美国军用航空动力的发展趋势

郭 琦，周 军

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

1 引言

2001年，美国国防部在《四年防务审查报告》中明确提出，新的防务战略建立在基于能力模式进行防务规划的思想之上，表明美军施行了新的军事变革，开始从基于敌对威胁的防御计划逐步向基于敌对能力的防御计划转变。

此前基于敌对威胁的防御计划是美国前国防部长佩里于1980年提出，其指导思想是针对苏联威胁而实施需求牵引，技术推动[1]。然而苏联和东欧发生剧变后，美国长期以苏联为作战对象而发展的一些武器装备，无法适应冷战后新时期的作战需要。这种巨大变化引起美军上下的广泛关注和争论，对需求牵引、技术推动这一指导思想产生了困惑，以能力牵引、技术推动的需求革命趁势而起。

当作战对象消失或出现重大调整时，原先基于此威胁所研制发展的武器装备将失去针对性，这对于各国来说都是如此。美军武器装备发展指导思想的演变值得深思，其军用推进技术的发展演变需认真研究。

2 美军防御计划模式

2.1 基于敌对威胁的防御计划模式

基于敌对威胁的防御计划又称优势防御规划，其基本思想是“需求牵引，技术推动”，即作战需求是拉动武器装备发展的原始动力，而科学技术则是武器装备物化的推动力。其实质是先针对具体作战对象论证作战需求，再从技术和装备角度论证方案，通过满足需求来提高武器装备的综合作战效能。该指导思想的提出有其特定的历史背景，是对二战以后美军武器装备发展指导思想的总结。

2.2 基于敌对能力的防御计划模式

基于敌对能力的防御计划，是更加强调敌对方会以何种方式挑战美国，而不特指敌对方是谁或可能在哪儿挑战美国。它促使美国更加关注世界各国不断增长的各种能力，着眼于把作战能力同联合作战结合起来，并通过确定各种作战能力的优先顺序，应对各种层次的战略挑战。根据这种预想发展武器装备，旨在发展和保持美国的航空、航天和信息优势，最终达到以不变应万变的效能，打造出既能国际反恐，又能打赢各种战争的全能美军。美国空军2020远景规划就是这种基于敌对能力防御计划的实例。

美军2020远景报告展示了空军的作战概念。作战任务包括：全球攻击、本土安全、全球机动、全球持续打击、对核攻击的反应、太空和C4ISR(指挥、控制、通讯、计算机、情报、监视和侦察)以及灵活作战支持。任务要求的能力是，指挥与控制、情报、监视和侦察、兵力运用和兵力投放。这些能力转化为2020年所需的推进技术见图1。

图1 推进研究目标Fig.1 Propulsion research goals

3 新防御战略对航空推进能力的要求

2006年，美国空军和国防部航空航天推进需求委员会在《美国空军和国防部航空航天推进需求述评》[2]报告中，采用基于敌对能力的防御计划模式，构想了2020年四个不确定性的战争场景，并以此确定出四大推进技术挑战：

(1)传统技术挑战。要求继续改进燃气涡轮发动机的推重比、油耗、寿命周期费用和耐久性等传统技术性能指标。继续改进这些指标有助于保持美国在燃气涡轮发动机领域的技术领先优势，并降低现役发动机的维修、保障和燃油费用。

(2)非常规技术挑战。要求改进推进系统隐身性和生存性，适应紧缩基地的要求(如要求短距和垂直起降)，大大改进燃油经济性以利于长时间巡逻。专门针对无人机系统研发的推进系统也在该领域扮演重要角色。

(3)灾难性技术挑战。要求推进系统为飞行器提供高马赫数能力，以反击时间紧急的目标。用于远程攻击任务的推进系统必须保证有人飞机能以马赫数(M)2～3.5的速度巡航。同时需要能以M4～16速度巡航的高超声速飞行器对时间紧急的目标实施远程打击，或保护本土免受其攻击。

(4)破坏性技术挑战。要求推进系统为定向能武器或反击定向能武器的装置提供动力。需要热和动力的集成管理、高吸热燃料和大发电能力之类的推进系统来应对这些威胁；也需要这些推进系统为小型自主网络传感器和武器系统提供动力。

这些挑战要求美军的推进系统能覆盖M0～16的整个马赫数范围，即需要图1中所示的5个方面的高速推进系统技术。

高速武器(如高速侦察机、高速轰炸机、空天飞机、高速巡航导弹等)航程远、速度快、性能卓越，被军事专家称为继螺旋桨、喷气推进器之后航空史上的第三次革命性成果[3]。其飞行速度和高度大大超过现役飞机和巡航导弹，对未来的作战方式必将产生极其深远的影响。如以M4速度巡航的高速飞行器，能在9 h内环绕地球一周，迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标，这大大拓展了战场空间。另外，高速飞行器的飞行速度极高，使得防空系统的拦截概率因反应时间太短而大幅下降，因而具有较高的突防成功率，可有效制约预警和防空武器系统整体功能的发挥。如果将高速飞行器与隐身技术相结合，那么防空探测系统的应急反应时间会更短，攻击系统的生存能力大大加强，更易夺取战场主动权。作战效能更高的高速武器不仅能通过热辐射和定向能造成毁伤，而且能通过直接命中目标来破坏其内部结构。高速导弹的体积比一般导弹的体积要小许多，因此运输机、战斗机和轰炸机可大量装载，作战威力显著增强。另外，高速侦察机也能在很短时间内飞遍全球，对许多突发性很强的热点地区均能做出快速反应，具有很高的侦察和信息战效能。

4 美军面向2020年的推进技术研究

美国目前正在开展针对高速涡轮发动机、冲压发动机(ramjet)、超燃冲压发动机(scramjet)、脉冲爆震发动机(PDE)、火箭推进技术、组合循环发动机和极高效推进技术的一系列研究活动[4]。

4.1 NAI(美国空天)计划

美国从2001年开始实施NAI计划。高速和高超声速研究是该计划的三大研究领域之一，专门为一次性使用的武器系统(如导弹和拦截武器)以及远程攻击/侦察和吸气式两级入轨(TSTO)进入空间用的可重复使用系统提供军事变革能力(图2)。高速和高超声速技术可应用于战术攻击、洲际战略攻击、武器上升阶段拦截和低成本进入太空等任务，使作战能力大大增强。比如，超燃冲压发动机是M4以上唯一可选的吸气式动力装置，能保证飞行器在2 h内到达全球任何地方，在几分钟内攻击数百英里远的时间紧急目标，具备足够动能穿透坚固目标，像飞机一样自由进入太空。2010年，美国X-51A飞机创造了用超燃冲压发动机连续飞行100 s的飞行记录。

图2 美国空天计划概要Fig.2 The national aerospace initiative taxonomy

高速和高超声速研究涉及的发动机技术包括：高速涡轮发动机、超燃冲压发动机和组合循环发动机(图3)。涡轮发动机适用于亚声速和低中超声速飞行器。采用更先进材料和更高效冷却技术的高速涡轮发动机能使飞行器速度达到M4。一次性使用涡轮发动机能为高超声速导弹提供高效推进能力。可重复使用高速涡轮发动机能作为涡轮基组合循环(TBCC)发动机的基本发动机。组合循环发动机是把涡轮发动机或火箭发动机与超燃冲压发动机组合在一起。这些推进系统涉及的关键部件技术包括：空气引入、压缩、燃烧、涡轮、排气、推进剂、结构与材料、循环一体化、控制系统、机械系统和助推器。

图3 高速和高超声速飞行器推进技术研制方法Fig.3 High-speed/hypersonic propulsion technology development approach

4.2 RATTLRS(对时间紧急目标进行远程攻击的创新方法)计划

美国海军的RATTLRS计划针对先进高速巡航导弹技术，开发高速、高度一体化的涡轮发动机推进系统。RATTLRS的航空器仅用涡轮发动机就能加速到M3。这种高速涡轮发动机技术也将用于涡轮基组合循环发动机。

4.3 HiSTED(高速涡轮发动机验证)计划

美国空军和国防预研局的HiSTED计划，是开发验证具备航空和航天推进能力的高速涡轮发动机技术。这种高马赫数一次性使用涡轮发动机能在M4以上工作。它将有助于M4以上战术武器系统的一次性使用推进系统的研制，以及高超声速巡航飞行器和反应式进入太空系统的可重复使用TBCC发动机的研制。

4.4 VAATE(多用途、经济可承受的先进涡轮发动机)计划

美国空军牵头的VAATE计划，开发可用于先进导弹的高速涡轮发动机或涡轮基组合循环发动机的关键技术，如高通流风扇，耐温能力更强、寿命更长的涡轮以及进气道和尾喷管一体化技术。VAATE计划包括了支持RATTLRS和HiSTED计划的先进发动机技术开发工作。第5节将对该计划做重点阐述。

4.5 HyFly(高超声速飞行)计划

美国海军和国防预研局2002年开始实施HyFly计划，计划针对以M6巡航进行全球攻击的高速战术攻击武器，开发用火箭助推的冲压和超燃冲压(双燃烧室)发动机。

4.6 HyTech(高超声速技术)计划

美国空军的HyTech计划开发吸热碳氢燃料冷却的超燃冲压发动机。

4.7 SED(超燃冲压发动机验证)计划

美国空军和国防预研局的SED计划，是验证HyTech计划开发的吸热碳氢燃料超燃冲压发动机的生存能力。

4.8 高超声速发动机技术验证计划

美国陆军的高超声速发动机技术验证计划，是研制飞行重量的超燃冲压发动机并进行地面试验。该发动机采用氢燃料，工作马赫数在M10～12之间。图4显示了与上述高速和高超声速推进研究计划相关的推进技术开发路线图。

4.9 脉冲爆震发动机研究计划

目前主要研究纯脉冲爆震发动机技术，和把脉冲爆震燃烧技术组合进涡轮发动机的混合脉冲爆震发动机技术。PDE最有可能用于M4以下的低成本导弹，而不是作为燃气涡轮发动机或高速布雷顿循环发动机的替代装置。

4.10 组合循环发动机研究计划

组合循环发动机有三种形式：TBCC、RBCC(火箭基组合循环)和T/RBCC(涡轮与火箭基组合循环)发动机。TBCC涉及三大关键状态：涡轮与冲压状态转换、冲压与超燃冲压(双模)状态转换和高超声速工作状态。T/RBCC采用三喷气式(TriJet)概念，即采用三组推进发动机(涡喷、火箭引射冲压和双模冲压发动机)[5]。因为TBCC需要能达到M4的涡轮发动机，而目前还没有，因此三喷气式组合发动机是M4涡轮发动机技术成熟之前的一个理想替代方案，它用火箭推进器作为引射冲压发动机。

5 美国高速涡轮发动机技术发展路线图

VAATE计划正在研究改变战争游戏规则的涡轮发动机创新概念，以适应新军事变革的挑战。图5展示了各种先进涡轮发动机概念所能支撑的作战能力。比如，采用一次性使用高速涡轮发动机(①)作动力的巡航导弹能被所有轰炸机和战斗机携带，除提供强大的防区外攻击能力外，还能以超过M4的速度攻击目标。同时s也是未来载人航天快速反应系统的基本动力。自适应循环发动机(②)优化了飞机整个飞行包线的性能。本质上这种推进能力具有可变特性，在单一航空器上既能进行快速反应的超声速攻击，又能进行持续亚声速空中巡逻。这种推进概念对发电和热管理有利。结构紧凑的高效直接升力发动机(③)能使未来的大型运输机具备短距起降和短距起飞/垂直降落能力，实现远程、高亚声速巡航的任务机动能力。

下面具体分析美国空军5种2020远景作战概念分别需要上述哪种先进涡轮发动机技术的支持。

(1)全球攻击任务

①大于M2速度巡航、低油耗、长寿命的涡轮发动机(有人远程攻击机)；

②大于M4的一次性使用涡轮发动机(远程攻击巡航导弹)；

③高效的推进一体化和安装技术(飞发一体化技术)；

④高超声速巡航飞行器用的高马赫数涡轮发动机(TBCC技术)。

远程攻击是目前吸气式推进技术最重要的一个应用方向。远程攻击是指在任意时间、在任何地方、任何环境下，对任何目标迅速而持续地取得理想作战效果的能力。远程攻击需要借助非常规吸气式发动机的推进技术。用于远程攻击任务的推进系统，对于有人飞机，必须能使其以M2～3.5速度巡航；对于无人武器平台，要采用M4的一次性使用涡轮发动机。

(2)全球持续打击任务

①技术转化到F-35的发动机中；

②生存力强的集成进气道；

③下一代尾喷管技术；

④高性能无人作战飞机推进系统；

⑤长航时、亚声速武器的涡轮发动机。

(3)太空和C4ISR任务

①用作水平起降助推器的高马赫数涡轮发动机；

②用于无人机的推进与动力一体化；

③用于高空长航时无人机的翼身融合高效涡轮发动机。

(4)全球机动任务

①结构紧凑的直接升力推进系统；

②回收人员飞行器的推进系统；

③小型重油发动机(美国陆军项目)；

④改进的涡轮发动机(美国陆军项目)。

全球机动作战要求稳健而持续的空中补给和加油能力，以保证兵力部署、军事作业和重新兵力部署。

(5)灵活作战支持任务

①技术转化到F100发动机中；

②技术转化到F110发动机中；

③技术转化到AE3007发动机中；

④技术转化到F119发动机中；

⑤其它涡轮发动机的技术转化机会。

在常规涡轮发动机技术领域，通过不断改进传统军用涡轮发动机性能指标，如推重比、油耗、寿命周期费用、耐久性等，实现新技术转化。

6 结束语

美军航空武器装备基于敌对能力的发展战略引领其航空动力技术的发展方向。可以预见，到2020年，空天一体战、信息一体战、全球作战将成为现实。这些作战概念要求发展高速涡轮发动机和高超声速组合动力技术。美国已重点针对高速涡轮发动机、冲压发动机、超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机、火箭发动机、组合循环发动机和极高效推进技术，广泛开展了大量技术研究工作，并取得了重大技术进展。军用航空动力技术正向高速和高效方向发展。

目前国内空天动力研究、组合动力研究正成为热门。超燃冲压发动机是高超声速领域唯一可选的吸气式动力装置，美国在该领域正走向成熟，我国应积极开展超燃冲压发动机技术的研究。另外，也须高度重视高速(M2～4巡航)涡轮发动机技术的预研工作。高速涡轮发动机是未来一代以M2～3巡航的有人飞行器的动力，也是能以M4巡航的远程攻击巡航导弹的动力，更是高超声速巡航飞行器用组合动力的涡轮基推进装置。

[1]宋金峰.由“需求牵引，技术推动”到“基于能力的需求革命”[J].轻兵器，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]李刚团，李继保，周人治.涡轮-冲压组合发动机技术发展浅析[J].燃气涡轮试验与研究，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 军，等.国外TBCC发动机发展研究[J].燃气涡轮试验与研究，2012，25(3)：58—62.