美国下一代轰炸机

黄陈子亨

美国国防部长盖茨在1月6日宣布的2012年的美国国防预算中，非常引人注目地提到美国将拨出巨资，研制下一代轰炸机。下一代轰炸机将具有无人驾驶能力，将依赖现成的技术以降低研制风险和部署成本，确保下一代轰炸机可以大量部署。自从1989年6月17日B-2首飞以来，关于美国下一代轰炸机的传说一直不断。美国空军一直没有正式立项，甚至刻意否认。2009年初，盖茨曾取消美国空军下一代轰炸机的研制经费。2010年6月24日，美国空军负责作战、计划和需求的副参谋长菲利普·布利德罗夫中将宣称，“下一代轰炸机”已经死了，而是要用一代远程打击飞机家族实行系统打击，包括F-22 和F-35，而灵活多用而又成本较低的轰炸机只是这个打击系统中的一部分。



轰炸机对美国的核三位一体战略具有特别重要的意义。事实上，在曼哈顿计划时代，轰炸机是唯一的核攻击平台，在广岛和长崎受到原子弹攻击的时候，B-29轰炸机是唯一的核攻击平台，洲际导弹和潜射导弹都是后来的事情。在冷战时代，苏联曾经在导弹制胜论的弯路上走过一段，但美国由于已经拥有了世界第一强大的轰炸机力量，而且轰炸机具有可以实时改变攻击目标或者召回的能力，更由于美国空军的太上皇李梅将军是轰炸机出身，美国维持了轰炸机的核能力，继续作为核三位一体的重要一极。



但美国空军的轰炸机力量已经相当陈旧了。B-52已经在世界的天空飞行了50多年了，B-1是1974年12月23日首飞的，B-2首飞也已经20多年了。美国空军要继续保持一支有效的轰炸机力量，就无法再等下去了。但下一代轰炸机到底是什么样子的呢？



在1903年莱特兄弟发明飞机后不久，第一次世界大战爆发，飞机马上被投入作战。有些飞机用于从空中观察地面，这就是侦察机的开始；有些飞机用于在空中击落敌机，这就是战斗机的开始；有些飞机被用于向地面丢手榴弹、迫击炮弹甚至炸弹，这就是轰炸机的开始。换句话说，战斗机用于空战，轰炸机用于对地攻击。在第二次世界大战中，航空技术飞速发展，性能更加先进的战斗机源源投入空战，从一线空战任务退下来的战斗机则转而担任对地攻击，或者用机枪和航炮直接扫射地面目标或者有生力量，或者挂上炸弹或者火箭弹用更加强大的火力攻击，从此开始了战斗轰炸机的时代。



进入喷气时代，战斗机速度越来越快，挂载能力也越来越大。随着航空电子系统的发展，对地攻击所需的火控功能不再需要专用火控系统，而是可以通过多功能系统的功能切换来实现。尽管F-15号称“不为对地攻击浪费一磅重量”，但最后还是发展成为F-15E，现代美国空军最重要的战斗轰炸机。作为F-15的替代，F-22没有潜力成为一架很好的战斗轰炸机，问题不在速度或者挂载能力，而是在于有限的机内弹舱。用作挂载空空导弹足够了，但用于挂载炸弹和空地导弹还是不足，而采用翼下挂载将极大地损害隐身和速度性能。F-35用于对地攻击比F-22更加合适，机内弹舱是按对地攻击而优化的。但战术飞机毕竟是战术飞机，载弹量、留空时间、航程、自卫电子战能力都受到机内空间的限制，美国空军依然需要下一代的轰炸机，但抵近目标的临空轰炸太过危险，早已过时；依赖巡航导弹作为主要攻击手段并不需要一架全新的轰炸机，远程打击早已不是轰炸机独享的能力，巡航导弹、装备常规弹头的弹道导弹和其他视距外打击手段都是现成的，下一代轰炸机的定位是一个大问题。更重要的是，下一代轰炸机的基本气动格局和飞行特征是一个大问题。



B-52是传统的高空高速突防路子，但很快B-52的速度和升限就被战斗机轻易超过，高空高速突防不再现实。B-1从高空高速突防开始，中途换马，改为低空高速突防，利用雷达盲区提高生存力，但战斗机的下视下射能力把这条路子也堵上了。B-2改用全向隐身躲开敌方雷达的探测和敌方战斗机的拦截，但B-2依然依赖逼近目标投弹的传统战术，尽管现代视距外攻击武器使投弹距离越来越远，增加了B-2的生存机会。为了极大地增加生存力，下一代轰炸机要么重走高空高速的道路，要么亚音速的高度隐身的道路。



很长时间以来，美国空军在亚轨道高超音速飞行器研究方面下了很大的功夫。亚轨道飞行是大气层和轨道空间之间的边缘地带。这里远远超过通常依靠空气升力的飞行高度，空气稀薄，飞行阻力很小，有利于高速飞行。在这样的稀薄空气里，飞机不再依靠机翼产生升力，而是通过所谓乘波体的原理，由机体直接产生升力。用水上的例子来比拟的话，普通船只依靠排水量产生的浮力，这相当于气球，静止状态也照样漂浮；水翼船依靠水翼产生动浮力，也就是说，只有在一定速度下才能产生浮力，这就相当于机翼产生升力的的动力飞行情况；冲浪则靠水对冲浪板底面的动压力将冲浪板托举起来，这就相当于乘波体了。高超音速飞行产生强大的激波，激波就是空气受到强烈压缩后密度急剧升高的现象，所以激波的锋面好像石墙一样坚硬，乘波体坐在这锋面上，就好象冲浪者站在冲浪板上一样。对于在稀薄高空的乘波体来说，气动设计的关键在于用最小的阻力将空气“圈进”机体的下表面，产生动压升力，所以这种通过对空气压缩产生升力的机制也叫压缩升力。



高超音速飞行在理论上是一个很大的挑战，传统的空气动力学原理很多都不能用了。由于压缩升力取决于对空气的高度压缩，压缩过程中的热力学现象成为飞行特性的重要组成部分，原本相对单纯的空气动力学（aerodynamics）研究变成空气热动力学（aerothermodynamics）了。



另一方面，高超音速飞行的动力也不同于大气层中飞行的普通飞机。涡轮类喷气发动机（涡喷或涡扇）的压缩机都需要在亚音速气流中工作，所以超音速飞机的进气道的主要目的之一就是将超音速气流减速到亚音速。进气在燃烧室中受热膨胀之后，通过收敛-扩散喷管（也称拉瓦尔喷管，以瑞典人古斯塔夫·德·拉瓦尔命名）加速到超音速，从而产生超音速的推力。这样的减速-加速过程造成的推力损失在高超音速时尤其明显，实际上，涡轮类喷气发动机具有理论速度极限，3.5倍以上音速基本上就将阻力超过推力了。高超音速飞行的动力需要另辟蹊径。



收敛-扩散喷管是一个有趣的现象。奥地利物理学家恩斯特·马赫的重要贡献之一就是发现流速和流道面积的关系。在音速以下时，流速随流道面积缩小而增加，这个现象在自然界中容易看见，峡谷使河流加速就是这个道理。但在音速以上时，流道面积缩小不仅不能使流速增加，反而使流速降低。这个现象好比羊群赶到山口的时候发生拥塞，反而走不动了。两者的区别在于空气的可压缩性。亚音速的时候，空气的可压缩性不显著，空气的连续性占主导，更多的空气需要在更小的流道通过，只有速度增加。超音速的时候，空气的可压缩性显著，流道缩小导致压缩增强，而导致减速。音速就是分界线。流体力学里的重要常熟有用发明人命名的传统，雷诺数、普朗特数都是这么来的。由于音速具有如此重要的意义，音速用马赫的名字命名，一马赫就是音速，二马赫就是两倍于音速。



收敛-扩散喷管就是利用亚音速和超音速是流道与流速的关系的产物。燃烧室的空气流速依然是亚音速的，超音速的燃烧就是爆炸了。收敛-扩散喷管用收敛段将亚音速的高压燃气加速，乃至推过音速，然后用扩散段将超音速燃气进一步加速。这也是超音速燃烧冲压发动机的基础。冲压发动机是喷气发动机中的一个比较特别的形式，用动压直接压缩进气，然后在燃烧室内燃烧，产生高压燃气，形成推力。不过常规冲压发动机依然需要用常规进气道把进气速度降低到亚音速，在亚音速下燃烧，然后用收敛-扩散喷管进一步加速到超音速。在特别高的速度下，这样的冲压发动机还是造成推力损失，理论上也无法超过六倍音速。然而，超燃冲压用收敛段将超音速进气减速增压，在依然还是超音速的条件下燃烧，产生高压燃气，然手用扩散段对燃气加速，产生推力。由于燃烧是在超音速条件下进行，这实际上是可控爆炸了，所以燃烧控制的难度非常之大，至今超燃冲压的已知试飞中，发动机工作时间都是以秒计算的，最新的波音X-51也才达到200秒（一说140秒），没有达到设计的300秒。



由于亚轨道高超音速飞行的诱惑和挑战，美国研制了一系列X飞机用于有关研究。X-43计划下马后，X-51接着上。这是当前最高水平的高超音速飞行器，采用锥形激波乘波体的设计和洛克希德-马丁SJX61超燃冲压发动机，在2010年5月26日的首飞中，由B-52带上15200米高空释放，用短程弹道导弹ATACM的发动机作为助推器，首先加速到4.5马赫，然后抛弃助推器，在自身动力下加速到5马赫（一说6马赫）的高速，设计速度超过7马赫。这还不是超燃冲压达到过的最高速度，X-43曾达到过9.8马赫，这是12000公里/小时的惊人速度！只不过X-43的超燃冲压发动机只持续工作了12秒钟，仅够中关村到通县的航程。



在作战上，高超音速有极大的诱惑，不仅可以极大地提高反应速度，可以在两小时内全球达到，而且由于没有有效的防空手段可以拦截。现有战斗机没有可以接近这样的速度的，现有防空导弹也达不到这样的速度。虽说先进防空导弹具有反导弹能力，甚至具有反低轨道卫星的能力，似乎在速度和作战升限上没有问题。但反导弹基本上是针对弹道导弹的。也就是说，对方弹道导弹以发射，就可以根据抛物线弹道计算轨迹，然后发射防空导弹“守株待兔”。当然，实际过程没有那么简单，对方弹道导弹也是可以有终端变轨能力的，但反导弹的基本面没有变，是针对大体确定的弹道进行的。反卫星也是一样。卫星具有固定的轨道，变轨机动需要抛射大量燃气产生反作用力，十分浪费燃料，所以不能随便机动，反卫星也是针对这个特点进行的。但亚轨道的乘波体不一样，可以利用气动控制手段改变激波的形状，产生机动飞行所需要的侧向力。如果尚不能像高机动战斗机一样敏捷的话，至少和基本上只能按照轨道飞行的卫星和弹道导弹是天壤之别了。如果说具有相对固定弹道/轨道的弹道导弹、卫星好比铁轨上的高速火车，那亚轨道机动飞行的高超音速飞机就相当于草原上奔腾的野马，后者速度可能不及前者，但拦截要难得多，只能同时满足合适的时间和合适的地点才能做到。在采用适当的隐身措施后，防空雷达的探测窗口很小，即使及时捕获了，防空导弹要满世界追着打也需要不可思议的能量。如果高超音速飞机需要耗费那么大的能量实现高超音速机动飞行，防空导弹需要更大的能量才能有效拦截，否则根本没有机动追踪的能力。



但美国空军等不及了。B-52的平均机龄已经超过大多数驾驶这些老爷爷轰炸机的飞行员，B-1由于变后掠翼带来巨大的维修工作量则还可能在B-52之前退役，B-2不仅数量太少，也已经是20多年前首飞的东西了。美国空军在2008年1月和波音、洛马签订合同，要求两家合作，在2016年使下一代轰炸机首飞，2018年服役。换句话说，下一代轰炸机为高超音速轰炸机是不可能了。另外，在吸取B-2教训之后，盖茨特别强调下一代轰炸机将以成熟技术为基础，这也排除了高超音速轰炸机的可能。B-2是按照全向隐身设计的，扁平的无垂尾飞翼设计不仅气动效率高，还特别适合于隐身。下一代隐身轰炸机继续无垂尾飞翼布局应该不奇怪，但这不会是B-2的简单重复或者更新。



在轰炸机的发展史上，不仅有B-17、B-52那样的重磅空中打手，还有苏霍伊T-4、英国TSR.2那样的所谓侦察轰炸机。侦察轰炸机的概念在二战前就有了，但战时的使用没有获得多少成功。二战后，航空技术和电子技术的发展使得侦察轰炸机重新获得发展的机会，苏霍伊T-4试图用三倍音速突防，TSR.2则试图用自动贴地飞行从低空突防。两者的重点都不是像B-52那样的地毯式轰炸，而是对重点目标精确攻击，并利用轰炸机的航程、持续高速和自卫电子战能力，深入敌后实施侦察。T-4和TSR.2都生不逢时，夭折了。但B-2可算是侦察轰炸机的一个延伸，具有强大的隐蔽侦察和收集电子情报的能力。随着网络中心战的发展，侦察轰炸机的概念获得了新的生命力，以特别强调ISR（全程Intelligence，Surveillance，Reconnaissance，意为情报、监视、侦察）为最大的特色。



网络中心战的定义至今不很明确，但有一点是肯定的，就是通过网络把参加作战的所有成员组成有机的整体，共享信息，共享决策，取长补短，形成彻底的体系作战。在这样的体系中，个体成员不必具备全面的攻守能力，可以调用其他成员的能力协作实现战术目的。比如说，侦察轰炸机可以担当侦察、监视、情报收集的任务，只需要保留精确攻击重点目标的能力就足够了，大面积的攻城扒垒的粗活可以交由其他飞机或者导弹去干，甚至精确拔点的任务也可以交由导弹去干。除了巡航导弹外，美国在洲际导弹、潜射导弹的精度上也大有斩获，声称可以达到50米圆概率误差，足够用常规弹头打击远在千里之外的重点目标，只要在防止误认为核攻击方面能够解决，马上就是很现成的攻击手段。高超音速巡航导弹则是另一个有效的打击手段。那样的话，轰炸机的主要任务不再是抵近投弹，而是侦察、指挥和目标指引，或者说，相当于超级FAC（全称Forward Air Controller，意为空中前沿打击引导官），或者相当于一个空中的前沿C4ISR（全称Command，Control，Communication，Computer，Intelligence，Surveillance，Reconnaissance，意为指挥、控制、通信、计算机、情报、监视、侦察）节点。FAC是美国空军的空中火力支援的重要概念，用空中徘徊的观察机观察地面目标，引导对地攻击飞机攻击。在网络中心战时代，用侦察轰炸机作为超级FAC顺理成章。



侦察轰炸机和侦察机有所不同。侦察机要求快进快出，实际上是非作战飞机。侦察轰炸机则需要长时间隐蔽徘徊于高威胁的战场上空，主要攻击方式是召唤其他打击手段，但在必要的时间可以直接攻击。换句话说，超级FAC是主要能力，而直接攻击只是次要能力。由于不再强调直接攻击能力，下一代轰炸机可以缩小尺寸，只需要中型轰炸机就可以了。这将大大降低研发和部署成本，有利于恢复轰炸机力量的规模。这可能是下一代轰炸机不同于B-2的关键之处。B-2计划生产132架，但单价差不多攀升到航母的水平，最后只采购了21架，包括一架研发用的原型，根本不够组成一支有效的轰炸机力量。



虽然直接攻击是次要能力，但没有过硬的直接攻击能力，那侦察轰炸机就成为能丢炸弹的侦察机了，这不是下一代轰炸机的初衷。为此，除了各种常规的制导炸弹、空地导弹、巡航导弹外，美国空军正在加紧研究以主动电扫雷达天线为基础的多功能电磁平台，包括电磁武器。这正是美国《航空周刊》2月18日透露的重要信息。主动电扫雷达用大量有源收发组件组成的天线阵列取代单一天线，采用相位控制手段灵活地实时汇聚或者打散电磁波束，既可以用很多波束独立地搜索、跟踪不同的目标，又可以集中成单一波束以达到最大功率，甚至对不同波束赋以不同的电磁性质，以适应不同的用途。这样一来，一个主动电扫天线不再只是雷达天线，而是成为一个电磁信息和作战平台，可以同时完成很多任务。



这样的电磁作战平台除了具有传统的雷达探测功能，还可以用于地形跟踪、地形测绘等导航功能。事实上，B-1轰炸机在美国军用飞机中首先采用电扫雷达，就是为了可以同时进行地形跟踪、空地搜索和防空监视。解决了电磁兼容问题后，主动电扫天线还可以用作通信天线实现定向保密通信，由于天线尺寸巨大，旁瓣较低，通信容量和抗干扰能力更高。将通信（communication）、导航（navigation）和雷达（radar）整合为一体的CNR天线在F-22上已经得到使用，这是成熟技术了。但这依然只是电磁信息平台而不是作战平台。



下一代轰炸机巨大的天线和强大的电磁功率还非常适合用于电子战，巨大的天线不仅适合用于侦听、定向，使下一代轰炸机成为强大的电子情报平台，但还可以用于电磁压制，效果比只有较小天线的专用系统还要好。这样的电子战能力可以全面压制敌方的机载和防空雷达，以及雷达制导的空空导弹和防空导弹，有效地将自卫电子战和进攻性电子战融合于一身。更进一步的话，这还可以包括微波武器，直接摧毁敌方的雷达和电子系统。更加科幻的能力则是用强大的定向电磁能量强力向敌方网络的薄弱节点注入信息，扰乱甚至瘫痪敌方的C4ISR，或者瘫痪电网、铁路、水厂、炼油厂、城市交通控制等民用关键设施。这将开辟信息战的新篇章，彻底改变战争的面貌。下一代轰炸机还将采用开放结构，随技术进步和成熟而不断加入新的模块和能力。



盖茨和美国空军要员多次强调下一代轰炸机将保留有人驾驶和无人驾驶的能力。美国的无人机技术在世界领先，全球鹰的翼展超过了波音737，航程达到25000公里，续航时间36小时，研制更大、更重的无人驾驶轰炸机在技术上没有困难，但在作战概念上还是有太多的问题。尤其是下一大轰炸机将继续承担核攻击的任务。作为可以在最后一分钟改变目标或者召回攻击的核轰炸机，有人驾驶是必须的，核攻击的按钮只能依靠受过高度训练的人来按下，而不是在万里之外通过通信链路遥控。另一方面，需要出动轰炸机的任务都不是等闲任务，即使是非核的常规纵深攻击。无人驾驶是一个降低任务风险的好办法，但错综复杂、瞬息万变的战场上，国运攸关的作战决定依然最好由受过高度训练的人在现场做出，否则根本不需要下一代轰炸机，只要派遣全球鹰向总部传送实时视频并遥控一群X-47就足够了。在可预见的将来，下一代轰炸机最可能的还是具有无人驾驶能力的有人驾驶轰炸机，无人驾驶模式主要用于战略侦察和监视，而不一定是对地攻击。但下一代轰炸机将具有指挥多架无人攻击机的能力。



1月23日，美国《国防新闻》报道，下一代轰炸机计划将耗资400-500亿美元，包括研发和采购。和仅研发就耗资600亿的F-35计划相比，这是出人意料地乐观了。下一代轰炸机计划装备175架飞机，其中120用于战斗部署，55架用于训练和后备。这将和B-2一样是一架高亚音速飞机，具有9200公里以上的航程，具有无护航在高度设防的敌人空域纵深突防和安全返航的能力，可以有人驾驶和无人驾驶，无人驾驶时留空时间50-100小时（需要空中加油），载弹量6300-12700公斤。但2月28日美国《航空周刊》引用新任美国空军负责作战、计划和需求的副参谋长大卫·斯科特少将时透露，下一代轰炸机将装备150架，其中90架用于战斗部署，2024-2026年开始服役，预计使用50年，主要任务包括电子攻击、指挥与控制，使用上延续传统轰炸机的入侵-轰炸-撤出模式，不强调超长的留空时间。关于下一代轰炸机的不同说法还将继续，有些还可能互相矛盾，迷雾不到最后时刻不会揭开，但下一代轰炸机将突破传统的重磅打手的角色，而将同时成为阴险的阴谋家，揭开轰炸机发展史上新的一章。



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原文发表于2011年第5期《航空知识》

匿迹鲸

这么说的话，全球鹰和捕食者就是原型了。一架可以装人的全球鹰？

黄陈子亨

可能是 迷你版的 B2
指挥大量的无人机。。。

匿迹鲸

估计是二选一，有人版全球鹰和迷你版B2，要看任务需求，主要是看是否需要长时间留空。