临近空间低动态涡扇动力飞行器应用发展研究

钟玲玲

(中国民航飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307)

0 引言

临近空间(near space)又称“近空间”、“近太空”或“亚轨道”，宽泛的定义为高度在20～100 km之间的空域[1]，该空域高于普通航空飞行器的最大高度而又低于轨道飞行器的最低高度，兼具航空航天的空间特点。临近空间飞行器按飞行速度可分为低动态和高动态两大类。临近空间低动态飞行器主要指飞行速度小于或接近声速，能够在临近空间空域执行特定任务的飞行器，主要包括超高空气球、平流层飞艇、超高空长航时无人机等。近几十年来，以美国为代表的发达国家均投入大量人力物力发展临近空间低动态飞行器，制定了相应的研究计划，并取得了重大进展。临近空间低动态飞行器的特点决定了其在情报收集、情报传输、快速反应等方面具有重要的军事应用价值，成为当今各主要军事强国重点研究的热点之一。临近空间低动态飞行器将作为军用航空器和航天器的有效补充，成为未来联合作战中一支新的重要力量[2-5]。而以涡扇发动机为动力的临近空间低动态飞行器近年异军突起，因其具有快速部署，大范围任务覆盖和高任务载荷能力而受到国内外越来越多的关注，具有极高的军事应用价值[6]。

1 临近空间飞行器的划分

飞行高度和速度是临近空间飞行器生存能力和载荷能力的关键因素，下面结合高度速度特性的分析，对临近空间飞行器进行分类。

根据大气密度，大致可以将空间分为以下几个范围：

(1) 0～20 km

低空稠密大气层，目前航空器主要飞行范围，在这个范围内，飞行器利用空气动力可以作大过载的机动飞行或长时间留空待机。目前大部分的战斗机和导弹的攻击包线集中在这个范围内，飞行器的生存环境复杂。

(2) 20～35 km

气动力作用明显，这个区间飞行器可以利用气动升力滞留，其飞行特性更偏向传统航空的特点。这个区域长时间滞留的飞行器可分为低动态和高动态2种类型。

(3) 35～60 km

气动力作用不太明显，这个区间飞行器无法利用气动升力滞留，其飞行轨迹更接近于弹道。

(4) 60～120 km

气动力作用较弱，基本是起干扰作用，这个区间飞行器的飞行轨迹基本就是弹道。

在高度>25 km，Ma<0.85时，升力系数在0.5～0.6 之间，根据表1所示的动压计算，飞行器翼载不大于70 kg/m2，显然作战平台无法携带一定的作战载荷长时间留空。Ma>3.5时，升力系数为0.12～0.18，对应翼载大于260 kg/m2，作战平台具有长时间留空作战能力。作战飞行高度是生存力的关键之一，速度是关键之二。

由此可见，Ma<0.85的低动态临近空间飞行器，一般飞行高度在20～25 km之间。25 km以上是高动态高超声速临近空间飞行器的飞行范围。

2 低动态涡扇动力飞行器的能力特点

Ma<0.85的低动态临近空间飞行器根据动力和能源形式的不同，又分为以下几种。

低动态的太阳能飞行器[7]与飞艇[8]，飞行速度慢，不能快速部署到距离较远的目标区域，不能在有限的作战时间内完成大范围区域的任务覆盖。太阳能飞行器有效载荷轻，功率小，不能装载满足作战需求的高性能任务载荷。

表1 动压表Table 1 Velocity pressure table

高动态飞行器飞行速度快，但留空时间短，不能长时间持续地在特定区域遂行作战任务。转弯半径大，一旦飞过特定任务区域，较难进行该区域的重新覆盖。

临近空间低动态涡扇动力飞行器速度适中(600～700 km/h)，抗风能力强，相对于飞艇和太阳能无人机受风速和气象条件约束小，可以达到全天候不同地理位置的有效部署。风速随高度层变化曲线如图1所示(1 ft=0.304 8 m，1 kn=0.514 4 m/s)。与其他低动态和高动态的临近空间飞行器相比，该平台具有不可替代的优势。

临近空间低动态涡扇动力飞行器有效载荷质量大(大于1 500 kg)，功率大(可达到100 kW以上)，航时长(大于24 h)，转弯半径较小，任务重新规划与部署调整能力较强(如表2所示)。

同时，因其相对于飞艇和太阳能无人机(不大于200 km/h)具有更大的飞行速度，涡扇动力飞行器前出能力强，可以定点在防区周围部署，也可以前出至作战区域，与其他装备形成作战体系，成为机动的信息节点。

3 国外发展现状

3.1 美国发展现状

3.1.1 U-2高空侦察机

在美国空军的侦察机中，U-2飞机算的上是个“久经考验的老兵”。虽然U-2侦察机秘密设计和研制于60年前，但年过半百仍在服役。直到2014年3月五角大楼提交了2015财年国防预算草案，决定全部退役U-2战略侦察机，使用高空无人机取而代之，这标志着一个时代的结束。

U-2在50余年的服役历程中，有过多种改型，U-2A/C/R分别使用普拉特&惠特尼的PW-J57和PW-J75涡喷发动机，U-2R使用通用电气公司F118-101涡扇发动机，F118-101涡扇发动机是B-2 飞机F118-100发动机改型，通过改进涡扇部件，提高了发动机流量，增加了使用高度，拓宽了失速边界，提高了工作效率，进一步提升了U-2的巡航升限和巡航时间。

3.1.2 “全球鹰”无人机

“全球鹰”无人机(图2)是美国诺斯罗普·格鲁门公司研制的高空高速无人侦察机,1994年开始研制，1998年3月样机试飞，2001年春天通过了系统设计，11月就匆匆投入了对塔利班的军事打击行动。“全球鹰”翼展35.4 m，长13.5 m，高4.62 m，最大飞行速度644 km/h，最大飞行高度20 500 m，空重4 060 kg，最大起飞质量11 622 kg。它身体庞大、双翼直挺，翼展超过波音747飞机，球状机头将直径达1.2 m的雷达天线隐藏了起来。“全球鹰”机载燃料超过7 000 kg，占全机质量的60%，可携带900 kg有效载荷。最大航程达25 945 km，自主飞行时间长达41 h，可以完成跨洲际飞行，可在距发射区5 500 km的目标区上空停留24 h 进行连续侦察监视(U-2侦察机在目标上空仅能停留10 h)。

罗·罗公司AE 3007H涡扇发动机(图3)[9]具有高性能、低成本、低风险等特征，因而在1994年被“全球鹰”项目选中。该发动机在海平面标准天气条件下能产生8 500 lb(3 855.6 kg)推力。联邦航空局(FAA)早已鉴定了多种AE 3007发动机的民用改型，这些发动机已应用在巴西航空工业公司EMB 145/140/135系列支线喷气飞机和Cessna Citation X商务喷气飞机上。AE3007H则受益于AE3007可靠性的极大提高，这是通过800多万飞行小时的联合商务空运获得的。AE3007的主要部件已积累了很多的商务空运经验。AE3007H发动机只有3个特有的部件：全权限数字式发动机控制(FADEC)设备(虽然主要差别在于特殊用途软件是开发自民用改型)、辅助回油泵、电子排气控制阀。

3.1.3 白色骑士二号

2009年7月30日美国奥什科什报道维珍公司建造的“白色骑士二号”飞机(图4，5)28日在美国威斯康星州奥什科什市世界最大的航空展上首次公开亮相。这种飞机是世界上最大的全合成材料飞机，维珍公司将用它把第1艘商业载人飞船“太空船2号”送上太空。在设计上，“白色骑士二号”的双机身用于搭载进行亚轨道飞行的太空船。2008年，“白色骑士二号”最大飞行高度达到21 300 m，驾驶舱位于右侧机身。翼展为43 m，长度24 m。有效载荷达到17 000 kg。

表2 临近空间低动态飞行器种类Table 2 Near space low dynamic aircrafts category

“白色骑士二号”采用4台加拿大普拉特&惠特尼的PW308发动机(图6)，发动机单台推力30.69 kN，位于机身外侧。

3.2 俄罗斯发展现状

在俄罗斯，以歼击机为基础，通过将后掠翼换成大展弦比直机翼的方式研制出了第1架高空亚声速飞机雅克-25B，气动性能接近U-2，然而在结构质量方面该飞机却稍逊一筹。因而，燃油的有效载荷较低。在米亚西雪夫总设计师的领导下，研制出新型飞机M-17。它为双梁式布局，用来对抗高空气球，但续航时间短，只有2 h左右。在此基础上，研制出了巡航时间增至6 h的M-55飞机，发动机增加至2台。M-17和M-55飞机创造了达到最大高度、爬升时间和沿闭合圆飞行速度等几项世纪记录并且至今仍用于研究大气现象、照相侦察和其他任务。图7和图8给出俄罗斯雅克-25，M-55 飞机与美国U-2，TR-1飞机之间的外形对比。表3给出了几种机型之间的性能参数对比。

4 主要军事应用前景

临近空间低动态涡扇动力飞行器的主要军事应用需求[10-15]包括：

(1) 执行通信中继任务，还可实施战场监视，包括登岛及海上作战时的战场监视，强敌介入时对其航空基地、海上目标的跟踪和监视。

(2) 进行边境侦察，领海及专属经济区巡逻，热点地区监视，对我国周边5 000 km范围内的国家地区陆上军事电子目标进行常态化电子对抗侦察，获取其部署、特征参数和使用方式等情报。

(3) 战前准备期间，实施各类战役、战术目标远距侦察，敏感海区监视，电子情报侦收为作战部队提供及时、准确的目标情报保障。

(4) 战争进行期间，承担各波次打击后目标毁伤效果检查；禁飞、禁航区的巡逻、监视以及强敌介入时对其海上目标的探测、定位等。

临近空间低动态涡扇动力飞行器的主要作战样式包括：

(1) 发射空间载荷

利用飞行高度高、续航时间久的优点，在高威胁的战区上空携带二级火箭或其他运载器，机动实时部署通信和间谍卫星，类似美国“白色骑士二号”使用模式。满足未来空天一体化战争对“快速响应” 的要求：24 h待机机动发射。快速机动部署战术小卫星，作为协同作战的信息平台和对敌侦察监视平台。同时，可作为民用太空旅游飞船的发射载机。

(2) 投放无人机等常规航空任务载荷

利用飞行高度高、载荷能力大的特点，将无人机或无人机机群携带至临近空间，这些无人机在20 km 以上投放即使无动力滑翔，航程也可以达到200 km以上，它们可以实施电子对抗侦察、各类战役、战术目标指示、各波次打击后目标毁伤效果检查等。

(3) 临近空间信息支援节点

未来的战争呈现出局部化、体系化、信息化、快速化的特点，在局部区域，多兵种多类型装备快速协同作战。这样的条件下，提出了快速机动、占领信息制高点、集预警探测和信息中继于一身的信息支援节点的需求。而临近空间低动态涡扇动力飞行器恰恰具备飞行高度高、载荷大、机动能力强、留空时间长的特点，可以作为局部战争装备组网的信息中继节点，成为“临近空间机动卫星”，完成侦察、接收、转发信息。

表3 典型临近空间低动态涡扇动力飞机主要参数Table 3 Typical key parameters of near space low dynamic aircraft with turbofan engine

(4) 广域搜索识别查证

临近空间高空巡航，通视距离接近600 km，可在主要水面地面装备防御火力圈外发现目标，大功率X波段雷达对海宽域搜索，巡航Ma数0.8，1 h覆盖1 200 km×850 km范围，24 h覆盖2 448 km2。采用孔径4 m×2 m P波段雷达，功耗126 kW，对F-35 探测距离250 km。搭载电子侦察与定向系统、多功能火控雷达和综合光电探测系统。电子侦察与定向系统用于在敌水面舰艇没有采用电磁辐射控制措施时远距探测和识别敌方舰艇对空搜索雷达信号，并进行定向，引导飞机飞向疑似目标所在区域。多功能火控雷达具备对海搜索、前斜视合成孔径成像和目标跟踪功能，可在宽度600 km内搜索大型水面舰艇，并在600 km距离上发现目标，形成水面态势图。之后可使用前斜视合成孔径成像功能对疑似目标进行成像和分辨，在距离200 km时分辨率达1 m以内。综合光电探测系统能力与用于远轰的综合光电探测系统相当，具备远距探测和激光照射能力，可在150 km距离上探测舰艇目标，识别距离110 km，激光照射距离达70 km。

(5) 前出袭扰侦察

利用高高度和激光自卫武器等形式，前出至敌方基地周边空域，对基地进行袭扰侦察。具有长航时、高高度的特点，可采用敌退我扰，敌起我退的袭扰式侦察作战模式，对敌方出动能力、电子信息等遂行常规侦察、电子侦收等任务。

5 结束语

我国目前在临近空间低动态涡扇动力飞行器研究领域面临着装备体系尚不完善、作战对象尚不明确的复杂情况。面对此种情况，首先需要通过威胁分析，确立临近空间低动态涡扇动力飞行器的作战任务，根据临近空间作战环境特点，初步提炼典型特征，并根据作战需求，通过流程仿真确立作战模式。其次，应努力突破大展弦比高升阻比结构/载荷/气弹综合布局设计技术和临近空间涡扇动力设计技术，为临近空间低动态飞行器的发展打下坚实的基础。