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应对未来空中威胁,美军未来运输机方案公布

日期: 2019-12-05 17:09 浏览次数 : 128

[据美国《航空周刊与空间技术》网站2016年10月20日报道]瞄准美国空军下一代加油机项目需求,洛马公司正在发展采用混合翼身布局的短距起降、具有低信号特征的未来加油机方案。该公司相信,这种方案能够满足美国空军关于KC-Z应具备高燃油效率、短距起降能力和更高生存力的预想。

图片 1资料图:KC-135加油机群“象步游行”。

图片 2 HWB运输机的计算机模拟图,该型飞机可能于2035年投入使用

近日,美国空军研究实验室在亚特兰大召开的航空论坛上展示的一款未来隐身加油机的模型引起了业界的关注。该模型酷似洛克希德·马丁公司的“速度与敏捷运输机”的概念机,机身采取翼身融合与倾斜垂尾结构,造型科幻。该模型的出现,是否意味着加油机也将进入隐身战机时代?

此前,美国空军空中机动司令部司令官卡尔顿·埃弗哈特上将(Gen. Carlton Everhart)于2016年9月20日在美国空军协会主办的2016年度空、天、网大会上指出,随着诸如俄罗斯、中国这样的对手们发展针对美国空军穿透飞机的先进防空能力,2035年及之后加油机将日益变得脆弱;他正推动一项关于KC-Z的研究工作,该机与今天基于商用飞机平台的KC-10、KC-135和KC-46加油机可能有很大不同。洛马公司先进机动领域首席工程师肯尼斯·马丁估计,未来加油机将需要能够在距离威胁250~500英里处运用,这在现代地空导弹的射程范围之外,不过仍在敌方雷达探测距离和空射导弹射程范围内。因此,一方面未来战场需要具有更低信号特征的加油机,故不能采用以往商用飞机派生发展的途径;一方面这种未来加油机也确实不需要像F-35或F-22战斗机那样隐身。

  外媒称,在美国空军希望拥有一种能够在日益危险的战场环境中支持攻击战机并且存活率更高的新一代加油机之际,洛克希德-马丁公司认为它已经有了答案:那就是一款高燃料效率的、能够短距离起降的翼身融合机型。

  据俄罗斯《国家之翼》杂志报道,美国空军正安排洛克希德·马丁公司和波音公司分别进行下一代军用战略运输机的气动布局研究,两家公司的方案将展开竞争,胜 者有望赢得美国空军的订单。最近,洛克希德·马丁公司率先在官方网站上发布了自己的方案——“翼身融合混合布局”(HWB)运输机。该方案公布后,许多人 对其简洁流畅的外形设计赞赏有加,又因为战略运输机素有“大象鸟”的绰号,以至于HWB被戏称为“隐身象”。

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洛马公司正在继续深化研究HWB布局运输机概念,它采用翼身融合的前机体来提高气动和结构效率,采用传统的后机身和T形尾翼来便利装载和空投。不过马丁表示,下一代加油机方案可能在此基础上改用H形尾翼布局,这样与纯翼身融合布局或V形尾翼布局相比,将可提供更稳健的操稳特性;为了降低雷达截面积,该方案可能也不采用翼上布置的发动机短舱(其内安装可显着降低耗油率的甚高涵道比发动机),而改用嵌入式发动机布局。他说:“HWB布局运输机的发动机布置在翼上,是因为这样可使发动机远离地面外来物;对于加油机来说,这个位置可使喷气流高于飞机机体,这对于良好的加油环境是有利的。因此我认为,HWB布局加油机的发动机仍将布置在相似的位置。至于涵道里到底是2台大型发动机还是4台小一些的发动机,我们仍在研究确定”。

  据美国《航空和空间技术周刊》网站10月24日报道称,前不久,空军机动后勤司令部司令卡尔顿·埃弗哈特上将启动了下一代KC-Z加油机的研制工作——这种加油机的外观可能与现在由商用机改造过来的KC-10、KC-135和KC-46迥然不同。埃弗哈特说,随着俄罗斯和中国等对手纷纷研制尖端的面对空导弹和防空武器、以挫败美军穿透它们空域的能力,2035年及以后的加油机的处境越来越危险。

  省油将是首要指标

美国空军研究实验室对外展示的未来隐身加油机的模型。

另外,考虑到技术应用和维护成本,马丁带领的团队仍在评估下一代加油机对隐身涂层的需求程度,并权衡诸如激光等先进防御性或进攻性对抗措施。马丁表示,他们仍在确定进攻性对抗措施与飞机固有生存力之间的平衡。但是,加油机的易损性问题并不仅限于它的机体,加油行为本身也为敌方雷达提供了目标。马丁暗示自动加油技术将实现更快、更安全的加油操作——尽管伸缩套管的操作员仍然很难取消,但可以将其工作重新定位为系统监控员,甚至也可由副驾驶员来作为加油过程监控员。

  在空军正式启动未来加油机的研制工作前(预计会在半年内启动),航空企业已开始着眼于解决这个问题。

  客观而言,美国空军发起的研究项目,首要技术指标不是更好的“雷达隐身”性能,而是更低的能源消耗,这是因为美军长期全球部署和境外作战,军用飞机消耗的燃料成本高昂,运输机及其衍生的空中加油机每年的耗油量占空军总耗油量的三分之二。

众所周知,美国拥有世界上最大规模的加油机群。截至2018年,美国空军共装备KC-135、KC-10A等各型加油机453架。2018~2019年还将有18架最新型空中加油机KC-46A入役以取代服役超过50年的KC-135加油机,据悉该合同总价值达400亿美元,预计生产179架。既然美军的加油机无论在技术上还是数量上都独步全球,为什么还要积极研发隐身加油机呢? 按照美军的说法,应对中俄的空中威胁成为其发展隐身加油机的最重要的理由。美军认为,由于第一岛链的机场受到远程精确打击武器的威胁,美军现役的F-22、F-35、B-2等隐身飞机的作战半径受到极大的限制,从第二岛链基地起飞的战机若不经过空中加油只有很短的留空时间,纵深打击将无从谈起。与之相比,依托本土作战的对手战机则具有“先处战地”的优势。美军目前装备的加油机均由大型客机改装而来,飞行速度慢、生存能力差。按照美军的说法,击落一架能够为8架F-22战斗机加油的KC-46加油机,比击落一架F-22战斗机要简单的多,但却能够直接影响空战的结果。因此,研发与F-22战斗机一样具有隐身性能的加油机,成为美军未来在高威胁战区持续作战的关键一环。 目前美国三大航空巨头波音、诺斯罗普·格鲁曼和洛克希德·马丁公司在加油机研发领域,特别是隐身技术方面各有千秋。波音公司是美空军现役加油机的主供货商,其目标是凭借加油机技术的雄厚实力寻找合作伙伴。诺·格公司的方案是在B-21隐身战略轰炸机的基础上研制KB-21加油机,其特点是隐身设计优越,但缺点是受制于轰炸机机身的设计导致载油量不够以及高昂的造价。此次曝光的是洛马公司的设计方案。该方案是在飞机外形隐身设计的基础上,强调高速和高机动性、短距离起降和简易机场起降能力。该机采用4个大功率引擎和混合动力装载系统,既能保证飞机的高机动性,又能兼具快速装载重型货物的能力。尤其是短距起降和野战机场起降的能力最为美军所看重,一旦大型机场遭到导弹攻击而瘫痪,这种应急能力将成为支撑空战体系的关键所在。洛马公司的理念尽管先进,但由于其缺乏设计生产大型飞机的经验,亟须寻找如波音这样有丰富经验和技术实力的合作者。

马丁的团队还计划解决机场适应性这个老问题。由商用飞机派生的加油机占用许多高价值的连接梯道空间,并需要大量的基础设施用于照看和维护,但世界范围内具备这样条件的基地数量有限。因此马丁的团队正在推动未来加油机具备短距起降能力,其起飞和着陆所需要的空间只有KC-10或KC-135的一半。这将使美国空军能够更有效地在全球分布部署其加油机机队。马丁说,“如果整个地区只有10~15个机场可供起降,那就限制了飞机可以使用的地点”,如果最终使加油机能在更小的地区性机场使用,那么“将可在更多的地点布置加油机,从而为分布部署我们的部队提供某些选项,这将提供固有的益处,降低面对攻击时的脆弱性;这还将允许我们在紧急情况下进行转移时,有多得多的选择来飞行加油机机队”。为了有效地设计短距起降加油机,洛马公司的方案将基于其在美国空军研究实验室的“快速敏捷”概念演示验证专项计划(十年前,AFRL与美国航空航天局、波音公司和洛马公司合作开展)中发展的隐身、短距起降运输机概念,该概念能够将有效载荷直接投放到战场。该专项用于支持美国陆军和空军联合开展的战区运输机计划,不过随着美国陆军“未来战斗系统”项目的下马,该计划也在2012年终止,没有转入发展项目。马丁仍认为“快速敏捷”专项是成功的,指出洛马公司在该专项之下得以在大规模风洞试验中完成并校核许多气动和推进集成工具,而现在的下一代加油机正在考虑这些集成。

  在洛马公司负责超前机动能力的首席工程师肯尼思·马丁看来,新的战场环境决定了必须研制信号特征更低(甚至是完全隐身)的加油机,摆脱过去商用衍生加油机的设计。马丁推测,未来的加油机需要具备在距离威胁点250到500英里(1英里约合1.6公里)的范围内作业的能力,这个距离超出现代地空导弹的射程,但是完全在敌方雷达的侦察范围和空射导弹的射程内。他说,这意味着,下一代加油机需要有小于传统加油机的雷达截面积,但不必完全像F-35或F-22那样“尖锐犀利”。

  正所谓“吃透精神是成功的前提”,当接到美国空军发出的项目征询书后,洛克希德·马丁公司和波音公司都花费巨大精力去研究其中内涵。在项目第一阶段于2009年11月启动后,两家公司都没有拿出具体的飞机气动布局,而是把军方意图落实为具体的技术指标。

目前,马丁的团队正在与美国航空航天局共同确定一个超高效亚声速演示验证项目的路径,马丁希望该项目能够在气动、推进和结构集成等技术方面,为他们全面明确下一代加油机愿景提供输入。

  马丁说,洛马公司的设想建立在未来军用运输机的翼身融合概念之上,这一构想是把机翼与机身前部融合在一起,提高空气动力效率和结构效率,同时机身后部采用传统设计和T形尾翼,以便于空投。马丁说,下一代加油机可能向H形尾翼布局妥协,后者让操作者享有相比纯翼身融合飞机更强的飞行控制能力和稳定性。

  波音公司的计划是沿用C-17运输机技术,但把燃油消耗减少70%-80%。洛克希德·马丁公司则更加激进,提出把未来运输机的燃油消耗减少90%。这也意味着洛克希德·马丁公司必须采用更多新技术,并承担更多的风险。

  马丁说:“未来的加油机的样子很可能仍然很像一架运输机,而不会是纯粹的飞翼或三角翼飞机,因为它应该是一款能满足空军机动后勤司令部日常使用的、省油的飞机。”

  从洛克希德·马丁公司今年8月发布的HWB示意图来看,其机身的前部为飞翼布局,后部为机身加尾翼传统布局,这种混合布局的制造工艺非常复杂。有人戏称 HWB是“B-2和C-17杂交的产物”,不过洛克希德·马丁公司认为这种设计既有高效率的空气动力和坚固结构,又利于运输机空运特别是空投,下一步会继 续细化设计。

  翼身融合机型设计有大型翼上短舱,用于放置节油的、涵道比非常高的发动机,不过马丁说,洛克希德公司的下一代加油机方案可能采用嵌入式发动机,以便减小在雷达上的横截面积。

  洛克希德·马丁公司的工程师 透露,HWB仅是概念方案,目前只有一些简单的“定义参数”,如采用2台发动机、可携带100吨物资、拥有与C-5运输机相同的特大货物运载能力、满载起 飞滑行距离不超过1980米,单程飞行最远距离可达5900千米。与美军当前使用的C-17运输机相比,HWB可节油70%。

  马丁说:“我们喜欢翼身融合的布局——翼上放置发动机——有很多原因:这种设计使得发动机远离地面(限制外来物体的碎片);此外,就加油机而言,将喷气流位置升高有利于形成较好的加油环境,因此我认为发动机最终基本固定在这个位置上。至于安装两个大型发动机还是4个小型发动机,我们还在研究。”

  此外,C-17和C-5等运输机在经济巡航阶段的飞行速度是0.7倍音速,如果HWB使用和前者一样的发动机,其巡航速度能达到0.81倍音速,而实施跨音速飞行时的阻力更能减少45%。

  考虑到要控制涂装维护费用,马丁的研究团队还在评估下一代加油机所需的隐身涂料等级。此外,他们还在权衡是否配置先进的防御或攻击性措施,比如激光。

  细化设计仍有难题

  为了有效设计出短距离起降加油机,洛马公司的方案将利用空军研究实验所的“速度敏捷”概念验证项目的成果,这是美国航天局、波音公司和洛马公司合作十年的项目,旨在开发能够直接向战场投放负载的隐形短距起降运输机技术。陆军裁掉未来作战系统项目后,“速度敏捷”项目也在2012年终止,没有变成开发项目。不过,马丁认为“速度敏捷”概念验证项目仍然是成功的,洛马公司得以在大型风洞实验中改善和验证现在被视为下一代加油机的许多空气动力学与推进融合工具。

  有航空技术人员分析称,HWB的后部机身(即货舱)采用大宽度正常机身是为了方便运载特别宽大的军事装备。机翼翼尖加装小翼则是提高机翼效率的常用手 段。机身前半部采用飞翼设计则可以获得较高的升阻比(航空设计名词,此值越大,说明飞行器的空气动力性能于好),比拥有同样动力的传统布局飞机飞得更快、 更经济。

  值得一提的是,在翼型设计 上,HWB采用超临界机翼,其概念最早由美国航天局兰利研究中心的空气动力学专家理查德·惠特科姆博士在1967年提出。普通亚音速民航客机或军用运输机 进入高亚音速区域(即速度超过0.8倍音速,未达到1倍音速)时,机翼表面的气流速度实际上已超过音速,如果飞机继续加速,机翼表面就会出现激波,从而产 生激波阻力。超临界机翼就是通过对机翼剖面的特殊设计,推迟激波产生或使激波变弱,从而使飞机保持较高的经济航速。此外,超临界机翼还具有内部容积大、结 构重量轻、翼展较短等优点。

  军用运输机的一大指标是货舱必须能多装货,而且允许空投大尺寸货物,这涉及到货舱舱门的高度与宽度。为此,洛克希德·马丁公司成立了一个专门部门进行研究,经过数以万计的数据调查与排摸,基本确定HWB的货舱横截面宽度不能小于4米,高度不能低于4.5米。

  有意思的是,所有能被HWB货舱“吞下”的军事装备都能在美国海军军事海运司令部的特种货物花名册里找到。军事专家指出,即便对于美国这样的军事大国来说,海运依然是运输大批军事物资的主要途径,因此美军所有军事装备、作战车辆和物资运输箱都必须符合海运标准。

  顺便提一下,大家所关注的隐形能力,洛克希德·马丁公司并未透露。专家分析,随着各国地面防空系统的不断更新换代,美军会对未来运输机提出一些生存力方 面的要求,HWB设计团队肯定也考虑到了降低飞机被雷达发现的几率。综合来看,HWB可能采用的“隐身技术”主要包括通过外形设计减少前下方的电磁波反 射、涂敷能吸收雷达波的涂料、采用特殊的复合材料等。事实上,作为F-117、F-22和F-35等隐身战机的制造商,洛克希德·马丁公司在飞机隐身设计 方面有很强的实力。

  不过,也有航空工程师 指出,战斗机和运输机有很大区别,要把战斗机的隐身技术用到运输机上并非易事,例如:许多隐身战斗机在使用中需要频繁维护,且需要专门的维护设备,战斗机 可以只部署在有良好维护设施的空军基地,但为了把物资快速运往前线,运输机却需要在各种民用机场(甚至简易机场)上起降,这也将是HWB设计中面临的一大技术难题。  辛星

责任编辑:王朋飞 SN195