臨近空間低動態渦扇動力飛行器應用發展研究

鐘玲玲

(中國民航飛行學院 航空工程學院，四川 廣漢 618307)

0 引言

臨近空間(near space)又稱“近空間”、“近太空”或“亞軌道”，寬泛的定義為高度在20～100 km之間的空域[1]，該空域高于普通航空飛行器的最大高度而又低于軌道飛行器的最低高度，兼具航空航天的空間特點。臨近空間飛行器按飛行速度可分為低動態和高動態兩大類。臨近空間低動態飛行器主要指飛行速度小于或接近聲速，能夠在臨近空間空域執行特定任務的飛行器，主要包括超高空氣球、平流層飛艇、超高空長航時無人機等。近幾十年來，以美國為代表的發達國家均投入大量人力物力發展臨近空間低動態飛行器，制定了相應的研究計劃，并取得了重大進展。臨近空間低動態飛行器的特點決定了其在情報收集、情報傳輸、快速反應等方面具有重要的軍事應用價值，成為當今各主要軍事強國重點研究的熱點之一。臨近空間低動態飛行器將作為軍用航空器和航天器的有效補充，成為未來聯合作戰中一支新的重要力量[2-5]。而以渦扇發動機為動力的臨近空間低動態飛行器近年異軍突起，因其具有快速部署，大范圍任務覆蓋和高任務載荷能力而受到國內外越來越多的關注，具有極高的軍事應用價值[6]。

1 臨近空間飛行器的劃分

飛行高度和速度是臨近空間飛行器生存能力和載荷能力的關鍵因素，下面結合高度速度特性的分析，對臨近空間飛行器進行分類。

根據大氣密度，大致可以將空間分為以下幾個范圍：

(1) 0～20 km

低空稠密大氣層，目前航空器主要飛行范圍，在這個范圍內，飛行器利用空氣動力可以作大過載的機動飛行或長時間留空待機。目前大部分的戰斗機和導彈的攻擊包線集中在這個范圍內，飛行器的生存環境復雜。

(2) 20～35 km

氣動力作用明顯，這個區間飛行器可以利用氣動升力滯留，其飛行特性更偏向傳統航空的特點。這個區域長時間滯留的飛行器可分為低動態和高動態2種類型。

(3) 35～60 km

氣動力作用不太明顯，這個區間飛行器無法利用氣動升力滯留，其飛行軌跡更接近于彈道。

(4) 60～120 km

氣動力作用較弱，基本是起干擾作用，這個區間飛行器的飛行軌跡基本就是彈道。

在高度>25 km，Ma<0.85時，升力系數在0.5～0.6 之間，根據表1所示的動壓計算，飛行器翼載不大于70 kg/m2，顯然作戰平臺無法攜帶一定的作戰載荷長時間留空。Ma>3.5時，升力系數為0.12～0.18，對應翼載大于260 kg/m2，作戰平臺具有長時間留空作戰能力。作戰飛行高度是生存力的關鍵之一，速度是關鍵之二。

由此可見，Ma<0.85的低動態臨近空間飛行器，一般飛行高度在20～25 km之間。25 km以上是高動態高超聲速臨近空間飛行器的飛行范圍。

2 低動態渦扇動力飛行器的能力特點

Ma<0.85的低動態臨近空間飛行器根據動力和能源形式的不同，又分為以下幾種。

低動態的太陽能飛行器[7]與飛艇[8]，飛行速度慢，不能快速部署到距離較遠的目標區域，不能在有限的作戰時間內完成大范圍區域的任務覆蓋。太陽能飛行器有效載荷輕，功率小，不能裝載滿足作戰需求的高性能任務載荷。

表1 動壓表Table 1 Velocity pressure table

高動態飛行器飛行速度快，但留空時間短，不能長時間持續地在特定區域遂行作戰任務。轉彎半徑大，一旦飛過特定任務區域，較難進行該區域的重新覆蓋。

臨近空間低動態渦扇動力飛行器速度適中(600～700 km/h)，抗風能力強，相對于飛艇和太陽能無人機受風速和氣象條件約束小，可以達到全天候不同地理位置的有效部署。風速隨高度層變化曲線如圖1所示(1 ft=0.304 8 m，1 kn=0.514 4 m/s)。與其他低動態和高動態的臨近空間飛行器相比，該平臺具有不可替代的優勢。

臨近空間低動態渦扇動力飛行器有效載荷質量大(大于1 500 kg)，功率大(可達到100 kW以上)，航時長(大于24 h)，轉彎半徑較小，任務重新規劃與部署調整能力較強(如表2所示)。

同時，因其相對于飛艇和太陽能無人機(不大于200 km/h)具有更大的飛行速度，渦扇動力飛行器前出能力強，可以定點在防區周圍部署，也可以前出至作戰區域，與其他裝備形成作戰體系，成為機動的信息節點。

3 國外發展現狀

3.1 美國發展現狀

3.1.1 U-2高空偵察機

在美國空軍的偵察機中，U-2飛機算的上是個“久經考驗的老兵”。雖然U-2偵察機秘密設計和研制于60年前，但年過半百仍在服役。直到2014年3月五角大樓提交了2015財年國防預算草案，決定全部退役U-2戰略偵察機，使用高空無人機取而代之，這標志著一個時代的結束。

U-2在50余年的服役歷程中，有過多種改型，U-2A/C/R分別使用普拉特&惠特尼的PW-J57和PW-J75渦噴發動機，U-2R使用通用電氣公司F118-101渦扇發動機，F118-101渦扇發動機是B-2 飛機F118-100發動機改型，通過改進渦扇部件，提高了發動機流量，增加了使用高度，拓寬了失速邊界，提高了工作效率，進一步提升了U-2的巡航升限和巡航時間。

3.1.2 “全球鷹”無人機

“全球鷹”無人機(圖2)是美國諾斯羅普·格魯門公司研制的高空高速無人偵察機,1994年開始研制，1998年3月樣機試飛，2001年春天通過了系統設計，11月就匆匆投入了對塔利班的軍事打擊行動?！叭蝥棥币碚?5.4 m，長13.5 m，高4.62 m，最大飛行速度644 km/h，最大飛行高度20 500 m，空重4 060 kg，最大起飛質量11 622 kg。它身體龐大、雙翼直挺，翼展超過波音747飛機，球狀機頭將直徑達1.2 m的雷達天線隱藏了起來?！叭蝥棥睓C載燃料超過7 000 kg，占全機質量的60%，可攜帶900 kg有效載荷。最大航程達25 945 km，自主飛行時間長達41 h，可以完成跨洲際飛行，可在距發射區5 500 km的目標區上空停留24 h 進行連續偵察監視(U-2偵察機在目標上空僅能停留10 h)。

羅·羅公司AE 3007H渦扇發動機(圖3)[9]具有高性能、低成本、低風險等特征，因而在1994年被“全球鷹”項目選中。該發動機在海平面標準天氣條件下能產生8 500 lb(3 855.6 kg)推力。聯邦航空局(FAA)早已鑒定了多種AE 3007發動機的民用改型，這些發動機已應用在巴西航空工業公司EMB 145/140/135系列支線噴氣飛機和Cessna Citation X商務噴氣飛機上。AE3007H則受益于AE3007可靠性的極大提高，這是通過800多萬飛行小時的聯合商務空運獲得的。AE3007的主要部件已積累了很多的商務空運經驗。AE3007H發動機只有3個特有的部件：全權限數字式發動機控制(FADEC)設備(雖然主要差別在于特殊用途軟件是開發自民用改型)、輔助回油泵、電子排氣控制閥。

3.1.3 白色騎士二號

2009年7月30日美國奧什科什報道維珍公司建造的“白色騎士二號”飛機(圖4，5)28日在美國威斯康星州奧什科什市世界最大的航空展上首次公開亮相。這種飛機是世界上最大的全合成材料飛機，維珍公司將用它把第1艘商業載人飛船“太空船2號”送上太空。在設計上，“白色騎士二號”的雙機身用于搭載進行亞軌道飛行的太空船。2008年，“白色騎士二號”最大飛行高度達到21 300 m，駕駛艙位于右側機身。翼展為43 m，長度24 m。有效載荷達到17 000 kg。

表2 臨近空間低動態飛行器種類Table 2 Near space low dynamic aircrafts category

“白色騎士二號”采用4臺加拿大普拉特&惠特尼的PW308發動機(圖6)，發動機單臺推力30.69 kN，位于機身外側。

3.2 俄羅斯發展現狀

在俄羅斯，以殲擊機為基礎，通過將后掠翼換成大展弦比直機翼的方式研制出了第1架高空亞聲速飛機雅克-25B，氣動性能接近U-2，然而在結構質量方面該飛機卻稍遜一籌。因而，燃油的有效載荷較低。在米亞西雪夫總設計師的領導下，研制出新型飛機M-17。它為雙梁式布局，用來對抗高空氣球，但續航時間短，只有2 h左右。在此基礎上，研制出了巡航時間增至6 h的M-55飛機，發動機增加至2臺。M-17和M-55飛機創造了達到最大高度、爬升時間和沿閉合圓飛行速度等幾項世紀記錄并且至今仍用于研究大氣現象、照相偵察和其他任務。圖7和圖8給出俄羅斯雅克-25，M-55 飛機與美國U-2，TR-1飛機之間的外形對比。表3給出了幾種機型之間的性能參數對比。

4 主要軍事應用前景

臨近空間低動態渦扇動力飛行器的主要軍事應用需求[10-15]包括：

(1) 執行通信中繼任務，還可實施戰場監視，包括登島及海上作戰時的戰場監視，強敵介入時對其航空基地、海上目標的跟蹤和監視。

(2) 進行邊境偵察，領海及專屬經濟區巡邏，熱點地區監視，對我國周邊5 000 km范圍內的國家地區陸上軍事電子目標進行常態化電子對抗偵察，獲取其部署、特征參數和使用方式等情報。

(3) 戰前準備期間，實施各類戰役、戰術目標遠距偵察，敏感海區監視，電子情報偵收為作戰部隊提供及時、準確的目標情報保障。

(4) 戰爭進行期間，承擔各波次打擊后目標毀傷效果檢查；禁飛、禁航區的巡邏、監視以及強敵介入時對其海上目標的探測、定位等。

臨近空間低動態渦扇動力飛行器的主要作戰樣式包括：

(1) 發射空間載荷

利用飛行高度高、續航時間久的優點，在高威脅的戰區上空攜帶二級火箭或其他運載器，機動實時部署通信和間諜衛星，類似美國“白色騎士二號”使用模式。滿足未來空天一體化戰爭對“快速響應” 的要求：24 h待機機動發射。快速機動部署戰術小衛星，作為協同作戰的信息平臺和對敵偵察監視平臺。同時，可作為民用太空旅游飛船的發射載機。

(2) 投放無人機等常規航空任務載荷

利用飛行高度高、載荷能力大的特點，將無人機或無人機機群攜帶至臨近空間，這些無人機在20 km 以上投放即使無動力滑翔，航程也可以達到200 km以上，它們可以實施電子對抗偵察、各類戰役、戰術目標指示、各波次打擊后目標毀傷效果檢查等。

(3) 臨近空間信息支援節點

未來的戰爭呈現出局部化、體系化、信息化、快速化的特點，在局部區域，多兵種多類型裝備快速協同作戰。這樣的條件下，提出了快速機動、占領信息制高點、集預警探測和信息中繼于一身的信息支援節點的需求。而臨近空間低動態渦扇動力飛行器恰恰具備飛行高度高、載荷大、機動能力強、留空時間長的特點，可以作為局部戰爭裝備組網的信息中繼節點，成為“臨近空間機動衛星”，完成偵察、接收、轉發信息。

表3 典型臨近空間低動態渦扇動力飛機主要參數Table 3 Typical key parameters of near space low dynamic aircraft with turbofan engine

(4) 廣域搜索識別查證

臨近空間高空巡航，通視距離接近600 km，可在主要水面地面裝備防御火力圈外發現目標，大功率X波段雷達對海寬域搜索，巡航Ma數0.8，1 h覆蓋1 200 km×850 km范圍，24 h覆蓋2 448 km2。采用孔徑4 m×2 m P波段雷達，功耗126 kW，對F-35 探測距離250 km。搭載電子偵察與定向系統、多功能火控雷達和綜合光電探測系統。電子偵察與定向系統用于在敵水面艦艇沒有采用電磁輻射控制措施時遠距探測和識別敵方艦艇對空搜索雷達信號，并進行定向，引導飛機飛向疑似目標所在區域。多功能火控雷達具備對海搜索、前斜視合成孔徑成像和目標跟蹤功能，可在寬度600 km內搜索大型水面艦艇，并在600 km距離上發現目標，形成水面態勢圖。之后可使用前斜視合成孔徑成像功能對疑似目標進行成像和分辨，在距離200 km時分辨率達1 m以內。綜合光電探測系統能力與用于遠轟的綜合光電探測系統相當，具備遠距探測和激光照射能力，可在150 km距離上探測艦艇目標，識別距離110 km，激光照射距離達70 km。

(5) 前出襲擾偵察

利用高高度和激光自衛武器等形式，前出至敵方基地周邊空域，對基地進行襲擾偵察。具有長航時、高高度的特點，可采用敵退我擾，敵起我退的襲擾式偵察作戰模式，對敵方出動能力、電子信息等遂行常規偵察、電子偵收等任務。

5 結束語

我國目前在臨近空間低動態渦扇動力飛行器研究領域面臨著裝備體系尚不完善、作戰對象尚不明確的復雜情況。面對此種情況，首先需要通過威脅分析，確立臨近空間低動態渦扇動力飛行器的作戰任務，根據臨近空間作戰環境特點，初步提煉典型特征，并根據作戰需求，通過流程仿真確立作戰模式。其次，應努力突破大展弦比高升阻比結構/載荷/氣彈綜合布局設計技術和臨近空間渦扇動力設計技術，為臨近空間低動態飛行器的發展打下堅實的基礎。