美軍RQ-180隱身戰(zhàn)略無人機及其發(fā)動機選型分析

張偉

中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司

本文闡述美軍秘密研制的RQ-180隱身戰(zhàn)略無人機的研制背景及特性，分析與RQ-180無人機相匹配的發(fā)動機性能要求、推力選擇及發(fā)動機選型，介紹RQ-180無人機配置的CF34發(fā)動機的技術(shù)特點，提出“軍民融合”開發(fā)新思路，為我國高空長航時隱身戰(zhàn)略無人機及其發(fā)動機的研發(fā)提供參考。

美國2021年5月宣布，未來1 ～2年，21架“全球鷹”無人機和3架由“全球鷹”改裝的EQ-4B通信中繼無人機將全部退役，21架“全球鷹”無人機將由一種具備組合作戰(zhàn)能力的“滲透型”無人機平臺替代。該平臺是美軍秘密研制并已服役,集情報、監(jiān)視和偵察(ISR)于一體的高空長航時RQ-180隱身戰(zhàn)略無人機，將提升美軍戰(zhàn)略偵察能力。

研制背景

1998年，美國空軍具有“滲透性”戰(zhàn)略偵察能力的SR-71“黑鳥”超聲速隱身無人機退役。

2003年，為研制一種能同時滿足空軍和海軍不同作戰(zhàn)需求的無人作戰(zhàn)平臺，美國國防部將其空軍、海軍的“無人戰(zhàn)斗機”（UCAV）計劃合并為“聯(lián)合無人空戰(zhàn)系統(tǒng)”(J-UCAS)項目。

2005年，因美國空軍和海軍無人機的性能和作戰(zhàn)需求存在較大差異，最終導(dǎo)致“聯(lián)合無人空戰(zhàn)系統(tǒng)”項目分解為空軍的秘密項目和海軍X-47B無人機項目。

2019年6月，美國空軍1架“全球鷹”無人機在伊朗霍爾木茲海峽上空被擊落；2019年9月，美國海軍1架“海神”無人機被伊朗防空導(dǎo)彈擊落。實戰(zhàn)證明，不具有隱身性的“全球鷹”和“海神”無人機滲入敵方縱深進行秘密偵察，將遭受毀滅性打擊。無人機的作戰(zhàn)環(huán)境正從“寬松”向“拒止”對抗環(huán)境轉(zhuǎn)變，美國軍方迫切須要一型適應(yīng)未來強對抗環(huán)境，且具備隱身性的高空長航時戰(zhàn)略無人機。

與美國海軍發(fā)展的X-47B無人機相比，美國空軍更希望得到一種隱身性好、實用升限更高、航程更遠的大型“全球打擊平臺”。2008年，美國空軍全面評估了諾斯羅普-格魯門公司（下稱諾格公司）基于X-47B提出的、具有更大翼展面積的無人機設(shè)計方案，在與“全球鷹”無人機進行對比和分析后，決定將RQ-180無人機合同授予諾格公司。2009年，諾格公司RQ-180無人機研制工作全面啟動。2010年8月，首架1號原型機首飛成功。2011年1月—2013年7月，2號、3號和4號原型機開展了不同試飛任務(wù)。2014年2月，在美國空軍要求下，5號原型機完成首飛后轉(zhuǎn)場美國空軍基地進行測試。2014年9月—2015年11月，6號和7號原型機在美國空軍基地完成各項飛行指標測試。2015年12月，諾格公司開始小批量生產(chǎn)RQ-180無人機。2017年，RQ-180無人機正式進入美國空軍部隊服役。

無人機的特性

高空長航時

RQ-180無人機沒有垂直尾翼和水平尾翼，減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了載油重量，降低了無人機系統(tǒng)的燃油消耗,該無人機續(xù)航時間超過24小時。

高隱身性

RQ-180無人機腹部為白色，其機身和機翼涂覆了新型隱身涂料，平滑的機體蒙皮表面降低了雷達波反射效應(yīng)，擁有較小的雷達截面積，減少了敵方雷達探測帶來的威脅。機身內(nèi)并排安裝有兩臺發(fā)動機，發(fā)動機采用內(nèi)埋式尾噴管，可降低紅外特征指標，提高隱身性能。

“滲透性”偵察能力

RQ-180無人機在執(zhí)行電子戰(zhàn)任務(wù)時，可“穿透”嚴密的敵防空網(wǎng)，在敵后方空域進行長時間偵察。該機掛裝了有源相控陣雷達和無源電子偵察系統(tǒng)，其電子情報偵察（ELINT）系統(tǒng)集成了地面移動目標指示器（GMTI）、合成孔徑雷達（SAR）和逆合成孔徑雷達（ISAR），無須多種大型作戰(zhàn)飛機配合，也能完成任務(wù)。

RQ-180無人機是美軍重要的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)獲取平臺。該機在戰(zhàn)區(qū)上空對目標進行持久偵察，獲取戰(zhàn)場動態(tài)并提供數(shù)據(jù)服務(wù)，利用作戰(zhàn)平臺提供的方位、狀態(tài)及傳感器數(shù)據(jù)繪制戰(zhàn)場態(tài)勢圖，提高作戰(zhàn)效能和戰(zhàn)場可控性。

圖1 RQ-180 隱身戰(zhàn)略無人機。

發(fā)動機選型

若美軍研制RQ-180無人機的全新發(fā)動機，可能會帶來發(fā)動機研制經(jīng)費高、周期長及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等系列問題。從RQ-180無人機的開發(fā)歷程看，美軍為無人機研發(fā)并配裝一種全新發(fā)動機的時間周期遠遠不夠。由此推斷，諾格公司選擇了對現(xiàn)役、技術(shù)成熟的發(fā)動機進行適應(yīng)性改進和改型，以獲得RQ-180無人機的先進動力裝置。

發(fā)動機性能要求

RQ-180戰(zhàn)略無人機利用其利用隱身性好、續(xù)航時間長和實用升限高等優(yōu)勢,在“拒止”對抗環(huán)境下執(zhí)行抵近偵察、持久監(jiān)視、警戒探測、通信中繼、電子干擾等支援任務(wù)，其發(fā)動機應(yīng)滿足以下要求。

(1)中等推力。

(2)在寬廣飛行包線內(nèi)的高空穩(wěn)定工作性能。

(3)為滿足無人機長時間巡航需求，發(fā)動機應(yīng)具有低燃油消耗率。

(4)擁有低紅外特征指標，以實現(xiàn)隱身性。

(5)滿足雷達、光電及電子戰(zhàn)吊艙等機載設(shè)備的高功率供電能力。

(6)滿足高推重比、低成本、良好的可靠性和維修性等通用要求。

發(fā)動機推力選擇

表1為各型無人機及其發(fā)動機的技術(shù)數(shù)據(jù)。為支持無人機在高空長時間穩(wěn)定工作，應(yīng)選擇推力29400N左右的發(fā)動機。

表1 “全球鷹”“海神”和“死神”無人機及發(fā)動機技術(shù)數(shù)據(jù)。

若RQ-180無人機發(fā)動機參考“全球鷹”無人機的推力量級，則會像“全球鷹”無人機一樣，在雷電暴雨天氣出現(xiàn)因動力不足難以達到高爬升速度的問題，進而影響無人機的起飛。同時，RQ-180無人機攜帶了更多的監(jiān)視偵察任務(wù)載荷。因此，在發(fā)動機選型時，應(yīng)考慮選擇比現(xiàn)役高空長航時無人機推力更大的發(fā)動機。

表2為各型無人戰(zhàn)斗機發(fā)動機技術(shù)數(shù)據(jù)。為滿足快速打擊、空中突防等作戰(zhàn)任務(wù)，應(yīng)在49000 ～78400N推力范圍內(nèi)，為無人戰(zhàn)斗機選用中等推力的渦扇發(fā)動機。

表2 X-47B、“神經(jīng)元”和S-70“獵人”無人戰(zhàn)斗機發(fā)動機技術(shù)數(shù)據(jù)。

小涵道比發(fā)動機能提升無人機的隱身性能，但其燃油消耗率高，不利于無人機在高空長時間飛行。RQ-180無人機未攜帶武器，減小了任務(wù)載荷重量。但是，該機須裝載支持長時間飛行的更多燃油，又增加了最大起飛重量。因此，該型發(fā)動機應(yīng)選擇與無人戰(zhàn)斗機相當?shù)耐屏α考墶?/p>

綜上所述，RQ-180無人機的首選發(fā)動機是49000 ～78400N范圍內(nèi)的中等推力渦扇發(fā)動機。

發(fā)動機選型

RQ-180無人機自曝光以來，其動力裝置也備受關(guān)注。但是，目前美國官方尚未披露有關(guān)RQ-180無人機發(fā)動機選型的確切信息。

依據(jù)高空長航時隱身戰(zhàn)略無人機對動力的特定要求，參考以往高空長航時無人機所選用的成熟民用渦扇發(fā)動機。當按照推力量級在49000 ～78400N范圍內(nèi)為RQ-180無人機匹配中等推力渦扇發(fā)動機時，不難發(fā)現(xiàn)，技術(shù)成熟的CF34民用渦扇發(fā)動機基本符合該型無人機的動力條件。國內(nèi)外媒體相關(guān)報道稱，諾格公司已選用兩臺改進型CF34雙轉(zhuǎn)子中等推力民用渦扇發(fā)動機，作為RQ-180無人機的動力系統(tǒng)。

圖2 改進型CF34-8雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機。

改進型CF34發(fā)動機和高空長航時“全球鷹”無人機的發(fā)動機AE3007H均為成熟的民用渦扇發(fā)動機。如果RQ-180無人機選配兩臺改進型CF34雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機作為動力，不僅能滿足發(fā)動機中等推力量級要求,而且其推力是“全球鷹”無人機發(fā)動機的2 ～3倍，可避免RQ-180無人機在起飛時受雷電暴雨天氣影響，使RQ-180擁有更高的實用升限、更大的電功率輸出，可以攜帶更完備的監(jiān)視偵察設(shè)備及更多的燃油。同時，低油耗率、大推力等優(yōu)勢可保證RQ-180無人機獲得高空長航時性能，但缺點是涵道比大，不利于RQ-180無人機獲得高隱身性能。因此，如果RQ-180無人機選配CF34發(fā)動機作為動力，必然要對選用的CF34發(fā)動機推力、隱身性進行適應(yīng)性改進。

CF34發(fā)動機的技術(shù)特點

CF34發(fā)動機是美國GE航空發(fā)動機公司在20世紀70年代后期基于軍用TF34發(fā)動機改進而成的大涵道比渦扇發(fā)動機，采用了單元體設(shè)計技術(shù)，共分為8個單元體，使該型發(fā)動機便于維修。同時，采用氣膜冷卻技術(shù)，加裝了風(fēng)扇包容環(huán)和防火絕緣罩，具有推重比高，涵道比大和油耗率低等特點，可靠性和維修性好，翻修時間間隔達6000h。

改進型CF34發(fā)動機風(fēng)扇為1級軸流式，28個寬弦、無凸肩實心葉片，增壓比1.5，最大轉(zhuǎn)速7300r/min,葉片和盤的材料為鈦合金。高壓渦輪為2級軸流式，CF34-8系列高壓壓氣機為14級，CF34-8C系列高壓壓氣機為10級。低壓渦輪為4級軸流式，改進了氣動設(shè)計，減少了葉片數(shù)量。該型發(fā)動機擁有全新的環(huán)形燃燒室，低壓燃油噴射系統(tǒng)設(shè)置了18個氣動霧化噴嘴，有幾千個激光打的小孔，形成薄膜冷卻。為移動整流罩格柵式反推力裝置，CF34-8系列的早期型別采用機械液壓式控制系統(tǒng)，而CF34-8C系列選用的是FADEC控制系統(tǒng)。起動系統(tǒng)采用空氣渦輪起動機。

結(jié)論

RQ-18O無人機項目是美國空軍基于情報、監(jiān)視和偵察(ISR)無人機的實戰(zhàn)經(jīng)驗而做出的重大決策，其研制及發(fā)動機選型經(jīng)驗值得借鑒。

打贏未來戰(zhàn)爭的戰(zhàn)略調(diào)整

以RQ-180無人機取代“全球鷹”，表面上看是無人機裝備的更新，但實質(zhì)則是美國空軍戰(zhàn)略作戰(zhàn)體系的調(diào)整。高隱身性、高空長航時戰(zhàn)略無人機的研制與發(fā)展是美國實施戰(zhàn)略調(diào)整的重大表現(xiàn)，為其空軍建立以數(shù)據(jù)為中心的組織體系奠定了基礎(chǔ)。優(yōu)先發(fā)展隱身戰(zhàn)略無人機已成為美軍贏得未來戰(zhàn)爭的重要舉措。

“軍民融合”開發(fā)新思路

發(fā)動機作為高空長航時隱身戰(zhàn)略無人機的“心臟”，其構(gòu)型、性能指標等要素對滿足無人機全系統(tǒng)性能、成本和可靠性等方面具有決定性影響。借鑒美國空軍高空長航時隱身戰(zhàn)略無人機選用成熟民用渦扇發(fā)動機的經(jīng)驗，將民用渦扇發(fā)動機納入無人機動力系統(tǒng)的研制和選型范圍，可為我國軍用高空長航時隱身戰(zhàn)略無人機發(fā)動機選型研究提供新的思路。

發(fā)動機改進是關(guān)鍵

鑒于未來察打一體高空長航時隱身戰(zhàn)略無人機將在強對抗環(huán)境下執(zhí)行隱蔽突防、防空壓制和對地面目標直接發(fā)動打擊等作戰(zhàn)任務(wù),其發(fā)動機選型應(yīng)滿足高空長航時隱身戰(zhàn)略無人機動力的特定要求，首選中等推力的成熟民用渦扇發(fā)動機，并對發(fā)動機進行適應(yīng)性改進，以獲得高空長航時隱身戰(zhàn)略無人機的先進動力裝置。■