RQ-180隱身長航時無人機設計特征分析

吳以婷，馮曉宇，楊勛平，祝中強，譚新，裴譞

成都飛機設計研究所

RQ-180作為美軍應對“對抗”和“拒止”戰爭環境，實現高威脅地區穿透性情報、監視、偵察（ISR）任務的戰略無人偵察機，從《航空周刊》2013年首度披露至今，相關信息極為有限，但仍可一探究竟。

在《航空周刊》的報道中，RQ-180被認為是一型主要攜帶有源相控陣雷達（AESA）和無源電子偵察裝置等任務載荷，可執行電子戰任務的隱身高空長航時“全球打擊者”。另據披露，RQ-180的存在使得美國空軍決定減少對“下一代轟炸機”（NGB）的需求，以降低成本，轉而提出了成本相對較低、依靠體系內協同作戰能力（包括RQ-180在內）的遠程打擊轟炸機（LRS-B）發展計劃。

結合《航空周刊》的相關論述以及《2020聯合部隊情監偵任務》《下一代情監偵優勢飛行計劃摘要》《2030空中優勢飛行計劃》中美軍關于協同、網絡化及智能化的設想，RQ-180作為美軍空中系統簇的重要成員，極可能還具有高精度目標指示、信息處理能力，可以作為遠程打擊作戰體系中的目標指示節點、信息中繼平臺及數據融合分發中心，深入敵方優勢空域執行情報偵察和聯合縱深打擊任務。

基于公開信息，本文對RQ-180的總體方案及飛行性能進行分析與反設計研究。

信息梳理

布局

《航空周刊》在2013年首次刊登有關RQ-180的文章時，認為該機采用了與X-47B相似的布局設計，機翼可折疊，并發布相關想象圖；但2019年的文章根據最新信息來源，對RQ-180想象圖進行了更新，認為有更多的證據表明，RQ-180的最終構型可能更接近于諾格公司擅長設計的飛翼布局，后緣更加簡化、采用鋸齒形設計，與官方發布的B-21轟炸機類似。圖1亦即目前流傳最廣的RQ-180外形圖。

圖1 《航空周刊》發布的RQ-180想象圖。

除《航空周刊》外，自2020年11月起，陸續有疑似RQ-180的目擊記錄見諸報道。2020年11月，航空愛好者在加利福尼亞州愛德華空軍基地以北的莫哈維沙漠上空拍攝到疑似RQ-180的飛翼布局圖像；2021年9月，有攝影師在社交媒體上發布照片，宣稱在菲律賓拍攝到一架神秘的飛翼戰斗機，不少人確信照片中的無人機即為美軍已列裝的RQ-180；2021年10月，在美國內華達測試與訓練靶場附近上空，再次有人拍攝到疑似RQ-180無人機的照片。

翼展

在當前關于RQ-180翼展的數據信息中，引用較為普遍的有52m和39.6m兩種。

圖2 疑似RQ-180無人機的各種照片。

《航空周刊》2013年的報道曾提到52m的翼展，并稱由于美國空軍希望擁有一型尺寸更大、航程更遠的全球打擊平臺，諾格公司參與的美國空海軍“聯合無人空中作戰系統”（J-UCAS）項目被取消，分解為海軍驗證機項目即X-47B和空軍的秘密項目即RQ-180。幾乎與此同時，諾格公司公開討論了一種具有加長機翼、翼展為52.4m的X-47C方案。而翼展39.6m則來源于同篇文章中介紹諾格區和美軍51區新建的、足以容納39.6m以上翼展飛行器的機庫，同時該篇文章還報道，RQ-180尺寸可能與RQ-4B無人機（翼展39.9m）相似。

重量

在當前相關資料中，常有RQ-180最大起飛重量14621kg的表述，但經檢索未見可靠來源。經過對比此類資料中的上下文描述和《航空周刊》原文，推測此類資料可能錯誤引用了原文“RQ-180的尺寸、續航性能與‘全球鷹’類似，‘全球鷹’重量14628kg”中的“全球鷹”重量。

援引《航空周刊》中的表述，相較快速開發的RQ-170原型機，RQ-180作為裝備體系的重要組成，其尺寸將會更大并擁有更好的隱身特性和續航能力；同時考慮到美國空海軍“聯合無人空中作戰系統”項目被取消的原因，RQ-180的尺寸也應當比海軍驗證機項目X-47B更大。

發動機

當前普遍認為，RQ-180無 人機安裝了兩臺渦扇發動機。《航空周刊》的報道稱，RQ-180配置的兩臺中等涵道比渦扇發動機與改進型CF-34發動機類似，推力比“全球鷹”配裝的AE3007H略大。

氣動

在氣動特性方面，《航空周刊》介紹，RQ-180具有“滑翔機般的”氣動效率，其采用了復雜的三維流動控制技術，維持了機翼上的大面積層流。有消息稱，諾格公司的新型隱身無人機可以獲得與常規布局飛機相近的氣動效率。

無人機的外形、最大起飛重量以及飛行性能均與發動機的尺寸、推力、油耗率密切相關，因此，本文以RQ-180可能配裝的發動機為切入點，對RQ-180無人機展開研究與分析。

發動機分析

美國中等涵道比渦扇發動機中，符合《航空周刊》推測的有通用電氣公司CF-34-3系列發動機及霍尼韋爾公司HTF7000系列，同時編號為CF-34的發動機還有更大推力的CF-34-8系列。由于當前無發動機具體型號信息，考慮RQ-180的優異續航特性，本文選取各系列中巡航油耗率較低的型號進行分析（見表1）。

外形分析

布局

隱身無人偵察機RQ-170的使命任務與RQ-180相似，并采用了無尾飛翼布局。由此推斷，為適應高威脅環境下的穿透作戰使用，新一代情監偵無人機更傾向選用具有高隱身特性的無尾飛翼布局。RQ-180外形進一步佐證了這一結論。

在動力配置方面，已披露的信息表明RQ-180配裝有兩臺中等涵道比渦扇發動機；疑似RQ-180公開圖像的尾跡也清晰顯示，該機配裝有兩臺發動機。一般而言，對于續航時間長、航程遠、須要穿透進入高威脅區域的此類戰略無人偵察機，基于安全性考慮，通常會配裝不少于兩臺發動機。綜合以上分析，本文可以初步判定，RQ-180為一型雙發、無尾飛翼布局的無人機平臺。

以RQ-180公開圖像為基礎，本文參照典型飛翼布局外形，考慮發動機安裝空間的合理性，按比例構建RQ-180三維模型，將模型旋轉至與公開圖像相近的角度，可以看出三維模型能夠基本反映RQ-180的外形特征。據此推測，RQ-180前緣后掠角約為28°，全機幾何展弦比（翼展平方與全機投影面積的比值）約為9.6。

基于專業人士的研究分析，從空氣動力學角度而言，28°后掠角與大展弦比飛翼布局無人機在18km、Ma0.6附近巡航點優化設計的氣動外形常用后掠角基本一致，而《航空周刊》的文章介紹，RQ-180飛行高度與“全球鷹”15～ 20km的飛行高度相當或略高。由此可推斷，RQ-180的巡航點應在15～20km、Ma0.6附近。

翼展

對衛星地圖上位于美軍51區疑似RQ-180機庫的建筑物進行測量，機庫主體建筑跨度達106m。參考民航領域的經驗，跨度在100m的單機位機庫，可以停放B747飛機（翼展65m）；跨度在50+50m的雙機位機庫，可以停放A320飛機（翼展35.8m）。但雙機位機庫大門中部一般會設置中柱，兩個機位的飛機分別從各自的滑行道進出，而當前衛星地圖顯示，機庫僅有一條滑行道。因此，本文認為該機庫停放的飛機，其翼展應較36m更大。測量滑行道中心線距機庫建筑的距離，同時扣除必要的安全裕量，得到飛機的半展長應小于29m，即翼展應小于58m。

從總體布置角度考慮，不同于常規布局無人機，飛翼無人機通常采用內埋式一體化設計的保形進排氣系統，以減少對隱身和氣動特性的破壞；其進氣道常采用背負式內埋S型設計，對發動機葉片進行遮擋以減少電磁波入射；發動機噴管尾部需聯結一段延伸噴管以聯通機體外表面，將發動機圓噴管轉化為與翼面前后緣平行的扁平狀，出口界面與機體外形高度融合，從而提高隱身性能；又因為進排氣系統的設計會對發動機裝機特性造成顯著影響，因此飛翼布局在總體布置上須為復雜的內埋進排氣系統提供充裕的空間，以保證流道平滑過渡。

對RQ-180而言，可選用的發動機最大直徑均在1.3m左右，長度2.3～3.3m。結合上文中構建的RQ-180三維模型，基于工程經驗并考慮進排氣系統、油箱及其他機載設備的合理布置，當發動機為CF-34-3系列或HTF7000系列時，無人機翼展應不小于40m，當發動機為CF-34-8系列時，無人機翼展應在不小于50m，與X-47C方案翼展52m吻合（見表2）。而當翼展小于30m時，發動機與機體比例嚴重失衡，無人機無法實現合理布局。

表2 發動機尺寸推算的翼展。

綜合以上分析，基于配裝不同發動機的可能性，推測RQ-180翼展大概介于40～58m之間。

圖3 RQ-180三維模型與公開圖像的對比圖。

重量特性分析

載油系數

圖4 本文構建的RQ-180三維模型。

本文從公開資料獲取了部分美軍軍機型號的載油系數，詳見表3。由于飛翼飛行器具有更優異的結構效率，其載油系數一般較常規布局更高。而RQ-180任務載荷重量較B-2、B-52等轟炸機更小，保守估計RQ-180載油系數不小于56%。

表3 相關飛行器型號的載油系數。

結構系數

參考美軍軍機相關飛行器型號數據（表4），本文對RQ-180結構系數進行估算。

表4 相關飛行器型號的結構系數。

當前飛翼布局型號的結構重量數據較為缺乏，僅有X-47B及B-2兩型。其中，X-47B為艦載無人作戰飛機，對機動性能及結構強度要求較高，因此結構系數較RQ-180應當更大；B2遠程戰略轟炸機雖然擁有更大的起飛重量，可對應相對較低的結構系數，但由于其研制時間較早，落后的生產工藝和材料技術又會造成結構系數偏高。而諾格公司研制的“全球鷹”高空長航時無人偵察機，其使命任務與RQ-180相似，機體復合材料占比超過60%，結構系數達到20%，處于世界領先水平，由于采用了傳統布局，其結構重量會較飛翼布局略高。RQ-180作為一種先進的飛翼布局無人機，即使復材使用量不及“全球鷹”，其結構系數亦不會超出“全球鷹”過多。參考同為飛翼布局的B-2，保守估算RQ-180結構系數為23%。

圖5 衛星地圖顯示的疑似RQ-180新建機庫。

圖6 RQ-180在不同翼展下，其發動機布置示意圖。

起飛推重比

RQ-180作為大型戰略偵察機，一般部署在較為成熟、擁有標準化跑道的美軍基地，對起飛滑跑距離的要求不會很高。事實上，在已知的國外軍機中，具有較長航時、且對機動性要求較低的亞聲速偵察機、轟炸機，其起飛推重比均較低（見表5）。據此推測，RQ-180起飛推重比應在0.25左右，不超過0.3。

表5 相關飛行器型號的推重比。

最大起飛重量

由《航空周刊》的信息可以推測，美國空軍希望得到一款比X-47B尺寸更大、航程更長，能力遠高于RQ-170的無人機，RQ-180的外形尺寸和重量應大于RQ-170和X-47B。

美軍于2017年發布編號為TC 3-01.80的飛機識別手冊，該手冊明確給出，RQ-170翼展為19.99m，與伊朗捕獲RQ-170后公布的數據基本一致。按該手冊所給尺寸和外形估算，RQ-170最大起飛重量在10t左右；X-47B的最大起飛重量則為20t左右。因此，RQ-180最大起飛重量應大于20t。以下從不同角度對RQ-180的最大起飛重量進行分析。

由無人機起飛推重比推算是確定最大起飛重量較為常用的方法，準確度較高。上節分析得到，RQ-180起飛推重比為0.25～0.3。考慮配裝不同發動機，按起飛推重比0.25進行估算，RQ-180最大起飛重量應在30～46t之間；按起飛推重比0.3估算，最大起飛重量則應在25～38t之間，詳見表6。

表6 起飛推重比推算RQ-180的最大起飛重量。

此外，可通過翼載對最大起飛重量進行估算。雖然RQ-180與B-2的最大起飛重量及使用場景均存在差異，但同為無尾飛翼布局且具有洲際飛行能力的亞聲速隱身飛行器，應當具有相近的升力特性。我們假設RQ-180與B-2巡航升力系數相當，由升力與重力的平衡關系可以得到，二者的動壓與翼載應該呈線性關系；現計算B-2在初始巡航階段的動壓數據（此時飛機重量接近最大起飛重量），對照B-2翼載，結合前文分析得到的RQ-180巡航高度/速度，即可推算得到RQ-180翼載。

D.P.Raymer在《飛機設計：一種概念方法》中介紹，為增加航程，以較遠航程為目的的飛行常采用“巡航爬升”飛行軌跡以保持較高的升阻比；參考“全球鷹”的變高度飛行剖面，RQ-180與B-2的巡航高度應隨重量下降而增加。資料顯示，B-2出航高度為12km，而RQ-180出航高度應在15km左右，計算得到RQ-180最大起飛重量對應翼載約為126kg/m2（表7）。由于RQ-180相比B-2具有更大的展弦比，其升力系數可能比B-2更大，故RQ-180翼載可能大于126kg/m2。

表7 RQ-180翼載推算結果。

在上文對RQ-180外形進行分析時，通過比例建模得到RQ-180幾何展弦比約為9.6，據此分別計算翼展為40m及58m的全機投影面積，按翼載126 kg/m2估算飛機最大起飛重量（表8）。考慮上文推算的翼載可能偏小，對應不同的翼展，RQ-180的最大起飛重量應略大于21t～44t量級。

表8 翼載推算RQ-180最大起飛重量。

最后，我們參考相關型號的重量密度，對飛行器重量進行估算。由表9可見，由于不同布局形式、任務使命、載油系數的飛行器，其重量密度存在比較大差異，造成數據分散較大，且各型飛行器準確的面積及體積數據較難獲得，因此重量密度統計估算重量的結果僅作為參考。

表9 相關飛行器重量數據統計。

X-47B艦載無人作戰飛機對機動性能及結構強度要求較高，因此具有較高的結構重量密度；B-2作為遠程戰略轟炸機，攜帶了大量任務載荷，其最大重量密度較高；參考RQ-4A進行估算，RQ-180翼展40m對應的最大起飛重量應在30t量級。

綜上分析，考慮RQ-180裝配不同發動機，該機最大起飛重量在25～46t之間。

氣動特性分析

對于追求超長續航時間的長航時飛行器來說，良好的氣動特性至關重要。2001年，諾格公司在“傳感器飛機”項目支持下，進行了大展弦比無尾飛翼布局高效氣動設計研究，并取得一定成效。之后在2007年，諾格公司收購復合材料公司，為其帶來了世界領先的機體制造工藝，可進一步減小阻力。同樣，由諾格公司研制的RQ-4B無人機，在19km高空尚可保持28.7的升阻比，可以推斷，更為先進的RQ-180將具有世界領先水平的氣動特性。

參考D.P.Raymer編寫的《飛機設計：一種概念方法》，本文運用浸潤展弦比（定義是翼展長的平方除以飛機總浸潤面積）估算RQ-180最大升阻比。由構建的三維模型得到RQ-180浸潤展弦比為4.58，高度18km、Ma0.6的雷諾數為5.36×106，由馮·卡門公式計算全機摩擦阻力系數Cf，得到Cf=0.0033；假設誘導阻力因子e=1，則可推算RQ-180在巡航設計點的理論最大升阻比約為32.8，這與書中統計圖外插得到的RQ-180升阻比約為32基本協調。

另可引入機翼形狀因子k來推算RQ-180的最大升阻比。在e=1時，參考工程經驗，假設RQ-180的機翼平均厚度為13%～15%，則其機翼形狀因子約為1.3，可計算出最大升阻比為30.4。但實際上，機翼載荷不可能完全滿足橢圓載荷分布，e小于1.0，并考慮各種雜項阻力，實際最大升阻比約為最大理論值的0.8～0.9，RQ-180的實用升阻比在26.6～29.5之間。基于RQ-4B“全球鷹”28.7的升阻比及相關參考資料信息，本文推測RQ-180修正后的實用升阻比不低于27。

續航特性分析

RQ-180是RQ-4B“全球鷹”的后續替代機型。《航空周刊》介紹，RQ-180續航時間與“全球鷹”相當，可在任務區留空24h。

運用布雷蓋方程對RQ-180的續航性能進行估算。前文通過前緣后掠角推算的RQ-180巡航速度約為Ma0.6，巡航高度與“全球鷹”相當或略高，故參照相同量級中等涵道比渦扇發動機高度速度特性變化規律，估算相應發動機在18km、Ma0.6的油耗率，并上浮5%作為裝機修正后數據。工程經驗表明，此類無人機巡航升阻比與最大升阻比十分接近，故升阻比取為27；載油系數按上文分析保守取為56%；將以上數據帶入方程，計算得到RQ-180續航時間大于31h，按Ma0.6折算，能夠滿足在任務區留空24h（見表10）。

表10 發動機巡航油耗率及對應的續航時間。

此外，由于美國制造的中等涵道比渦扇發動機具有相當優勢，且本文所用發動機數據多為20世紀90年代的公開資料，考慮到近30年的技術進步，RQ-180實際采用的發動機很可能具有更輕的干質量與更低的油耗，從而更容易擁有較高的載油系數（接近甚至超過60%）及更高的巡航效率，RQ-180的續航時間極有可能達到RQ-4B的36h。

分析結論

本文基于公開信息，對RQ-180無人機的總體方案及飛行性能進行分析與反設計研究，可以得到初步判斷，該無人機為飛翼布局，配裝兩臺中等涵道比渦扇發動機。根據可能配裝的發動機不同，翼展在40～58m之間，最大起飛重量在25～46t之間，載油系數不小于56%，起飛推重比0.25～0.3，最大升阻比約27，巡航高度15～20km，巡航速度在Ma0.6附近，續航時間不小于31h，預計可達到36h。最后，分別給出RQ-180配裝不同目標發動機所對應的可能總體性能參數（見表11）。

表11 RQ-180總體性能參數。

在此基礎上，下面做出進一步推論。

第一，多角度分析表明，RQ-180可能為一型最大起飛重量約46t、可在任務區留空不小于24h的大型雙發無尾飛翼布局無人機。

第二，雖然最大升阻比可能較“全球鷹”無人機略偏低，但得益于發動機油耗及干質量方面的優勢，RQ-180具有極優越的續航性能；其實際載油系數可能接近甚至超過60%，作為RQ-4B的替代者，其續航時間極有可能達到RQ-4B的36h。