美國和俄羅斯一直將遠程轟炸機作為核心裝備發(fā)展。從美國最初的B-3轟炸機、“2018轟炸機”概念到目前提出的“系統(tǒng)家族”遠程打擊轟炸機(LRS-B),以及俄羅斯正在發(fā)展的“遠程航空兵未來航空綜合體”(PAK-DA)轟炸機可以看出,遠程轟炸機即將迎來新一輪的發(fā)展高潮。
動力發(fā)展需求
綜合工作能力
遠程轟炸機要具備短時間內(nèi)完成重大作戰(zhàn)任務(wù)所具備的快速作戰(zhàn)響應(yīng)能力,包括在戰(zhàn)爭打響的第一時間或萌芽狀態(tài)下從公路或機場跑道上起飛,具有高的機動性和爬升能力,快速到達作戰(zhàn)地域;未來新的作戰(zhàn)模式更強調(diào)體系作戰(zhàn)和任務(wù)的多樣性,遠程轟炸機必須具有較高的燃油經(jīng)濟性,實現(xiàn)長時間、大范圍的火力投送。這些作戰(zhàn)任務(wù)的實現(xiàn)很大程度上都依賴于高效的渦輪發(fā)動機。為了綜合平衡這兩方面作戰(zhàn)能力對發(fā)動機的要求,美國在自適應(yīng)通用發(fā)動機技術(shù)(ADVENT)計劃下發(fā)展了三涵道自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機,與用于超聲速戰(zhàn)斗機的動力裝置不同,遠程轟炸機發(fā)動機計劃用增加的第三涵道,實現(xiàn)地面起飛狀態(tài)下的大推力(較小涵道比模式工作)和高空巡航狀態(tài)下的低油耗(較大涵道比模式工作)功能,以滿足快速地面起飛和遠程亞聲速巡航要求。
大推力和大功率提取能力
遠程轟炸機要實現(xiàn)核常兼?zhèn)洹⒋笠?guī)模的火力投送,具備較大的攜帶負載能力,必將是一型大型飛行器,因此對發(fā)動機推力需求大。據(jù)報道,采用雙發(fā)布局的LRS-B轟炸機起飛重量應(yīng)在F-15E戰(zhàn)斗機和B-2轟炸機之間,載荷能力在12.5t左右。按照同樣為飛翼布局、采用4臺F118-GE-100發(fā)動機的B-2轟炸機推算,考慮LRS-B轟炸機3700km左右的作戰(zhàn)半徑,該轟炸機對單臺發(fā)動機的起飛推力需求大約在200kN量級。同時,由于未來遠程轟炸機必須具有自衛(wèi)能力,將攜帶更先進的電子系統(tǒng)以及激光、微波等定向能武器,功率提取將達到兆瓦級,因此,還將要求發(fā)動機具備在飛行條件下的大功率提取能力。
隱身和抗電磁干擾能力
目前從美國和俄羅斯的下一代轟炸機發(fā)展來看,雖然在發(fā)展過程中對選擇亞聲速還是超聲速轟炸機有過激烈的爭論,但由于高超聲速技術(shù)還不成熟,存在效費比低、生存力較弱等缺點,最終兩國均選擇了亞聲速轟炸機方案。
對于亞聲速轟炸機來說,隱身性能是其戰(zhàn)場生存能力的保證。現(xiàn)役的B-2轟炸機是世界上唯一一款具有高隱身能力并參加過實戰(zhàn)的轟炸機,因此美國對轟炸機高隱身的重要性有更深刻的認識;LRS-B轟炸機將面臨新的、更為復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境,尤其針對假想敵的雷達和導(dǎo)彈技術(shù)的快速發(fā)展而面臨的威脅,必須具備在反介入/區(qū)域拒止(A2/AD)環(huán)境中作戰(zhàn)的能力,因此,隱身性能必將較B-2轟炸機有進一步提升;據(jù)介紹,美國新型轟炸機將具備很強的隱身能力,能安全地穿透敵方防空網(wǎng),在嚴密設(shè)防的敵方領(lǐng)空飛行作戰(zhàn)。
飛機隱身性能的提高,勢必要求發(fā)動機的隱身能力也隨之提高,這將依賴于發(fā)動機本身的隱身設(shè)計,如三涵道技術(shù)、先進多功能隱身材料、綜合熱管理技術(shù)以及與飛機的高度一體化設(shè)計。另外,從未來戰(zhàn)爭的發(fā)展來看,電子戰(zhàn)在未來作戰(zhàn)中將扮演越來越重要的角色,電磁權(quán)的掌握成為獲得戰(zhàn)爭的主動權(quán)和打開勝利之門的鑰匙。美國空中力量在過去的十余年里,在區(qū)域沖突中能發(fā)揮重大作用,取得戰(zhàn)區(qū)制電磁權(quán)壓倒性優(yōu)勢是關(guān)鍵因素之一,這也對遠程轟炸機及其發(fā)動機控制系統(tǒng)的抗電磁干擾能力提出更高的要求,它除了能夠適應(yīng)常規(guī)的復(fù)雜電磁環(huán)境,為了克服低空復(fù)雜氣候條件以及地面密集的電子設(shè)備的電磁輻射干擾,甚至是敵方電磁脈沖武器和高功率微波武器等電磁武器施加的強電磁干擾,必須耐受寬頻譜、高強場的各種頻域、時域綜合電磁環(huán)境效應(yīng)。
更高的高空作戰(zhàn)能力
目前B-2隱身轟炸機的巡航飛行高度和現(xiàn)役戰(zhàn)斗機差不多,在白天有被敵方飛行員目視發(fā)現(xiàn)并遭受攻擊的風(fēng)險,因此該機通常在夜間行動。而美國擬議中的下一代轟炸機技術(shù)方案,其飛行高度可能提高到18.3km,這將超過目前大多數(shù)現(xiàn)役戰(zhàn)斗機的升限,而且此高度以上的天空背景是黑色,將降低飛機被目視發(fā)現(xiàn)的概率;同時,巡航飛行高度的增加也將減小飛機整體的雷達反射面(RCS),提升生存能力。
如果下一代遠程轟炸機的飛行高度提升到18km以上,對于發(fā)動機來說,將面臨高空低壓環(huán)境下長時間持續(xù)工作,推力性能下降明顯的問題,尤其是在低雷諾數(shù)的工作環(huán)境中對壓氣機和渦輪部件的效率影響嚴重;此外,高空條件下大氣壓力的降低,對發(fā)動機滑油系統(tǒng)的油氣分離、高效潤滑等穩(wěn)定工作要求帶來挑戰(zhàn)。從高空長航時無人機RQ-4“全球鷹”采用的AE3007H發(fā)動機來看,如果在18km以上的高度穩(wěn)定巡航,發(fā)動機核心機將采用較高的總增壓比以降低雷諾數(shù)的影響,并且采用較大的涵道比以利于實現(xiàn)其巡航的低油耗要求。
低成本和高經(jīng)濟可承受性
經(jīng)濟可承受性是武器裝備發(fā)展永恒的主題,并且隨著現(xiàn)役武器裝備研制成本的快速攀升顯得尤為重要。B-2轟炸機單價達到10億美元,并且有嚴格的維修保障要求,正是這些因素限制了其在海外的部署與作戰(zhàn)使用;美國明確要求LRS-B的成本降低到5.5億美元以下,并具備多種作戰(zhàn)任務(wù)能力。從這一點也可以看出,對其動力在可靠性、維護性方面的要求必將較F118-GE-100發(fā)動機有較大的提升。
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