美國軍用航空動力的發展趨勢

郭 琦，周 軍

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

1 引言

2001年，美國國防部在《四年防務審查報告》中明確提出，新的防務戰略建立在基于能力模式進行防務規劃的思想之上，表明美軍施行了新的軍事變革，開始從基于敵對威脅的防御計劃逐步向基于敵對能力的防御計劃轉變。

此前基于敵對威脅的防御計劃是美國前國防部長佩里于1980年提出，其指導思想是針對蘇聯威脅而實施需求牽引，技術推動[1]。然而蘇聯和東歐發生劇變后，美國長期以蘇聯為作戰對象而發展的一些武器裝備，無法適應冷戰后新時期的作戰需要。這種巨大變化引起美軍上下的廣泛關注和爭論，對需求牽引、技術推動這一指導思想產生了困惑，以能力牽引、技術推動的需求革命趁勢而起。

當作戰對象消失或出現重大調整時，原先基于此威脅所研制發展的武器裝備將失去針對性，這對于各國來說都是如此。美軍武器裝備發展指導思想的演變值得深思，其軍用推進技術的發展演變需認真研究。

2 美軍防御計劃模式

2.1 基于敵對威脅的防御計劃模式

基于敵對威脅的防御計劃又稱優勢防御規劃，其基本思想是“需求牽引，技術推動”，即作戰需求是拉動武器裝備發展的原始動力，而科學技術則是武器裝備物化的推動力。其實質是先針對具體作戰對象論證作戰需求，再從技術和裝備角度論證方案，通過滿足需求來提高武器裝備的綜合作戰效能。該指導思想的提出有其特定的歷史背景，是對二戰以后美軍武器裝備發展指導思想的總結。

2.2 基于敵對能力的防御計劃模式

基于敵對能力的防御計劃，是更加強調敵對方會以何種方式挑戰美國，而不特指敵對方是誰或可能在哪兒挑戰美國。它促使美國更加關注世界各國不斷增長的各種能力，著眼于把作戰能力同聯合作戰結合起來，并通過確定各種作戰能力的優先順序，應對各種層次的戰略挑戰。根據這種預想發展武器裝備，旨在發展和保持美國的航空、航天和信息優勢，最終達到以不變應萬變的效能，打造出既能國際反恐，又能打贏各種戰爭的全能美軍。美國空軍2020遠景規劃就是這種基于敵對能力防御計劃的實例。

美軍2020遠景報告展示了空軍的作戰概念。作戰任務包括：全球攻擊、本土安全、全球機動、全球持續打擊、對核攻擊的反應、太空和C4ISR(指揮、控制、通訊、計算機、情報、監視和偵察)以及靈活作戰支持。任務要求的能力是，指揮與控制、情報、監視和偵察、兵力運用和兵力投放。這些能力轉化為2020年所需的推進技術見圖1。

圖1 推進研究目標Fig.1 Propulsion research goals

3 新防御戰略對航空推進能力的要求

2006年，美國空軍和國防部航空航天推進需求委員會在《美國空軍和國防部航空航天推進需求述評》[2]報告中，采用基于敵對能力的防御計劃模式，構想了2020年四個不確定性的戰爭場景，并以此確定出四大推進技術挑戰：

(1)傳統技術挑戰。要求繼續改進燃氣渦輪發動機的推重比、油耗、壽命周期費用和耐久性等傳統技術性能指標。繼續改進這些指標有助于保持美國在燃氣渦輪發動機領域的技術領先優勢，并降低現役發動機的維修、保障和燃油費用。

(2)非常規技術挑戰。要求改進推進系統隱身性和生存性，適應緊縮基地的要求(如要求短距和垂直起降)，大大改進燃油經濟性以利于長時間巡邏。專門針對無人機系統研發的推進系統也在該領域扮演重要角色。

(3)災難性技術挑戰。要求推進系統為飛行器提供高馬赫數能力，以反擊時間緊急的目標。用于遠程攻擊任務的推進系統必須保證有人飛機能以馬赫數(M)2～3.5的速度巡航。同時需要能以M4～16速度巡航的高超聲速飛行器對時間緊急的目標實施遠程打擊，或保護本土免受其攻擊。

(4)破壞性技術挑戰。要求推進系統為定向能武器或反擊定向能武器的裝置提供動力。需要熱和動力的集成管理、高吸熱燃料和大發電能力之類的推進系統來應對這些威脅；也需要這些推進系統為小型自主網絡傳感器和武器系統提供動力。

這些挑戰要求美軍的推進系統能覆蓋M0～16的整個馬赫數范圍，即需要圖1中所示的5個方面的高速推進系統技術。

高速武器(如高速偵察機、高速轟炸機、空天飛機、高速巡航導彈等)航程遠、速度快、性能卓越，被軍事專家稱為繼螺旋槳、噴氣推進器之后航空史上的第三次革命性成果[3]。其飛行速度和高度大大超過現役飛機和巡航導彈，對未來的作戰方式必將產生極其深遠的影響。如以M4速度巡航的高速飛行器，能在9 h內環繞地球一周，迅速打擊數千或上萬公里外的各類軍事目標，這大大拓展了戰場空間。另外，高速飛行器的飛行速度極高，使得防空系統的攔截概率因反應時間太短而大幅下降，因而具有較高的突防成功率，可有效制約預警和防空武器系統整體功能的發揮。如果將高速飛行器與隱身技術相結合，那么防空探測系統的應急反應時間會更短，攻擊系統的生存能力大大加強，更易奪取戰場主動權。作戰效能更高的高速武器不僅能通過熱輻射和定向能造成毀傷，而且能通過直接命中目標來破壞其內部結構。高速導彈的體積比一般導彈的體積要小許多，因此運輸機、戰斗機和轟炸機可大量裝載，作戰威力顯著增強。另外，高速偵察機也能在很短時間內飛遍全球，對許多突發性很強的熱點地區均能做出快速反應，具有很高的偵察和信息戰效能。

4 美軍面向2020年的推進技術研究

美國目前正在開展針對高速渦輪發動機、沖壓發動機(ramjet)、超燃沖壓發動機(scramjet)、脈沖爆震發動機(PDE)、火箭推進技術、組合循環發動機和極高效推進技術的一系列研究活動[4]。

4.1 NAI(美國空天)計劃

美國從2001年開始實施NAI計劃。高速和高超聲速研究是該計劃的三大研究領域之一，專門為一次性使用的武器系統(如導彈和攔截武器)以及遠程攻擊/偵察和吸氣式兩級入軌(TSTO)進入空間用的可重復使用系統提供軍事變革能力(圖2)。高速和高超聲速技術可應用于戰術攻擊、洲際戰略攻擊、武器上升階段攔截和低成本進入太空等任務，使作戰能力大大增強。比如，超燃沖壓發動機是M4以上唯一可選的吸氣式動力裝置，能保證飛行器在2 h內到達全球任何地方，在幾分鐘內攻擊數百英里遠的時間緊急目標，具備足夠動能穿透堅固目標，像飛機一樣自由進入太空。2010年，美國X-51A飛機創造了用超燃沖壓發動機連續飛行100 s的飛行記錄。

圖2 美國空天計劃概要Fig.2 The national aerospace initiative taxonomy

高速和高超聲速研究涉及的發動機技術包括：高速渦輪發動機、超燃沖壓發動機和組合循環發動機(圖3)。渦輪發動機適用于亞聲速和低中超聲速飛行器。采用更先進材料和更高效冷卻技術的高速渦輪發動機能使飛行器速度達到M4。一次性使用渦輪發動機能為高超聲速導彈提供高效推進能力。可重復使用高速渦輪發動機能作為渦輪基組合循環(TBCC)發動機的基本發動機。組合循環發動機是把渦輪發動機或火箭發動機與超燃沖壓發動機組合在一起。這些推進系統涉及的關鍵部件技術包括：空氣引入、壓縮、燃燒、渦輪、排氣、推進劑、結構與材料、循環一體化、控制系統、機械系統和助推器。

圖3 高速和高超聲速飛行器推進技術研制方法Fig.3 High-speed/hypersonic propulsion technology development approach

4.2 RATTLRS(對時間緊急目標進行遠程攻擊的創新方法)計劃

美國海軍的RATTLRS計劃針對先進高速巡航導彈技術，開發高速、高度一體化的渦輪發動機推進系統。RATTLRS的航空器僅用渦輪發動機就能加速到M3。這種高速渦輪發動機技術也將用于渦輪基組合循環發動機。

4.3 HiSTED(高速渦輪發動機驗證)計劃

美國空軍和國防預研局的HiSTED計劃，是開發驗證具備航空和航天推進能力的高速渦輪發動機技術。這種高馬赫數一次性使用渦輪發動機能在M4以上工作。它將有助于M4以上戰術武器系統的一次性使用推進系統的研制，以及高超聲速巡航飛行器和反應式進入太空系統的可重復使用TBCC發動機的研制。

4.4 VAATE(多用途、經濟可承受的先進渦輪發動機)計劃

美國空軍牽頭的VAATE計劃，開發可用于先進導彈的高速渦輪發動機或渦輪基組合循環發動機的關鍵技術，如高通流風扇，耐溫能力更強、壽命更長的渦輪以及進氣道和尾噴管一體化技術。VAATE計劃包括了支持RATTLRS和HiSTED計劃的先進發動機技術開發工作。第5節將對該計劃做重點闡述。

4.5 HyFly(高超聲速飛行)計劃

美國海軍和國防預研局2002年開始實施HyFly計劃，計劃針對以M6巡航進行全球攻擊的高速戰術攻擊武器，開發用火箭助推的沖壓和超燃沖壓(雙燃燒室)發動機。

4.6 HyTech(高超聲速技術)計劃

美國空軍的HyTech計劃開發吸熱碳氫燃料冷卻的超燃沖壓發動機。

4.7 SED(超燃沖壓發動機驗證)計劃

美國空軍和國防預研局的SED計劃，是驗證HyTech計劃開發的吸熱碳氫燃料超燃沖壓發動機的生存能力。

4.8 高超聲速發動機技術驗證計劃

美國陸軍的高超聲速發動機技術驗證計劃，是研制飛行重量的超燃沖壓發動機并進行地面試驗。該發動機采用氫燃料，工作馬赫數在M10～12之間。圖4顯示了與上述高速和高超聲速推進研究計劃相關的推進技術開發路線圖。

4.9 脈沖爆震發動機研究計劃

目前主要研究純脈沖爆震發動機技術，和把脈沖爆震燃燒技術組合進渦輪發動機的混合脈沖爆震發動機技術。PDE最有可能用于M4以下的低成本導彈，而不是作為燃氣渦輪發動機或高速布雷頓循環發動機的替代裝置。

4.10 組合循環發動機研究計劃

組合循環發動機有三種形式：TBCC、RBCC(火箭基組合循環)和T/RBCC(渦輪與火箭基組合循環)發動機。TBCC涉及三大關鍵狀態：渦輪與沖壓狀態轉換、沖壓與超燃沖壓(雙模)狀態轉換和高超聲速工作狀態。T/RBCC采用三噴氣式(TriJet)概念，即采用三組推進發動機(渦噴、火箭引射沖壓和雙模沖壓發動機)[5]。因為TBCC需要能達到M4的渦輪發動機，而目前還沒有，因此三噴氣式組合發動機是M4渦輪發動機技術成熟之前的一個理想替代方案，它用火箭推進器作為引射沖壓發動機。

5 美國高速渦輪發動機技術發展路線圖

VAATE計劃正在研究改變戰爭游戲規則的渦輪發動機創新概念，以適應新軍事變革的挑戰。圖5展示了各種先進渦輪發動機概念所能支撐的作戰能力。比如，采用一次性使用高速渦輪發動機(①)作動力的巡航導彈能被所有轟炸機和戰斗機攜帶，除提供強大的防區外攻擊能力外，還能以超過M4的速度攻擊目標。同時s也是未來載人航天快速反應系統的基本動力。自適應循環發動機(②)優化了飛機整個飛行包線的性能。本質上這種推進能力具有可變特性，在單一航空器上既能進行快速反應的超聲速攻擊，又能進行持續亞聲速空中巡邏。這種推進概念對發電和熱管理有利。結構緊湊的高效直接升力發動機(③)能使未來的大型運輸機具備短距起降和短距起飛/垂直降落能力，實現遠程、高亞聲速巡航的任務機動能力。

下面具體分析美國空軍5種2020遠景作戰概念分別需要上述哪種先進渦輪發動機技術的支持。

(1)全球攻擊任務

①大于M2速度巡航、低油耗、長壽命的渦輪發動機(有人遠程攻擊機)；

②大于M4的一次性使用渦輪發動機(遠程攻擊巡航導彈)；

③高效的推進一體化和安裝技術(飛發一體化技術)；

④高超聲速巡航飛行器用的高馬赫數渦輪發動機(TBCC技術)。

遠程攻擊是目前吸氣式推進技術最重要的一個應用方向。遠程攻擊是指在任意時間、在任何地方、任何環境下，對任何目標迅速而持續地取得理想作戰效果的能力。遠程攻擊需要借助非常規吸氣式發動機的推進技術。用于遠程攻擊任務的推進系統，對于有人飛機，必須能使其以M2～3.5速度巡航；對于無人武器平臺，要采用M4的一次性使用渦輪發動機。

(2)全球持續打擊任務

①技術轉化到F-35的發動機中；

②生存力強的集成進氣道；

③下一代尾噴管技術；

④高性能無人作戰飛機推進系統；

⑤長航時、亞聲速武器的渦輪發動機。

(3)太空和C4ISR任務

①用作水平起降助推器的高馬赫數渦輪發動機；

②用于無人機的推進與動力一體化；

③用于高空長航時無人機的翼身融合高效渦輪發動機。

(4)全球機動任務

①結構緊湊的直接升力推進系統；

②回收人員飛行器的推進系統；

③小型重油發動機(美國陸軍項目)；

④改進的渦輪發動機(美國陸軍項目)。

全球機動作戰要求穩健而持續的空中補給和加油能力，以保證兵力部署、軍事作業和重新兵力部署。

(5)靈活作戰支持任務

①技術轉化到F100發動機中；

②技術轉化到F110發動機中；

③技術轉化到AE3007發動機中；

④技術轉化到F119發動機中；

⑤其它渦輪發動機的技術轉化機會。

在常規渦輪發動機技術領域，通過不斷改進傳統軍用渦輪發動機性能指標，如推重比、油耗、壽命周期費用、耐久性等，實現新技術轉化。

6 結束語

美軍航空武器裝備基于敵對能力的發展戰略引領其航空動力技術的發展方向。可以預見，到2020年，空天一體戰、信息一體戰、全球作戰將成為現實。這些作戰概念要求發展高速渦輪發動機和高超聲速組合動力技術。美國已重點針對高速渦輪發動機、沖壓發動機、超燃沖壓發動機、脈沖爆震發動機、火箭發動機、組合循環發動機和極高效推進技術，廣泛開展了大量技術研究工作，并取得了重大技術進展。軍用航空動力技術正向高速和高效方向發展。

目前國內空天動力研究、組合動力研究正成為熱門。超燃沖壓發動機是高超聲速領域唯一可選的吸氣式動力裝置，美國在該領域正走向成熟，我國應積極開展超燃沖壓發動機技術的研究。另外，也須高度重視高速(M2～4巡航)渦輪發動機技術的預研工作。高速渦輪發動機是未來一代以M2～3巡航的有人飛行器的動力，也是能以M4巡航的遠程攻擊巡航導彈的動力，更是高超聲速巡航飛行器用組合動力的渦輪基推進裝置。

[1]宋金峰.由“需求牽引，技術推動”到“基于能力的需求革命”[J].輕兵器，2007，30(11)：4.

[2]Committee on Air Force and Department of Defense Aerospace Propulsion Needs,National Research Council.A Review of United States Air Force and Department of Defense Aerospace Propulsion Needs[M].Washington：The National Academies Press，2006.

[3]李剛團，李繼保，周人治.渦輪-沖壓組合發動機技術發展淺析[J].燃氣渦輪試驗與研究，2006，19(2)：57—62.

[4]Richman M S，Kenyon J A，Sega R M.High Speed and Hypersonic Science and Technology[R].AIAA 2005-4099，2005.

[5]王巍巍，郭 琦，曾 軍，等.國外TBCC發動機發展研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2012，25(3)：58—62.