美國(guó)忠誠(chéng)僚機(jī)及其動(dòng)力發(fā)展分析

■ 賴耀勝 李龍 / 中國(guó)航發(fā)渦輪院

美國(guó)忠誠(chéng)僚機(jī)（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(duì)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(duì)地打擊的無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)向了對(duì)空、對(duì)地打擊能力較強(qiáng)的無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)，總體上體現(xiàn)了美國(guó)空軍有人/無(wú)人裝備協(xié)同的體系化作戰(zhàn)思想。

忠誠(chéng)僚機(jī)（Loyal Wingman）指具有自主性的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)，可執(zhí)行對(duì)空對(duì)地攻擊、誘餌、電子戰(zhàn)、情報(bào)/監(jiān)視/偵察等多種任務(wù)，能以較低成本實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的空中作戰(zhàn)能力，是無(wú)人機(jī)向主戰(zhàn)方向發(fā)展的代表機(jī)型。在具體裝備運(yùn)用上，作為僚機(jī)的無(wú)人機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：可以攜帶機(jī)載武器，充當(dāng)有人機(jī)的彈藥庫(kù)；可以攜帶傳感器，為有人機(jī)的協(xié)同打擊提供目標(biāo)指示和導(dǎo)引；可以攜帶電子戰(zhàn)載荷，為有人機(jī)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(zhǎng)機(jī)隨行多架不同功能僚機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)。

XQ-58A“女武神”低成本可消耗無(wú)人機(jī)

2015年， 美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）啟動(dòng)了低成本可消耗打擊驗(yàn)證機(jī)（LCASD）項(xiàng)目，美國(guó)克雷托斯（Kratos）公司的XQ-58A“女武神”中標(biāo)，并在隨后的兩年半時(shí)間內(nèi)完成了第一架驗(yàn)證機(jī)的首飛。2020年 年 底，XQ-58A完 成 了 與F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)的編隊(duì)飛行，擔(dān)任了這兩型戰(zhàn)斗機(jī)的通信中繼機(jī)；2021年年底，克雷托斯公司表示將開始向美國(guó)空軍交付第一批次“女武神”驗(yàn)證機(jī)，但截至目前未有后續(xù)的相關(guān)消息?！芭渖瘛睙o(wú)人機(jī)初始設(shè)定成本為200萬(wàn)～300萬(wàn)美元，盡管后來(lái)成本上升到300萬(wàn)～400萬(wàn)美元，但相對(duì)于美國(guó)幾型有人戰(zhàn)斗機(jī)上億美元的單價(jià)，價(jià)格可謂是相當(dāng)?shù)土?，是傳統(tǒng)意義上的“低成本忠誠(chéng)僚機(jī)”，但也意味著其功能相對(duì)于有人戰(zhàn)斗機(jī)會(huì)比較有限，“女武神”的功能主要包括誘餌、偵察、通信中繼、對(duì)地攻擊和電子戰(zhàn)干擾，基本不具備對(duì)空作戰(zhàn)能力，這也是美國(guó)早期忠誠(chéng)僚機(jī)的主要發(fā)展方向。

無(wú)人忠誠(chéng)僚機(jī)和有人戰(zhàn)斗機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)示意

XQ-58A“女武神”無(wú)人機(jī)

“機(jī)外感知站”低成本無(wú)人機(jī)

波音MQ-28A無(wú)人機(jī)

2021年2月，作為低成本可消耗打擊驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目的延續(xù)，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了一個(gè)新的低成本可消耗飛機(jī)項(xiàng)目，目標(biāo)是開展“機(jī)外感知站”（OBSS）可消耗飛機(jī)飛行試驗(yàn)，繼續(xù)驗(yàn)證其低成本設(shè)計(jì)和制造方法。OBSS無(wú)人機(jī)作為低成本可持續(xù)使用、深入高威脅區(qū)域獲取目標(biāo)信息、伴隨五代機(jī)作戰(zhàn)的忠誠(chéng)僚機(jī)，將采用開放式架構(gòu)，能夠快速低成本投產(chǎn)。該型飛機(jī)壽命只有幾年，只需要進(jìn)行有限的外場(chǎng)維護(hù)，不需要返廠維修。由此可見，OBSS忠誠(chéng)僚機(jī)仍然是傳統(tǒng)意義上的低成本忠誠(chéng)僚機(jī)。2021年10月，空軍研究實(shí)驗(yàn)室分別將1780萬(wàn)美元和1770萬(wàn)美元的成本加固定費(fèi)用的項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)合同授予美國(guó)通用原子公司和克雷托斯公司，勝出的公司進(jìn)行后續(xù)開發(fā)工作。為了響應(yīng)OBSS項(xiàng)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(wú)人機(jī)系統(tǒng)。“魔王”無(wú)人機(jī)預(yù)計(jì)單價(jià)為800萬(wàn)美元，大約是生產(chǎn)型“女武神”的兩倍；而“棄兵”是一個(gè)采用數(shù)字工程設(shè)計(jì)的自主協(xié)作平臺(tái)（ACP），可以加快上市時(shí)間，降低采購(gòu)成本，并提供擴(kuò)展和增強(qiáng)的態(tài)勢(shì)感知能力。

“下一代空中優(yōu)勢(shì)”和B-21的忠誠(chéng)僚機(jī)

“棄兵”無(wú)人機(jī)

2021年12月，美國(guó)國(guó)防部表示將在2023財(cái)年預(yù)算中編入兩種無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)的研制計(jì)劃，一種作為B-21隱身轟炸機(jī)的無(wú)人僚機(jī)，另一種則是“下一代空中優(yōu)勢(shì)”（NGAD）戰(zhàn)斗機(jī)的忠誠(chéng)僚機(jī)，成本最多為各自“長(zhǎng)機(jī)”的一半。2022年3月，美國(guó)空軍公布了B-21的忠誠(chéng)僚機(jī)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(dá)、射頻無(wú)源探測(cè)裝置和紅外傳感器密集的環(huán)境中作戰(zhàn)等。這表明該無(wú)人機(jī)將是一款大型遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)，能夠?qū)崟r(shí)支援有人機(jī)的作戰(zhàn)。美國(guó)國(guó)防部同時(shí)表示，基于來(lái)自工業(yè)界的回應(yīng)，目前仍有放棄為B-21提供半價(jià)無(wú)人僚機(jī)的可能性；而對(duì)于NGAD，有人駕駛和無(wú)人駕駛飛機(jī)混合帶來(lái)的成本效益更具確定性，不出意外，NGAD應(yīng)該會(huì)配備無(wú)人僚機(jī)。

2022年5月，美國(guó)國(guó)防部表示，NGAD計(jì)劃中的忠誠(chéng)僚機(jī)——合作式作戰(zhàn)飛機(jī)（CCA）可能會(huì)跳過技術(shù)成熟與風(fēng)險(xiǎn)降低（TMRR）階段，直接進(jìn)入工程研制（EMD）階段。CCA將以“天空博格人”（Skyborg）項(xiàng)目的自主技術(shù)演示驗(yàn)證活動(dòng)、國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）的“空戰(zhàn)進(jìn)化”（ACE）智能算法項(xiàng)目和波音公司MQ-28A無(wú)人機(jī)項(xiàng)目等為基礎(chǔ)，從而加快研制進(jìn)度。CCA預(yù)計(jì)可攜帶傳感器、通信系統(tǒng)、武器、對(duì)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(cè)，NGAD的忠誠(chéng)僚機(jī)將是一架無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)。

忠誠(chéng)僚機(jī)由絕對(duì)低成本轉(zhuǎn)為相對(duì)低成本

對(duì)于B-21來(lái)說，目前該機(jī)的單價(jià)目標(biāo)為6.4億美元（2021財(cái)年幣值5.5億美元），這意味著其無(wú)人僚機(jī)的單價(jià)約為3.2億美元，相當(dāng)于4架F-35A戰(zhàn)斗機(jī)。對(duì)于NGAD來(lái)說，雖然美國(guó)空軍尚未宣布項(xiàng)目中有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)的價(jià)格，但根據(jù)美國(guó)國(guó)會(huì)預(yù)算辦公室（CBO）2018年12月對(duì)“下一代空中優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)斗機(jī)”（PCA）的成本估算，NGAD的無(wú)人僚機(jī)單價(jià)約為1.5億美元。上述兩款僚機(jī)的成本已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了傳統(tǒng)的“低成本”范疇。

美國(guó)空軍忠誠(chéng)僚機(jī)經(jīng)過多年發(fā)展，從最初的有人改無(wú)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(xiàng)目研究基礎(chǔ)快速研發(fā)方案，體現(xiàn)了美國(guó)空軍快速采辦和快速研發(fā)的思想，其平臺(tái)功能也從電子戰(zhàn)、對(duì)地攻擊和偵察向全套戰(zhàn)術(shù)能力升級(jí)。在對(duì)忠誠(chéng)僚機(jī)的功能要求越來(lái)越高的同時(shí)，對(duì)成本的要求也漸漸發(fā)生了變化。起初美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室將低成本可消耗無(wú)人機(jī)平臺(tái)定義為單價(jià)200萬(wàn)～2000萬(wàn)美元，如“女武神”最初的成本目標(biāo)是200萬(wàn)～300萬(wàn)美元，但是B-21和NGAD的忠誠(chéng)僚機(jī)單價(jià)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(gè)角度看，B-21和NGAD的忠誠(chéng)僚機(jī)相對(duì)于其各自長(zhǎng)機(jī)而言，成本只有其一半，且戰(zhàn)損后不會(huì)帶來(lái)飛行員的損失，仍然具備可消耗特征，這可以稱得上是相對(duì)意義上的“低成本”。

無(wú)獨(dú)有偶，俄羅斯在發(fā)展忠誠(chéng)僚機(jī)時(shí)也有兩條路線：傳統(tǒng)低成本的輕型“雷霆”無(wú)人機(jī)和具備較強(qiáng)空戰(zhàn)能力的“獵人”無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)。前者可執(zhí)行情報(bào)收集、監(jiān)視偵察和電子干擾以及空對(duì)地作戰(zhàn)任務(wù)，潛在應(yīng)用場(chǎng)景為米格-29、米格-35戰(zhàn)斗機(jī)的忠誠(chéng)僚機(jī)；后者可載彈2 ～2.8t，潛在目標(biāo)為蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)的忠誠(chéng)僚機(jī)。

低成本忠誠(chéng)僚機(jī)需要低成本動(dòng)力

美國(guó)空軍的忠誠(chéng)僚機(jī)發(fā)展遵循了從絕對(duì)低成本到相對(duì)低成本的發(fā)展規(guī)律，作為飛行器核心之一的發(fā)動(dòng)機(jī)，也具備相應(yīng)的“低成本”特點(diǎn)。

各國(guó)在進(jìn)行新型低成本無(wú)人機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力研發(fā)時(shí)，從管理和設(shè)計(jì)、制造方面都采取了一些措施。例如，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和普惠公司及羅羅公司在進(jìn)行低成本無(wú)人機(jī)動(dòng)力研制時(shí)，成立了創(chuàng)新研發(fā)機(jī)構(gòu)，采取新型研發(fā)思維，在保留知識(shí)產(chǎn)權(quán)的前提下，將發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造分離，并精簡(jiǎn)研發(fā)流程，達(dá)到縮短研發(fā)時(shí)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，曾采用目標(biāo)壽命設(shè)計(jì)，在一年多時(shí)間內(nèi)完成了一型低成本可消耗發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，此外還采用了增材制造手段將發(fā)動(dòng)機(jī)的多個(gè)零件簡(jiǎn)化為一個(gè)整體，降低了加工難度；另外，捷克PBS 公司在開展低成本無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)去除了滑油系統(tǒng)，通過燃油系統(tǒng)來(lái)冷卻和潤(rùn)滑零部件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)降低了生產(chǎn)和使用維護(hù)成本。

俄羅斯“雷霆”輕型無(wú)人機(jī)

配裝俄羅斯“雷霆”無(wú)人機(jī)的AI-222-25發(fā)動(dòng)機(jī)

除了新研低成本無(wú)人機(jī)動(dòng)力外，各國(guó)還利用成熟有人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)，重新設(shè)計(jì)低壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低成本無(wú)人機(jī)動(dòng)力。為了適應(yīng)無(wú)人機(jī)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(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，同時(shí)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(jìn)了滑油排放裝置，采用長(zhǎng)壽命滑油，滿足長(zhǎng)期儲(chǔ)存要求。

隨著仿真、建模、人工智能技術(shù)的進(jìn)步，多家航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商探索數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的應(yīng)用，縮短研制周期的同時(shí)，達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)成本的目的。如俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司（UEC）和中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院（CIAM）就在共同開發(fā)AI-222-25渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)過程中采用了數(shù)字孿生技術(shù)，該發(fā)動(dòng)機(jī)被選為俄羅斯低成本僚機(jī)“雷霆” 的 動(dòng)力。UEC和CIAM認(rèn)為，AI-222-25系列發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生技術(shù)可以發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命、可靠性和維修性等關(guān)鍵特性，并降低制造和維護(hù)成本。

綜上所述，對(duì)于“絕對(duì)低成本”的忠誠(chéng)僚機(jī)，可以基于飛機(jī)有限壽命開展目標(biāo)壽命設(shè)計(jì)，通過去掉不必要的零部件達(dá)到簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的目的，以降低加工難度的同時(shí)降低加工成本的手段實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于“相對(duì)低成本”的忠誠(chéng)僚機(jī)，受限于高性能要求，其發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求也會(huì)比較苛刻，在保證性能基礎(chǔ)上，各國(guó)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?cái)?shù)字工程理念，通過探索發(fā)動(dòng)機(jī)模型庫(kù)、方法庫(kù)、環(huán)境庫(kù)的方法，建立發(fā)動(dòng)機(jī)在不同階段、不同狀態(tài)下的數(shù)字模型庫(kù)，采用流程化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、仿真與驗(yàn)證方法，實(shí)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(zhǔn)映射實(shí)際研發(fā)過程的數(shù)字化空間，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的“需求—功能—架構(gòu)—定義—實(shí)現(xiàn)”各環(huán)節(jié)開展基于數(shù)字孿生的虛擬設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和迭代，減少試驗(yàn)時(shí)數(shù)和物理迭代輪次，進(jìn)而達(dá)到提升設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)研制方法，按照通用化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，采用已經(jīng)過有人戰(zhàn)機(jī)應(yīng)用檢驗(yàn)的成熟發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)技術(shù)，縮短研制周期，降低研制費(fèi)用；四是運(yùn)用增材制造等先進(jìn)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(yǔ)

美國(guó)忠誠(chéng)僚機(jī)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(duì)低成本，向注重對(duì)空和對(duì)地作戰(zhàn)功能、與有人戰(zhàn)機(jī)相比的相對(duì)低成本轉(zhuǎn)變，并已形成了多種方案，未來(lái)可能覆蓋第五代、第六代戰(zhàn)斗機(jī)和下一代轟炸機(jī)。忠誠(chéng)僚機(jī)的意義在于以較低成本實(shí)現(xiàn)較高的作戰(zhàn)效能，其本身的低成本技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)的低成本技術(shù)都值得關(guān)注，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制機(jī)構(gòu)應(yīng)提前布局，加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)低成本技術(shù)研究，從而滿足未來(lái)作戰(zhàn)體系裝備需求。