制。

图：罗罗、普惠和GE公司的自适应发动机项目技术研究内容

　　从美国自适应循环发动机技术预研过程可以看到，在第一阶段(2007~2009年)由罗罗和GE公司承担的ADVENT项目，验证了用作下一代亚声速轰炸机动力的低油耗技术，其核心机尺寸相对较小，并且完成了全尺寸验证机的研制;第二阶段(2013~2017年)由GE和普惠公司开展的重点针对超声速战斗机动力的自适应循环发动机技术开发(AETD)项目，核心机尺寸增大，并验证了先进的加力燃烧室技术，但在技术方向上并无明显的改变。

　　基于现有发动机技术发展

　　从当前美国和俄罗斯远程轰炸机动力的发展来看，另一种发展途径是对现有发动机进行改进升级或者采取成熟的核心机，这种途径的研制风险较低，并且具有较高的经济可承受性。俄罗斯针对新一代远程轰炸机PAK-DA动力的发展，曾提出采用4台推力为152~176.5kN的“117S”级涡扇发动机。据称：为了降低研发费用，LRS-B将使用大量的现有技术，尺寸比B-2轰炸机更小，很可能只有B-2的一半大，可能配备两台发动机，其性能应该与F135发动机相似，而且在“系统家族”方案中，提出了采用F135-PW-100发动机技术发展远程轰炸机动力的方案。

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　　远程轰炸机动力发展思考

　　要从实际国情出发

　　美国的技术基础雄厚，新一代远程轰炸机动力的选项也较多，采用自适应发动机虽然存在较大风险，但也是可以实现的;从目前的AETD项目发展来看，GE公司继2014年实现首台三涵道自适应循环发动机试车后，于2015年6月通过了由美国空军、海军、航空航天局(NASA)和洛克希德·马丁公司联合组织的初始设计评审(PDR)，并将在自适应发动机转移项目(AETP)下继续验证其自适应循环设计，以及后续争取转入工程与制造发展(EMD)阶段;其AETD发动机预计可在2020年代中期为美国最先进的战斗机提供动力，能够满足LRS-B远程轰炸机对发动机的需求。

　　俄罗斯由于经济和技术储备上的原因，不具备更先进远程轰炸机动力发展条件，更难实现具有革新意义的自适应循环发动机的研制。原本宣布其新一代战略轰炸机PAK-DA在2019年实现首飞，但是在2015年10月宣布顺延到2023年以后进行，并称将集中精力恢复Tu-160战略轰炸机的生产，动力方面转向升级改进现役的Tu-160轰炸机配装的NK-32涡扇发动机，这也是俄罗斯从国家战略需求、现有工业基础与技术能力以及经济可承受性等方面综合考量的结果。

　　远程战略轰炸机是大国重器，要结合国家自身的战略需求和实际的作战任务确定;而配套动力的发展同样需要结合本国的技术能力与工业基础进行权衡。因此，在远程轰炸机及其动力的发展上，不能盲目跟风，要在明确未来作战任务需求和分析自身条件的基础上，提出切实可行、具有较高效费比的发展途径。

　　探索自适应变循环方案

　　自适应变循环发动机代表了当前远程轰炸机以及战斗机动力的发展方向，美国认为，该技术对于美国保持发动机技术领域的优势地位，全面提升飞机的性能具有里程碑意义。目前ADVENT和后续的AETD计划研究的“可变循环推进系统”，可以使耗油率下降25%以上，远程轰炸机装备自适应循环发动机后，可以降低飞机的起飞重量，获得大的作战半径，通过选择较经济的巡航高度飞行，可以缩短轰炸机从基地到目标区的飞行时间，提高安全通过敌方防空系统的能力。

图：俄罗斯下一代PAK-DA远程轰炸机想象图

　　从罗罗、GE和普惠公司开展的发动机技术研究内容可看出，变循环技术是3家公司的共同选择，只是在具体技术方案上各有侧重，这与各公司不同的研究基础不无关系。2010年，普惠抛出满足ADVENT和高能效涡轮发动机(HEETE)计划的下一代发动机PW9000，该发动机可以看作是将F135的低压转子和PW1000G核心机组合到一起，能够大幅降低耗油率。PW9000的最大创新是自适应涡轮和自适应风扇，这两种技术组合起来能够达到美国空军要求油耗降低30%的要求。GE在ADVENT和AETD项目研制的变循环发动机，基于现有的LEAP核心机，采用了F120发动机的变循环技术，其自适应发动机首台核心机的测试已经完成，并实现变流量工作;其核心机是目前GE采用的增压比最高的军用核心机。罗罗北美公司承担了美国空军研究实验室(AFRL)的ADVENT和HEETE项目，并与美国海军合作开展了另一种用于舰载战术飞机和情报、监视与侦察(ISR)飞机的变循环发动机的研制工作，项目名为变循环先进技术(VCAT)项目。罗罗北美公司前身为美国艾利逊公司，其变循环核心机据称是基于RB282高压压气机和F136发动机的热端部件发展，并应用HEETE计划验证了先进极高压比压气机和先进的热管理系统技术。

　　针对变循环发动机的主要特征部件和关键技术，我国须及早开展相关技术研究和验证。同时，自适应变循环发动机没有固定的模式，上述3家公司采取了不同的方案均得以实现，从方案研究的角度来说，我国应根据自身的技术优势和基础条件，探索不同的方案。