■ 賴耀勝 李龍 / 中國航發(fā)渦輪院

美國忠誠僚機（Loyal Wingman）的研制方向隨著裝備發(fā)展的需求變化，正從傳統(tǒng)意義上的低成本轉(zhuǎn)為相對意義上的低成本，其功能定位也從單純的偵察、電子戰(zhàn)和對地打擊的無人機轉(zhuǎn)向了對空、對地打擊能力較強的無人戰(zhàn)斗機，總體上體現(xiàn)了美國空軍有人/無人裝備協(xié)同的體系化作戰(zhàn)思想。

忠誠僚機（Loyal Wingman）指具有自主性的無人作戰(zhàn)飛機，可執(zhí)行對空對地攻擊、誘餌、電子戰(zhàn)、情報/監(jiān)視/偵察等多種任務(wù)，能以較低成本實現(xiàn)更強的空中作戰(zhàn)能力，是無人機向主戰(zhàn)方向發(fā)展的代表機型。在具體裝備運用上，作為僚機的無人機具有以下優(yōu)勢：可以攜帶機載武器，充當有人機的彈藥庫；可以攜帶傳感器，為有人機的協(xié)同打擊提供目標指示和導引；可以攜帶電子戰(zhàn)載荷，為有人機提供電子支援。隨著軍事作戰(zhàn)需求的發(fā)展和演變，其作戰(zhàn)樣式也不拘一格，可由一架長機隨行多架不同功能僚機協(xié)同作戰(zhàn)。

XQ-58A“女武神”低成本可消耗無人機

2015年， 美國空軍研究實驗室（AFRL）啟動了低成本可消耗打擊驗證機（LCASD）項目，美國克雷托斯（Kratos）公司的XQ-58A“女武神”中標，并在隨后的兩年半時間內(nèi)完成了第一架驗證機的首飛。2020年 年 底，XQ-58A完 成 了 與F-22和F-35戰(zhàn)斗機的編隊飛行，擔任了這兩型戰(zhàn)斗機的通信中繼機；2021年年底，克雷托斯公司表示將開始向美國空軍交付第一批次“女武神”驗證機，但截至目前未有后續(xù)的相關(guān)消息。“女武神”無人機初始設(shè)定成本為200萬～300萬美元，盡管后來成本上升到300萬～400萬美元，但相對于美國幾型有人戰(zhàn)斗機上億美元的單價，價格可謂是相當?shù)土?，是傳統(tǒng)意義上的“低成本忠誠僚機”，但也意味著其功能相對于有人戰(zhàn)斗機會比較有限，“女武神”的功能主要包括誘餌、偵察、通信中繼、對地攻擊和電子戰(zhàn)干擾，基本不具備對空作戰(zhàn)能力，這也是美國早期忠誠僚機的主要發(fā)展方向。

無人忠誠僚機和有人戰(zhàn)斗機協(xié)同作戰(zhàn)示意

XQ-58A“女武神”無人機

“機外感知站”低成本無人機

波音MQ-28A無人機

2021年2月，作為低成本可消耗打擊驗證機項目的延續(xù)，美國空軍研究實驗室發(fā)布了一個新的低成本可消耗飛機項目，目標是開展“機外感知站”（OBSS）可消耗飛機飛行試驗，繼續(xù)驗證其低成本設(shè)計和制造方法。OBSS無人機作為低成本可持續(xù)使用、深入高威脅區(qū)域獲取目標信息、伴隨五代機作戰(zhàn)的忠誠僚機，將采用開放式架構(gòu)，能夠快速低成本投產(chǎn)。該型飛機壽命只有幾年，只需要進行有限的外場維護，不需要返廠維修。由此可見，OBSS忠誠僚機仍然是傳統(tǒng)意義上的低成本忠誠僚機。2021年10月，空軍研究實驗室分別將1780萬美元和1770萬美元的成本加固定費用的項目競爭合同授予美國通用原子公司和克雷托斯公司，勝出的公司進行后續(xù)開發(fā)工作。為了響應OBSS項目，克雷托斯公司和通用原子公司分別在2022年1月和2022年3月公布了 “魔王”（Demogorgon）和“棄兵”（Gambit）無人機系統(tǒng)?！澳酢睙o人機預計單價為800萬美元，大約是生產(chǎn)型“女武神”的兩倍；而“棄兵”是一個采用數(shù)字工程設(shè)計的自主協(xié)作平臺（ACP），可以加快上市時間，降低采購成本，并提供擴展和增強的態(tài)勢感知能力。

“下一代空中優(yōu)勢”和B-21的忠誠僚機

“棄兵”無人機

2021年12月，美國國防部表示將在2023財年預算中編入兩種無人作戰(zhàn)飛機的研制計劃，一種作為B-21隱身轟炸機的無人僚機，另一種則是“下一代空中優(yōu)勢”（NGAD）戰(zhàn)斗機的忠誠僚機，成本最多為各自“長機”的一半。2022年3月，美國空軍公布了B-21的忠誠僚機部分非保密性能參數(shù)，如亞聲速巡航、航程不低于2780km、有效載荷不低于1800kg，以及可在敵方雷達、射頻無源探測裝置和紅外傳感器密集的環(huán)境中作戰(zhàn)等。這表明該無人機將是一款大型遠程無人機，能夠?qū)崟r支援有人機的作戰(zhàn)。美國國防部同時表示，基于來自工業(yè)界的回應，目前仍有放棄為B-21提供半價無人僚機的可能性；而對于NGAD，有人駕駛和無人駕駛飛機混合帶來的成本效益更具確定性，不出意外，NGAD應該會配備無人僚機。

2022年5月，美國國防部表示，NGAD計劃中的忠誠僚機——合作式作戰(zhàn)飛機（CCA）可能會跳過技術(shù)成熟與風險降低（TMRR）階段，直接進入工程研制（EMD）階段。CCA將以“天空博格人”（Skyborg）項目的自主技術(shù)演示驗證活動、國防預先研究計劃局（DARPA）的“空戰(zhàn)進化”（ACE）智能算法項目和波音公司MQ-28A無人機項目等為基礎(chǔ)，從而加快研制進度。CCA預計可攜帶傳感器、通信系統(tǒng)、武器、對抗系統(tǒng)和其他任務(wù)系統(tǒng)，有能力執(zhí)行“全套戰(zhàn)術(shù)行為”，以此推測，NGAD的忠誠僚機將是一架無人戰(zhàn)斗機。

忠誠僚機由絕對低成本轉(zhuǎn)為相對低成本

對于B-21來說，目前該機的單價目標為6.4億美元（2021財年幣值5.5億美元），這意味著其無人僚機的單價約為3.2億美元，相當于4架F-35A戰(zhàn)斗機。對于NGAD來說，雖然美國空軍尚未宣布項目中有人駕駛戰(zhàn)斗機的價格，但根據(jù)美國國會預算辦公室（CBO）2018年12月對“下一代空中優(yōu)勢戰(zhàn)斗機”（PCA）的成本估算，NGAD的無人僚機單價約為1.5億美元。上述兩款僚機的成本已經(jīng)遠遠脫離了傳統(tǒng)的“低成本”范疇。

美國空軍忠誠僚機經(jīng)過多年發(fā)展，從最初的有人改無人方案，到后續(xù)的快速新研低成本方案，直至最新的借助已有項目研究基礎(chǔ)快速研發(fā)方案，體現(xiàn)了美國空軍快速采辦和快速研發(fā)的思想，其平臺功能也從電子戰(zhàn)、對地攻擊和偵察向全套戰(zhàn)術(shù)能力升級。在對忠誠僚機的功能要求越來越高的同時，對成本的要求也漸漸發(fā)生了變化。起初美國空軍研究實驗室將低成本可消耗無人機平臺定義為單價200萬～2000萬美元，如“女武神”最初的成本目標是200萬～300萬美元，但是B-21和NGAD的忠誠僚機單價都是上億美元，明顯已經(jīng)不符合最開始的低成本定義。換一個角度看，B-21和NGAD的忠誠僚機相對于其各自長機而言，成本只有其一半，且戰(zhàn)損后不會帶來飛行員的損失，仍然具備可消耗特征，這可以稱得上是相對意義上的“低成本”。

無獨有偶，俄羅斯在發(fā)展忠誠僚機時也有兩條路線：傳統(tǒng)低成本的輕型“雷霆”無人機和具備較強空戰(zhàn)能力的“獵人”無人戰(zhàn)斗機。前者可執(zhí)行情報收集、監(jiān)視偵察和電子干擾以及空對地作戰(zhàn)任務(wù)，潛在應用場景為米格-29、米格-35戰(zhàn)斗機的忠誠僚機；后者可載彈2 ～2.8t，潛在目標為蘇-57戰(zhàn)斗機的忠誠僚機。

低成本忠誠僚機需要低成本動力

美國空軍的忠誠僚機發(fā)展遵循了從絕對低成本到相對低成本的發(fā)展規(guī)律，作為飛行器核心之一的發(fā)動機，也具備相應的“低成本”特點。

各國在進行新型低成本無人機系統(tǒng)動力研發(fā)時，從管理和設(shè)計、制造方面都采取了一些措施。例如，美國空軍研究實驗室和普惠公司及羅羅公司在進行低成本無人機動力研制時，成立了創(chuàng)新研發(fā)機構(gòu)，采取新型研發(fā)思維，在保留知識產(chǎn)權(quán)的前提下，將發(fā)動機設(shè)計和制造分離，并精簡研發(fā)流程，達到縮短研發(fā)時間，降低研發(fā)成本的目的；克雷托斯公司在開展低成本可消耗發(fā)動機設(shè)計時，曾采用目標壽命設(shè)計，在一年多時間內(nèi)完成了一型低成本可消耗發(fā)動機核心機的設(shè)計和試驗，此外還采用了增材制造手段將發(fā)動機的多個零件簡化為一個整體，降低了加工難度；另外，捷克PBS 公司在開展低成本無人機系統(tǒng)發(fā)動機設(shè)計時去除了滑油系統(tǒng)，通過燃油系統(tǒng)來冷卻和潤滑零部件，簡化設(shè)計的同時降低了生產(chǎn)和使用維護成本。

俄羅斯“雷霆”輕型無人機

配裝俄羅斯“雷霆”無人機的AI-222-25發(fā)動機

除了新研低成本無人機動力外，各國還利用成熟有人機發(fā)動機的核心機，重新設(shè)計低壓系統(tǒng)，實現(xiàn)低成本無人機動力。為了適應無人機在工作包線和過載方面的需求，MTU公司嘗試在EJ200低壓軸上安裝一體化低壓發(fā)電系統(tǒng)，在高壓轉(zhuǎn)子上安裝一體化起動機/發(fā)電機，同時從高壓和低壓轉(zhuǎn)子提取功率，并增加一體化熱管理系統(tǒng)，滿足顯著增大的電功率需求和熱管理要求；此外，還改進了滑油排放裝置，采用長壽命滑油，滿足長期儲存要求。

隨著仿真、建模、人工智能技術(shù)的進步，多家航空發(fā)動機制造商探索數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動機全生命周期的應用，縮短研制周期的同時，達到降低發(fā)動機成本的目的。如俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機公司（UEC）和中央航空發(fā)動機研究院（CIAM）就在共同開發(fā)AI-222-25渦扇發(fā)動機過程中采用了數(shù)字孿生技術(shù)，該發(fā)動機被選為俄羅斯低成本僚機“雷霆” 的 動力。UEC和CIAM認為，AI-222-25系列發(fā)動機的數(shù)字孿生技術(shù)可以發(fā)展發(fā)動機的壽命、可靠性和維修性等關(guān)鍵特性，并降低制造和維護成本。

綜上所述，對于“絕對低成本”的忠誠僚機，可以基于飛機有限壽命開展目標壽命設(shè)計，通過去掉不必要的零部件達到簡化發(fā)動機結(jié)構(gòu)的目的，以降低加工難度的同時降低加工成本的手段實現(xiàn)低成本發(fā)動機。對于“相對低成本”的忠誠僚機，受限于高性能要求，其發(fā)動機性能要求也會比較苛刻，在保證性能基礎(chǔ)上，各國多采用以下新研發(fā)技術(shù)和手段保障低成本：一是在研發(fā)管理方面貫徹數(shù)字工程理念，通過探索發(fā)動機模型庫、方法庫、環(huán)境庫的方法，建立發(fā)動機在不同階段、不同狀態(tài)下的數(shù)字模型庫，采用流程化、標準化發(fā)動機的設(shè)計、仿真與驗證方法，實現(xiàn)以數(shù)字化和仿真為重要手段的敏捷研發(fā)；二是采用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建精準映射實際研發(fā)過程的數(shù)字化空間，對發(fā)動機研制過程中的“需求—功能—架構(gòu)—定義—實現(xiàn)”各環(huán)節(jié)開展基于數(shù)字孿生的虛擬設(shè)計、驗證和迭代，減少試驗時數(shù)和物理迭代輪次，進而達到提升設(shè)計質(zhì)量，降低研制成本，縮短研發(fā)周期的目的；三是基于傳統(tǒng)發(fā)動機研制方法，按照通用化、模塊化的設(shè)計思想，采用已經(jīng)過有人戰(zhàn)機應用檢驗的成熟發(fā)動機核心機技術(shù)，縮短研制周期，降低研制費用；四是運用增材制造等先進且成熟的加工工藝，減少昂貴材料的損耗，降低加工成本。

結(jié)束語

美國忠誠僚機經(jīng)過多年的發(fā)展，其思路正在從以偵察和電子戰(zhàn)功能為主的絕對低成本，向注重對空和對地作戰(zhàn)功能、與有人戰(zhàn)機相比的相對低成本轉(zhuǎn)變，并已形成了多種方案，未來可能覆蓋第五代、第六代戰(zhàn)斗機和下一代轟炸機。忠誠僚機的意義在于以較低成本實現(xiàn)較高的作戰(zhàn)效能，其本身的低成本技術(shù)和發(fā)動機的低成本技術(shù)都值得關(guān)注，航空發(fā)動機研制機構(gòu)應提前布局，加強發(fā)動機低成本技術(shù)研究，從而滿足未來作戰(zhàn)體系裝備需求。