■ 王奉明 王永梅 / 中國航發(fā)研究院 張雷 蔡松冶 / 93128部隊

遠程戰(zhàn)略轟炸機均為重型轟炸機，主要用于深入敵后，對軍事基地、交通樞紐、經濟和政治中心等戰(zhàn)略目標實施轟炸，其起飛質量多在200t以上、載彈量大于20t，航程達10000km以上，是一個國家航空軍事技術實力的重要體現，在軍事上的戰(zhàn)略地位不可替代。

由于技術門檻高、研制經費高以及與國家軍事需求結合緊密等特點，目前只有美國、俄羅斯擁有遠程戰(zhàn)略轟炸機。按照服役年代和技術水平，遠程戰(zhàn)略轟炸機一般被分為三代：第一代為20世紀50—60年代開始服役的B-52和圖-95高亞聲速戰(zhàn)略轟炸機；第二代為20世紀70—80年代開始服役的B-1B和圖-160可變后掠翼超聲速戰(zhàn)略轟炸機；第三代為20世紀90年代開始服役的B-2高亞聲速隱身戰(zhàn)略轟炸機。

遠程戰(zhàn)略轟炸機動力概況

美國的第一代遠程戰(zhàn)略轟炸機B-52為亞聲速常規(guī)布局轟炸機，研制初期安裝的是J57渦噴發(fā)動機，1960年為增加航程和節(jié)省燃油，改為耗油率較低的TF33中等涵道比渦扇發(fā)動機；第二代的B-1B為后掠翼超聲速轟炸機，考慮超聲速突防和兼顧航程要求，采用中等涵道比加力渦扇發(fā)動機，配裝了涵道比為2的F101-GE-102發(fā)動機；第三代的B-2為亞聲速飛翼布局隱身轟炸機，為實現內埋安裝，要求發(fā)動機結構緊湊、迎風面積小，因此選擇涵道比為0.8的小涵道比渦扇發(fā)動機，是在F110發(fā)動機基礎上改進研制的。據資料表明，美國下一代遠程戰(zhàn)略轟炸機LRS-B為 “更加隱身、更加便宜、更加好用” 的亞聲速飛翼布局隱身飛機，經初步分析，動力裝置為在F-35飛機的F135發(fā)動機基礎上研制的。

圖1 美國的幾型遠程戰(zhàn)略轟炸機

圖2 蘇聯/俄羅斯兩型遠程戰(zhàn)略轟炸機

蘇聯/俄羅斯的第一代遠程戰(zhàn)略轟炸機圖-95為亞聲速常規(guī)布局轟炸機，采用TV-2渦槳發(fā)動機；第二代圖-160為后掠翼超聲速轟炸機，考慮超聲速突防和兼顧航程要求，采用中等涵道比加力渦扇發(fā)動機，即涵道比為2的HK321發(fā)動機。有資料表明，俄羅斯下一代轟炸機PAK-DA為亞聲速飛翼布局隱身飛機，估計載彈量24t、航程12000～15000km，其配套動力裝置的起飛推力應在117.68kN（12000kgf）以上。

表1 遠程戰(zhàn)略轟炸機及其動力對比

B-2轟炸機動力分析

B-2轟炸機的發(fā)展理念對后來遠程戰(zhàn)略轟炸機的發(fā)展具有重要影響，其動力的選型理念和發(fā)展理念也值得具體分析和借鑒。

B-2轟炸機采用的F118-GE-100發(fā)動機是在F101-GE-100和F110-GE-100發(fā)動機基礎上，貫徹低成本、低技術風險的研制道路，并根據飛機需求調整低壓部件改進而來。該發(fā)動機于1982年進行第一次臺架試車，1987年具備生產能力，1989年裝在B-2A飛機上進行試飛，2002年完成了數控系統的高空臺試驗。

根據表2數據可以看出，F118發(fā)動機的主體結構與F110發(fā)動機一致，但是推力有所增大，主要是因為采取以下幾個技術措施：一是增加了空氣流量，由122kg/s提高到131kg/s；二是增加了壓比，核心機壓比由9.5提高到11；三是增加了渦輪進口燃氣溫度，由1371℃提高到1427℃；四是通過去掉加力燃燒室，降低了流道內的阻力，加力燃燒室冷態(tài)的總壓恢復系數為0.98左右，發(fā)動機耗油率基本保持不變，推力增加0.5%。這些改變需要的就是通過調整發(fā)動機的控制規(guī)律就能實現，無須對發(fā)動機進行大改，符合美國一貫追求的低成本和低技術風險理念。

通過上述分析可知，F101發(fā)動機為中等涵道比渦扇發(fā)動機，具有耗油率低的特點，但是直徑較大；F110發(fā)動機為中小涵道比渦扇發(fā)動機，耗油率相對較高，但是半徑較?。ū菷101發(fā)動機小0.22m）。轟炸機追求大航程，要求耗油率要低，美國為何采用F110發(fā)動機作為B-2 轟炸機動力的改進基礎，卻不采用耗油率更低的F101發(fā)動機為基礎？這主要是因為，美國在發(fā)展遠程轟炸機時，從系統的角度對B-2轟炸機的動力選擇進行了深入分析。

表2 三型發(fā)動機技術特點

圖3 發(fā)動機最大直徑與飛機巡航升阻比關系

發(fā)動機最大直徑對飛機升阻比的影響

對于發(fā)動機內埋安裝的飛機，發(fā)動機最大直徑越大，飛機迎風面積就越大，飛機升阻比越低。從圖3中可以看出，對于某一特定的飛機氣動布局，當發(fā)動機最大直徑由1.3m增加到1.7m時，其巡航升阻比下降了約18%。根據布雷蓋航程公式，升阻比越小，航程越短。

發(fā)動機最大直徑對飛機隱身特性的影響

圖4 發(fā)動機尺寸對飛機的影響示意

對于發(fā)動機內埋安裝的隱身飛機，S形進、排氣系統的長度和體積正比于發(fā)動機的直徑。據研究，S形進氣道和S形尾噴管長度是其進氣直徑的3～4倍時才具有較高的氣動效率，擁有較大直徑的發(fā)動機與較小直徑的發(fā)動機相比，進行埋入式設計時，遮擋發(fā)動機雷達反射的進、排氣系統的設計難度就越大，且飛機機體長度將會更大、高度更高。除了隱身不易實現外，還會帶來采購成本、燃油消耗增加等缺點。

對于某一特定飛機氣動布局，當發(fā)動機的最大直徑由1.5m增加到1.7m時，原始機體（不采取任何隱身措施）的前向雷達截面積（RCS）增大了33%。因此，包括B-2轟炸機在內的大多數亞聲速隱身飛機通常采用戰(zhàn)斗機發(fā)動機的無加力型。

通過飛機性能計算可以看出，發(fā)動機直徑的變大雖然會帶來發(fā)動機推力的增加，同時也會導致飛機機身變厚，引起飛行阻力的增加，發(fā)動機推力增加帶來的收益甚至會因飛行阻力的增加被完全抵消，B-2轟炸機選型時就是因為這個原因舍棄了F101發(fā)動機。

新一代遠程戰(zhàn)略轟炸機及配套動力

與前幾代相比，美國新一代遠程戰(zhàn)略轟炸機的發(fā)展模式有所突破。一種發(fā)展方向是吸取了B-2 轟炸機成本高、維修性差的教訓，向著低成本、強隱身方向發(fā)展。據報道，美國空軍在2015年授予了諾斯羅普-格魯門（諾格）公司新一代遠程轟炸機B-21（如圖5所示）的工程與制造發(fā)展（EMD）合同，這是美國在冷戰(zhàn)結束后發(fā)展的首型轟炸機。據分析，該機最大起飛質量為68～80t，內埋載彈量為5.5～9.1t，不進行空中加油的作戰(zhàn)半徑為3900～4600km，這些參數低于現役的B-2轟炸機，但具有超隱身、作戰(zhàn)半徑和載彈量適中、武器配置靈活多樣、兼?zhèn)渑R空打擊和防區(qū)外打擊能力等優(yōu)勢。由于采用低成本技術，B-21造價相對低廉，預計采購數量達到100架。B-21轟炸機預計在2021年年底首飛，2025年服役，可選動力裝置包括基于F135發(fā)動機改進的渦扇發(fā)動機和采用具有更高渦輪前溫度的組合循環(huán)發(fā)動機。

新一代遠程戰(zhàn)略轟炸機的另一個方向是向著高速化方向發(fā)展。2013年美國媒體披露了美國高超聲速“察打一體”飛機SR-72概念（如圖6所示），由洛克希德-馬?。羼R）公司的臭鼬工廠研發(fā)。SR-72作為SR-71偵察機的后繼機型，采用無人駕駛模式，飛行速度高達Ma6，可在1h內飛抵全球任何戰(zhàn)略目標，集情報收集、偵察、監(jiān)控、對地攻擊等多用途為一體。2017年，洛馬公司公布了SR-72的部分細節(jié)，動力系統采用兩臺上下并聯式渦輪沖壓組合發(fā)動機（TBCC），其中渦輪發(fā)動機作為低速段動力可以使飛機從起飛加速至Ma3，而亞燃/超燃沖壓發(fā)動機將完成剩余的加速任務。洛馬公司的計劃是先研制一款與F-22戰(zhàn)斗機尺寸相當的縮尺驗證機（可能是有人駕駛）來驗證相關技術，計劃于2023年首飛。

圖5 美國新一代遠程轟炸機B-21藝術渲染圖

圖6 SR-72高超聲速驗證機采用并聯TBCC動力

圖7 PAK DA遠程轟炸機概念圖

俄羅斯新一代遠程轟炸機發(fā)展朝著隱身、大航程和大載彈量方向發(fā)展。其新一代轟炸機PAK DA（如圖7所示）的研發(fā)由圖波列夫公司承擔，采用飛翼氣動布局，亞聲速飛行，航程超過12000km，具有隱身、長續(xù)航（可持續(xù)飛行30h）等特點。該項目2009年啟動，試驗驗證樣機計劃2025年首飛，2028年投入使用。顯然這是一款與B-2類似的遠程戰(zhàn)略轟炸機，所用發(fā)動機據稱是在NK-321基礎上改進而來，其總體技術水平相比美國的較低，但由于其涵道比大，燃油經濟性具有一定優(yōu)勢，有助于航程的增加。

未來遠程戰(zhàn)略轟炸機動力發(fā)展評估

由于采購、維修成本極高，遠程戰(zhàn)略轟炸機采購數量非常有限，一旦進入服役都會延續(xù)幾十年，一般不會在短時間內退役，造成遠程轟炸機“幾代同堂”的現象發(fā)生，其配套動力也是新老發(fā)動機三代同堂。

未來10年內發(fā)展的以亞/超聲速飛行的遠程戰(zhàn)略轟炸機動力的發(fā)展仍將在成熟的常規(guī)中小涵道比渦扇發(fā)動機基礎上進行適應性改進，而不會像當年財大氣粗的美國軍方一樣專門為遠程轟炸機開發(fā)全新的發(fā)動機。另外，GE和普惠公司正在研發(fā)的變循環(huán)發(fā)動機也是非常好的候選動力，因為它能帶給飛機不開加力超聲速巡航、不同工況下燃油經濟性最優(yōu)、隱身等特性，將大大提升飛機性能。

無人/高超聲速組合循環(huán)發(fā)動機是未來發(fā)展方向，雖然美、俄目前在研的遠程戰(zhàn)略轟炸機都是有人駕駛、亞/超聲速飛行，但隱身、火力圈外發(fā)射精確制導武器的高超聲速突防戰(zhàn)術正逐漸被接受，人們不再爭論遠程轟炸機和戰(zhàn)略地地導彈孰輕孰重，反而因為高超速動力越來越成熟而對發(fā)展空天遠程戰(zhàn)略轟炸機充滿熱情，可選的高超動力包括TBCC、強預冷等組合循環(huán)發(fā)動機和脈沖爆震發(fā)動機。

結束語

從目前的現狀來看，擁有遠程戰(zhàn)略轟炸機的國家只有美國和俄羅斯，且三代轟炸機同時在役，未來新老發(fā)動機三代同堂的現象將依然存在。以亞/超聲速飛行的遠程戰(zhàn)略轟炸機動力在未來10年內仍將在成熟的常規(guī)中小涵道比渦扇發(fā)動機基礎上進行適應性改進。同時，隨著遠程戰(zhàn)略轟炸機朝著高速、隱身的方向迅速發(fā)展，無人化和以高超聲速組合循環(huán)發(fā)動機為動力的機型也是未來的重要發(fā)展方向。