■ 李龍 鄭天慧 / 中國航發(fā)渦輪院

（李龍，中國航發(fā)渦輪院，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)情報(bào)研究）

低成本可消耗飛行器是指性能上滿足體系作戰(zhàn)需求，且滿足有限壽命/架次要求的飛行器，是軍事理論與作戰(zhàn)模式演變的產(chǎn)物，是構(gòu)建質(zhì)量與數(shù)量并優(yōu)的空中優(yōu)勢能力的重要基礎(chǔ)。

為適應(yīng)“大國競爭”的需要，美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）于2017年提出了“馬賽克戰(zhàn)”（Mosaic Warfare）概念，強(qiáng)調(diào)將作戰(zhàn)功能分散至各作戰(zhàn)領(lǐng)域的多種小型、低成本有人或無人平臺(tái)上，具備單一或多功能的模塊化作戰(zhàn)單元，形成分層作戰(zhàn)樣式。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）于2020 年 6 月發(fā)布的“天空博格人”（Skyborg）概念，如圖1所示，展示了有人機(jī)后方控制指揮、可重復(fù)使用的“忠誠僚機(jī)”居中、可消耗的無人機(jī)集群突前，以執(zhí)行最危險(xiǎn)任務(wù)的作戰(zhàn)體系。在軍費(fèi)緊張、大型高價(jià)值作戰(zhàn)武器嚴(yán)重不足的前提下，這些低成本可消耗裝備研究成果為提升作戰(zhàn)效能、早日實(shí)現(xiàn)多域分布式自主作戰(zhàn)提供了保障。為此，在AFRL和DARPA的組織下，美國開展了多項(xiàng)低成本可消耗飛行器、動(dòng)力技術(shù)研究。與此同時(shí)，歐洲、澳大利亞、俄羅斯和日本等國家和地區(qū)也開展了多項(xiàng)忠誠僚機(jī)研究，取得了一定的研究成果。

可消耗低成本飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

在分布式作戰(zhàn)理念下，平臺(tái)、編隊(duì)和任務(wù)類型的組合催生了無人機(jī)集群作戰(zhàn)、彈藥集群、有人-無人協(xié)同等作戰(zhàn)形式，針對這些作戰(zhàn)形式而提出的平臺(tái)方案均以低成本可消耗作為最重要的特征。

圖1 Skyborg概念設(shè)計(jì)

無人機(jī)集群

在美國國防部（DoD）的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下， DARPA、戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）和空軍、海軍等都開展了大量的研究和論證工作，啟動(dòng)了“灰山鶉”項(xiàng)目、“小精靈”項(xiàng)目、低成本無人機(jī)集群技術(shù)（LOCUST）項(xiàng)目和近戰(zhàn)隱蔽一次性自主無人機(jī)（CICADA）項(xiàng)目等多個(gè)集群無人機(jī)項(xiàng)目（見表1）。

彈藥集群

除了無人機(jī)平臺(tái)可作為集群飽和集中式出動(dòng)以外，空射型誘餌彈等彈藥也可以集群出動(dòng)，通過模擬己方戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)回波信號(hào)和飛行特性，欺騙敵防空系統(tǒng)發(fā)射高成本防空導(dǎo)彈攻擊的方式吸引敵方注意力，提高己方飛機(jī)的戰(zhàn)場生存能力。DARPA和AFRL 曾分別提出了小型空射誘餌彈（MALD）項(xiàng)目和“灰狼”（Gray Wolf）巡航導(dǎo)彈項(xiàng)目。

2017年12月，AFRL向洛克希德-馬丁（洛馬）公司和諾斯羅普-格魯門（諾格）公司授予合同，要求研制可“飽和攻擊”敵防空系統(tǒng)的廉價(jià)集群式自主巡航導(dǎo)彈，代號(hào)“灰狼”。為降低成本，導(dǎo)彈采用模塊化設(shè)計(jì)和開放式架構(gòu)，具備可變有效載荷和防區(qū)外發(fā)射能力，設(shè)計(jì)巡航距離超過250n mile，并可進(jìn)行多種任務(wù)配置。按照計(jì)劃，“灰狼”將以網(wǎng)絡(luò)化行為協(xié)作的模式達(dá)到集群打擊的目的。2019年年中，AFRL宣布取消“灰狼”低成本集群巡航導(dǎo)彈項(xiàng)目，同時(shí)啟動(dòng)了讓彈藥具備協(xié)同打擊能力的“金帳汗國”（Golden Horde）項(xiàng)目。

表1 美國集群無人機(jī)項(xiàng)目概況

“忠誠僚機(jī)”

作為分布式作戰(zhàn)——“無人機(jī)+有人機(jī)”協(xié)同作戰(zhàn)的重要平臺(tái)之一，目前，美國、英國、澳大利亞、俄羅斯和日本等均在發(fā)展“忠誠僚機(jī)”相關(guān)項(xiàng)目或技術(shù)。

美國克雷托斯（Kratos）公司在美空軍低成本可消耗無人機(jī)技術(shù)（LCASD）項(xiàng)目下研發(fā)的X-58A目前已完成了6次試飛（如圖2所示），該機(jī)具備大航程、高隱身、低成本、可消耗、作戰(zhàn)模式靈活、保障要求低等優(yōu)點(diǎn)，可與F-22、F-35戰(zhàn)斗機(jī)等構(gòu)成隱身空中編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)。

波音公司同澳大利亞、英國等開展合作，在“澳大利亞工業(yè)能力計(jì)劃”下開發(fā)空中力量編隊(duì)系統(tǒng)（ATS）發(fā)展“忠誠僚機(jī)”，可與F-35、EA-18G電子戰(zhàn)飛機(jī)、E-7預(yù)警機(jī)等協(xié)同作戰(zhàn)，遂行情報(bào)監(jiān)視偵察和電子戰(zhàn)等任務(wù)，該機(jī)由人工智能賦能，外形隱身，生產(chǎn)成本約200萬美元，與XQ-58A批生產(chǎn)成本相當(dāng)。2021年3月1日，波音公司“忠誠僚機(jī)”首飛成功，后續(xù)將進(jìn)行更復(fù)雜的飛行試驗(yàn)。

2019年7月底，英國國防部通過皇家空軍“快速能力辦公室”在名為“蚊子”的輕量級(jí)經(jīng)濟(jì)可承受新型戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目下開發(fā)新型無人機(jī)，將在2022年首飛后會(huì)開展一系列驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖2 X-58A無人機(jī)

俄羅斯米格飛機(jī)公司正為米格-35戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)一種高速無人僚機(jī)，該機(jī)可由米格-35控制，也能使用人工智能技術(shù)與有人機(jī)配合作戰(zhàn)。

日本在2016年發(fā)布的技術(shù)路線圖中指出，要發(fā)展一種高性能自主飛機(jī)概念，作為有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)的助手，計(jì)劃于2030年實(shí)現(xiàn)部署。

印度斯坦航空公司在2019年度印度航展上推出了隱身無人僚機(jī)。該機(jī)機(jī)長6m，續(xù)航時(shí)間80min，航程800km，擁有多種作戰(zhàn)功能。

可消耗高超聲速多任務(wù)飛行器

除了集群無人機(jī)、“忠誠僚機(jī)”、誘餌彈等以亞聲速飛行的低成本可消耗平臺(tái)，美國還積極開發(fā)高超聲速可消耗飛行平臺(tái)。2020年8月， AFRL在網(wǎng)上了發(fā)布“可消耗高超聲速多任務(wù)吸氣式驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃”（Mayhem）信息征詢書，提出將開展設(shè)計(jì)、制造和與大型巡航導(dǎo)彈集成的競賽，涉及兩個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域：推力開發(fā)和地面測試；超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和集成。

AFRL稱，Mayhem系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)將比現(xiàn)有的高超聲速飛行器搭載更多的載荷并飛行更遠(yuǎn)的距離；采用模塊化的載荷艙，可搭載或者發(fā)射至少3種以上不同的載荷，執(zhí)行多種任務(wù)。AFRL希望飛行器有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的載荷界面，便于集成多種載荷。

2020年11月30日，美國國防部公布與澳大利亞合作進(jìn)行 “南十字星綜合飛行研究試驗(yàn)”（SCIFiRE），將新技術(shù)引入DARPA“吸氣式高超聲速武器概念”（HAWC）。HAWC項(xiàng)目目標(biāo)是完善包括能夠有效進(jìn)行高超聲速飛行的先進(jìn)飛行器配置，實(shí)現(xiàn)持續(xù)高超聲速巡航的碳?xì)涑紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，專為高溫巡航設(shè)計(jì)的熱管理方法，價(jià)格低廉的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制造方法在內(nèi)的一系列技術(shù)。

可消耗無人飛行器動(dòng)力

可消耗無人飛行器大概可分為集群無人機(jī)、“忠誠僚機(jī)”、可消耗高超聲速導(dǎo)彈和無人機(jī)等，不同飛行器對應(yīng)的動(dòng)力需求不同。對于“郊狼”“灰山鶉”這類代替空射誘餌，執(zhí)行誘導(dǎo)欺騙、前出偵察等任務(wù)的微小型集群無人機(jī)而言，其本身質(zhì)量只有幾千克，一般采用純電驅(qū)動(dòng)。對于“小精靈”無人機(jī)這種執(zhí)行高端、反介入/區(qū)域拒止（A2 / AD）環(huán)境高強(qiáng)度戰(zhàn)略任務(wù)的集群無人機(jī)而言，其作戰(zhàn)半徑達(dá)900km、可重復(fù)多次使用等特點(diǎn)都導(dǎo)致必須采用高性能、低成本渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)?！爸艺\僚機(jī)”相對集群無人機(jī)而言，體積更大，需要伴隨在有人機(jī)左右，性能要求相對集群無人機(jī)更高，也需要采用渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)?？上膩喡曀賹?dǎo)彈一般要求發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，耐儲(chǔ)存、成本低、迎風(fēng)面積小，結(jié)構(gòu)簡單的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力。可消耗高超聲速導(dǎo)彈或無人機(jī)一般采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC）。目前，世界上的可消耗無人作戰(zhàn)平臺(tái)有一部分選用的是現(xiàn)貨動(dòng)力，這些動(dòng)力中并不是所有的都能嚴(yán)格滿足低成本要求，要針對具體需求研究新型發(fā)動(dòng)機(jī)。

現(xiàn)有動(dòng)力型號(hào)

X-61A是一種小型、網(wǎng)絡(luò)化、集群作戰(zhàn)型無人機(jī)，屬于半一次性偵察與電子戰(zhàn)無人機(jī)。其最優(yōu)性能目標(biāo)為設(shè)計(jì)載重54.5kg、最大速度不小于Ma0.8、設(shè)計(jì)壽命為使用20次、出廠單價(jià)（不包括載荷）低于70萬美元。X-61A目前采用F107渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，額定推力為2.67～6.22kN，質(zhì)量為59～65kg，儲(chǔ)存壽命為10年，工作壽命為50h左右，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、耗油率低的特點(diǎn)。該發(fā)動(dòng)機(jī)2014年的價(jià)格為19萬美元，占主機(jī)成本目標(biāo)的27%。

MALD各型號(hào)分別采用TJ50、TJ120和TJ150發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力。TJ50是美國漢勝公司（現(xiàn)隸屬于雷神技術(shù)公司）1996年開始研制的單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于微小型軍用固定翼無人機(jī)。美國漢勝公司在TJ50的基礎(chǔ)上，后續(xù)發(fā)展了TJ120和TJ150發(fā) 動(dòng) 機(jī)。TJ50是 為 應(yīng) 對DARPA小型發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研計(jì)劃研發(fā)的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，目的是進(jìn)一步發(fā)展尺寸小、價(jià)格便宜的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，基本能滿足MALD這類可消耗彈藥的要求。

作為伴隨在有人機(jī)附近的“忠誠僚機(jī)”，大型可消耗無人機(jī)XQ-58A目前選裝1臺(tái)現(xiàn)貨渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)FJ33-5，但其價(jià)格占總成本目標(biāo)的40%，且FJ33-5渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)間間隔達(dá)到3500h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了XQ-58A飛機(jī)200～300h的飛行要求，無法達(dá)到其壽命和成本目標(biāo)。

研制新進(jìn)展

為適應(yīng)作戰(zhàn)模式不斷演變下的飛行器動(dòng)力需求，2018—2026財(cái)年，AFRL計(jì)劃通過經(jīng)濟(jì)可承受任務(wù)（ATTAM）項(xiàng)目的先進(jìn)渦輪技術(shù)，在渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域投資7.25億美元，研發(fā)一系列用于下一代高、中、低功率渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)。為了滿足未來發(fā)動(dòng)機(jī)支撐更多電力系統(tǒng)、定向能武器、功率更大的傳感器等需求，同時(shí)提高推進(jìn)效率和飛行器自身的能量水平，納入了綜合能量與熱管理技術(shù)要求。包括波音、克雷托斯、GE航空、霍尼韋爾、洛馬、諾格、普惠、羅羅和威廉姆斯國際等在內(nèi)的9家公司收到了關(guān)于小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的ATTAM第一階段合同。

克雷托斯公司在2019年2月收購了佛羅里達(dá)渦輪技術(shù)（FTT）公司、成立新的克雷托斯渦輪技術(shù)（KTT）分部后，加速推進(jìn)小型發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目研發(fā)，發(fā)展用于下一代戰(zhàn)術(shù)武器和戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)的小型發(fā)動(dòng)機(jī)，適裝于比“捕食者”無人機(jī)還小的飛行器。KTT分部正在考慮將新發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力定為4.5kN，用3D打印技術(shù)制造獨(dú)特的軸承，可減少渦輪增壓器對燃油量的需求，同時(shí)有助于簡化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使之更易維護(hù)且降低故障發(fā)生率。此外，KTT分部也在3D打印更輕的換熱器，可在排氣過程中回收熱量，并將其再利用于提升進(jìn)氣溫度，使燃料更易燃燒。目前，克雷托斯公司的新型發(fā)動(dòng)機(jī)尚未研發(fā)完畢。

2019年11月8日，AFRL宣布其在13個(gè)月內(nèi)完成了一臺(tái)小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和測試，并于11月6日在其總部萊特-帕特森空軍基地進(jìn)行了首次測試。這臺(tái)小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)又被稱為“快速反應(yīng)開源發(fā)動(dòng)機(jī)”，既要做到快速開發(fā)，同時(shí)通過“開源”的方式，將其制造交給美國的制造商。雖然美國空軍擁有這種小型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但一旦完成發(fā)動(dòng)機(jī)測試和鑒定，空軍就放棄后續(xù)緩慢的研制和完善過程，將其交給低成本制造商，由制造商以更加經(jīng)濟(jì)的方式為美國空軍平臺(tái)進(jìn)行小批量生產(chǎn)。這種開發(fā)成本與采購成本分開的新發(fā)動(dòng)機(jī)研制方法可降低3/4成本。該發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸很適合小型無人機(jī)或巡航導(dǎo)彈，但AFRL尚未披露該型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的推力額定值。AFRL表示，正在分析第一次發(fā)動(dòng)機(jī)測試的數(shù)據(jù)，并計(jì)劃建造第二個(gè)更小、更輕的發(fā)動(dòng)機(jī)版本。

2020年3月，AFRL宣布已與諾格公司、TDI公司合作測試了推力為890N的低成本渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)TDI-J85。作為美國低成本巡航導(dǎo)彈項(xiàng)目“灰狼”的產(chǎn)物，為提高產(chǎn)量，TDI-J85的設(shè)計(jì)著重于經(jīng)濟(jì)可承受性和可制造性。飛行測試中，TDI-J85發(fā)動(dòng)機(jī)在高空進(jìn)行了多次空中起動(dòng)，達(dá)到了推力性能要求，燃油效率超過預(yù)期。AFRL接下來將利用最新的飛行測試數(shù)據(jù)將TDI-J85發(fā)動(dòng)機(jī)集成到“灰狼”測試飛行器中。

2019年10月，普惠公司披露其短吻鱷工廠正在設(shè)計(jì)一型推力為3.1kN、可用于下一代巡航導(dǎo)彈或戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，其成本必須達(dá)到空軍設(shè)定的10萬美元以下的目標(biāo)，服役壽命約為20次任務(wù)。短吻鱷工廠只有15名工程師，在借鑒TJ150發(fā)動(dòng)機(jī)的部分核心機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，采用數(shù)字工程和增材制造來迭代該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。在不到一年的時(shí)間里，新的核心機(jī)完成了設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)。新的核心機(jī)還可用于包括亞聲速和超聲速飛行器在內(nèi)的多種用途，燃油效率至少提高了10%，成本比當(dāng)前至少低30%。

2020年8月，羅羅公司的自由工廠也宣布在不到一年的時(shí)間內(nèi)，完成了從小型低成本燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)設(shè)計(jì)到核心機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的過程，該核心機(jī)可縮放設(shè)計(jì)，制造和材料技術(shù)能滿足美國國防部對有限壽命或可消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的大量要求。羅羅公司表示，對于該驗(yàn)證機(jī)而言，可縮放和負(fù)擔(dān)得起是兩大關(guān)鍵因素，在設(shè)計(jì)制造過程中，主要通過創(chuàng)新方法設(shè)計(jì)每一個(gè)部件，用增材制造技術(shù)減少零部件的數(shù)量，令成本最小化。將小型發(fā)動(dòng)機(jī)演示驗(yàn)證作為基準(zhǔn)分析工具和模型，可縮短未來小型發(fā)動(dòng)機(jī)解決方案設(shè)計(jì)時(shí)間。

另外，在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方面，包括航空噴氣-洛克達(dá)因、洛馬和諾格在內(nèi)的30余家企業(yè)都對Mayhem計(jì)劃作出了回應(yīng)。其中，諾格公司和航空噴氣-洛克達(dá)因公司在AFRL的中等尺寸關(guān)鍵部件（MSCC）計(jì)劃下研發(fā)的大推力超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)分別于2019年8月和2020年12月完成了為期9個(gè)月和12個(gè)月的地面試驗(yàn)，都獲得了超過57.8kN的推力。而美國國家航空航天局（NASA）和DARPA都在進(jìn)行渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，DARPA表示在與洛馬及航空噴氣-洛克達(dá)因等公司合作下，已經(jīng)對進(jìn)氣口、渦輪和噴管等部件進(jìn)行了測試，將在不久的將來測試雙模沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，美國空軍尚未明確Mayhem的動(dòng)力方案。

結(jié)束語

在軍費(fèi)有限的大前提下，為了應(yīng)對大國競爭，美國及其他國家的軍隊(duì)作戰(zhàn)模式向分布式作戰(zhàn)、多域聯(lián)合作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，需要大量可消耗、低成本飛行平臺(tái)及自主協(xié)同作戰(zhàn)軟件，以美歐為代表的國家和地區(qū)已開展了多項(xiàng)針對性研究，取得了一定的進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，其低成本動(dòng)力的需求也不容小覷，簡化設(shè)計(jì)，并采用快速研發(fā)模式（低成本設(shè)計(jì)、增材制造和數(shù)字工程），都是實(shí)現(xiàn)低成本動(dòng)力的捷徑，可供參考。