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目前，美国空军在航空科技领域推出了多项研发项目，以推进技术、材料与结构技术和作战方式三大领域为代表的科技创新，都在不同程度上提升着美国空军各类部队的作战效能。

发动机与能量整合技术

美国空军认为，推进技术对空战、空运、ISR和特种作战平台的作战效能都有不同程度的影响，其中又非常强调发动机领域的新概念技术应用。“自适应通用发动机”和“高效嵌入式涡轮发动机”都采用传统的布雷顿循环（吸气式）概念实现高燃料效率，已经实现的科技革新技术将整合到现役运输机，从而使燃油效率提高1%～6%。

比如，通过“自适应通用发动机技术”（ADVENT）应用提升空战部队作战效能，能够使战斗机的燃油消耗效率（SFC）提高15%～25%，极大地节约作战和运行成本。“自适应通用发动机技术”项目由美国空军研究实验室启动，通用公司（GE）和罗尔斯一罗伊斯北美科技公司（RRNAT）负责研发，目标是通过改变飞机的通风压力比，使飞行员可以选择节油巡航飞行模式，或是高速或超声速飞行。

ADVENT的变循环发动机工作原理有其独到之处。

一般发动机都是专门为远程巡航或高速飞行设计。军用运输机发动机使用高涵道流量比，高涵道流量比由于可以在发动机周围流过更多的空气，气流很少通过中心，可以提高热效率，获得更低的油耗：低涵道流量比正好相反，压缩更多的空气通过中心，产生更大的推力，适合战斗机进行超声速飞行。

当发动进气口打开增加涵道比，涡扇由于外涵道的气流降低了喷气的温度和速度，提高了燃料燃烧的热效率，产生更大的推力和获得更低的油耗，对于起飞、巡航、待机和亚声速加速尤其有利：当进气口关闭后，更多空气涡喷进入中心，可以获得更大的有效推力，对超声速飞行就比较有利。理想的战斗机发动机应该在低速时体现涡扇发动机的特性，在超声速时体现涡喷发动机的特性，这就是所谓的自适应。

ADVBNT项目的第一台验证机名为YF120，曾经参与YF-22战斗机的项目竞争。尽管美国空军第四代战斗机（现称第五代）F-22A“猛禽”采用了YF119发动机，但是美国空军从未停止对变循环发动机的研发。2013年开始又对YF120验证机进行试验。当时，YF120在竞争中输给YF119主要是由于技术风险高、研制费用大，但是其优异的性能和创新性的变循环设计理念适用于未来战斗机，因此仍然是美军重点发展的推进技术项目。

目前，美国空军ADVENT项目也在一种吸气式发动机的基础上进行结构重组，验证的技术能够为起降和空中机动提供更大的推力，减小飞行阻力，从而增加航程和滞空时间，同时也能为飞机的子系统提供大量冷空气用于废气冷却和热管理，预讲应用到F-35联合攻击机、B-21下一代轰炸机和最新的F-X项目之后，将会节约20%以上的燃油。

此外，“高效嵌入式涡轮发动机”（HFFTE）主要应用于空运部队和其他特种飞行平台。这项技术的中、远期发展目标是增加发动机的总压比（OPR），引入新一代的压气机设计，开发相应的高压密封环和先进的材料、部件冷却技术，以及自适应的核心技术、高效低排放技术、高温高压材料技术、混合动力技术和热管理概念研究，从而提高25%的燃油消耗率。目前，HEETE项目必须解决的问题是在实现高能效的同时降低可探测性，满足军用发动机嵌入式安装的需求，还要有较宽的推力范围、受热极限和功率削减要求。在加大研发力度的同时，美国空军作为“技术跟进者”也要使这些技术尽快从民用市场向军用领域转化。

美国空军认为，更换整个发动机虽然成本更高，但是能使战斗机、轰炸机、攻击机和运输机分别获得15%～25%的效率提升。“高效小尺寸推进”（ESSP）技术将应用到无人机等其他小型飞机之上，也有望提高25%左右的燃油效率。无人机应用燃料电池技术还将提高燃烧效率和航程。美国空军的中远期科技发展寻求彻底改革整个发动机结构，远期革新还将进一步提高热力效率的核心科技，突破总压比和温度的限制。目前正在开发的候选项目包括：混合增压燃料循环、混合涡轮复合循环、热交换循环（中冷和再生）、涡轮级间燃烧导致等温膨胀循环、容积压缩芯技术等。

在能量整合技术方面，美国空军研究实验室（AFRL）推出了“飞行器整合和能量技术发展”（INVENT）项目，以能量优化和高效电技术集成技术为基础，采取基于模型的设计方法，研发未来的电驱和机载激光应用技术，以自适应、智能飞机动力系统，将飞机的总体性能提升15%。INVNT项目是美国能量优化飞机（EOA）国家项目的核心部分，2012年项目招标以来，已经进行了系统结构的地面演示，并开始为第五代战斗机确定关键技术。INVBNT项目的核心技术目标是对混合电气系统进行综合，使能量利用效率最大化，带来的热挑战最小，并根据每个飞机系统的负载周期按需提供功率与进行制冷，减小飞机热约束，扩大飞机功率增长空间，飞机的能量效率更高，作战能力随之增强。

飞机燃油效率提高不仅能够降低五角大楼的能量需求，有助于管理隐身飞机通用公司位于特拉华州的ADVENT车间上的热问题。在F-22和F-35等隐身飞机上，由于除了燃油没有介质可以用于贮存废热，热问题管理显得尤为重要。F-22和F-35热载荷是F-16战斗机的5倍，而下一代战斗机将率先安装定向能武器，这将产生兆瓦级的功率和制冷需求。所有这些能量都不会离开飞机，它们会转化成低质量的热能存在于飞机当中，飞机变成了“飞行的暖瓶”，由此带来的热能存储与转换，对美国空军研究实验室而言是极大的挑战。

材料与结构技术

美國空军在材料与结构技术方面的研发重点是用重量轻、强度大、多用途的新材料替代某些机身金属结构，以及新式集装箱等提高运输能力的项目，在实现节约燃油目标的同时，复合材料也能降低制造和维护成本、降低部件数量、降低前沿部署过程中的维修保障强度。用多功能材料减少能量流失是美国空军的中、远期航空科技研发重点，比如，目前的热电材料在1200℃的性能非常稳定，可以采取散逸能量控制的方式，利用热电体将飞机部件散失的热量收集起来集中发电。

先进复合材料。美国空军认为，复合材料是由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料，在性能和功能上远远超出其单质组分性能与功能的类新材料，是国民经济发展和国防军工最重要的一类工程材料，广泛应用于飞机、火箭、卫星、飞船等航空航天飞行器。根据美国航空航天局（NASA）的划分，航空航天所使用的各种先进复合材料可以分为以下几种：树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料等。

先进树脂基复合材料。先进树脂基复合材料是以高性能纤维为增强体、高性能树脂为基体的复合材料，与传统的钢、铝合金结构材料相比，密度约为钢的1/5，铝合金的1/2，比强度与比模量远高于后二者。比如，碳纤维复合材料（CFRP）具有比强度高、耐高温、减振性好、耐疲劳性能优越等突出优点，目前在美军运输机上用量最大，是航空航天等尖端科技领域发展较为成熟的先进复合材料。芳纶纤维复合材料（ARIP）热稳定性好，耐介质性能优良，可作为复合装甲材料，有较强的防护力。美国空军使用AFRP材料用于制作军用飞机的“光谱屏蔽”材料，其关键性能指标抗冲击性能也相当出色。

金属基复合材料。金属基复合材料主要是指以铝、镁等轻金属为基体的复合材料，在航空和航天应用中主要用来代替有毒的铍。这类材料具有优良的导电性能、导热性能、耐高温性能和优良的可加工性能，且横向性能好、消耗低。近20年来，镁基、铝基、钛基等轻质金属基复合材料在美国空军起到了重要的支撑作用，碳化硅（SiC）晶须增强的铝基复合材料薄板已经广泛用于先进战斗机的蒙皮和机尾的加强筋，钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机部件，石墨/铝、石墨/镁复合材料具有很高的比刚度和抗热变形性，是美国空军空间司令部卫星和宇宙飞行器用的良好的结构材料。

陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料属于耐热结构复合材料。这类材料具有寿命长、强度高、密度低、耐高温、耐腐蚀和抗磨损等特性。陶瓷基复合材料的最高使用温度为1650℃，其密度仅为高温合金的1/3～1/4，工作温度却比高温合金高500℃，耐高温能力和减重效果非常好。

碳/碳复合材料。碳纤维增强碳复合材料是用碳纤维来增强各种基质碳的材料，是一种极好的热结构材料，具有升华温度高、力学性能好、抗热振性能好质量轻、抗辐照、辐射系数比较高、对雷达和光的可见度小等优点，主要用于作战飞机机身结构、受力部件的制造。另外，碳化硅纤维（SiCf）就是用于金属基、陶瓷基复合材料的一种重要的高性能增强陶瓷纤维，在抗拉强度、抗蠕变性能、抗氧化性以及与陶瓷基体相容性方面表现优异。

先进减重技术。美国空军研发的先进减重节能技术包括无线控制系统和电激励系统替代液压系统，运输机的合成纤维牵引系统，新型发光二极管（LED）替代传统的照明部件，合成与变形材料也能应用到小翼和扰流器等部件上，根据气流和飞机迎角自动调整油耗参数。另外，碳纤维技术也将用来提高抗张强度、传导率和热管理效率，并且能够运用到能量贮存等领域。

新型固定与牵引绞车系统。目前，美国空军为C-17“环球霸王Ⅲ”运输机研发的新型固定与牵引绞车系统，已经由第437维修大队进行了作战测试。新型固定与牵引绞车系统项目由美国空军作战实验室发起，波音公司负责研发，整个系统减重约453千克，包括各种直径的缆绳、皮带、链条，用于在空运过程中捆绑固定货物。在C-17运输机测试成功之后，美国空军将向所有空运部队的所有运输机型普及，每年能够为美国空军节约400万美元，而且还能提高空运和装卸作业的安全性。

量子阱LED。在发光二极管研发方面，美国空军已经启动了多个项目，比如，美国空军研究实验室与海军研究办公室联合联合的LBD带状结构工程项目，就是利用范德瓦尔斯异质结构原理，引入最新的量子阱（QW）技术，利用金属石墨烯堆叠制作LBD，将绝缘的氮化硼和各种半导体单层设计成复杂的序列，提升量子效率10%左右，发射各种频谱的光线，光电转化效能也随之提升。再比如，美国空军研究实验室开发的纳米柱阵列技术，能够生成一系列不同厚度的氮化镓/氮化铝镓（GaN/InGaN）多层量子阱（MQD），同等体积之下能够制作出密度更大的纳米LBD。

变形材料。美国航空航天局发展的“变形项目”（Morphing Project）推出的技术验证概念已经对外公布多年，这种飞行器采用生物构型，利用鸟类飞行的原理，广泛运用纳米技术、仿生学技术和微材料技术，核心目标是在未来推出可以像鸟类扇动翅膀的飞机，提供更大的作戰灵活性和更强的作战效能。

航空作战方式改革

美国空军认为，改革航空作战方式也能提高作战效能并降低作战成本，为此推出了六项主要改革措施。

一是完善作战计划。美国空军的作战计划软件一般明确任务要素、实时气象条件和任务需求，用来减少出动架次和不必要的航线计划。比如，“空军任务支持系统”（AFMSS）由便携式飞行规划系统（PFPS）、任务规划系统（MPs）和便携式任务规划系统（PMPS）等组成，能够为固定翼、旋转翼飞机和制导武器提供自动任务计划支援系统，系统软件考虑到地形、天气、飞机机动能力和敌方火力威胁等因素，根据已知敌方目标的位置和类型，结合具体飞行器的武器分发和燃料需求估算出其航路。未来，美国空军还将继续完善任务计划工具的战斗、空投、武器分发、目标计划、雷达预警、全程飞行路线三维预演等任务，进一步提升作战效率。

二是增加模拟训练。美国空军也在利用分布交互式飞行模拟器缩减实飞训练小时，比如KC-135“同温层油轮”和F-16C“战隼”模拟器联网训练，减少两种机型的实机加油训练次数，另外利用模拟器训练电子战相关课目也可大幅提升能源效率。

三是改革作战方式。美军要求当前空运部队可以通过商业航空已经广泛采用的任务指标飞行节约燃油，根据外界条件优选飞行高度和速度，以及爬升和下降的飞行操作。纵队飞行也能节约5%～10%的燃油，但是需要机组调整任务计划。

四是加大无人机运用范围。比如研发小型空运无人机，执行运送少量货物的任务。小型空运无人机采用自主航空运输技术，具有很强的任务灵活性，同时相比地面运输也更为安全，比如已经在阿富汗战场投入实战的K-MAX无人直升机，就已经具备战术级别空运的能力。未来的遥控无人机能以70千米/时的速度飞行，载荷能力350千克，航程约200千米，任务范围针对性将更强，满足分队级别的作战运输需求。

五是广泛运用新技术。比如使用共形天线减小飞行阻力达到省油的目的。比如，C-130运输机和AC/MC-130J特种任务飞机共形天线升级项目就是美国空军的一个研究热点，项目内容是确定共形天线安装位置，通过将接收机、处理器和通信线路整合，赋予这些飞机更强的信号处理（SIGINT）能力。该项目能够提高运输/特种飞机的航程和有效载荷数量，因此减少执行任务的飞机总数，加油支援需求也会随之减少。

六是研发“规则改变者”概念。目前，美国空军在特写的机身部件和超系统科技研发之外，还有大量突破传统机身结构和作战方式的“规则改变者”概念，比如混合动力飞艇和模块化宇宙飞船等。根据美国空军的中期技术发展规划，混合动力飞艇在开发填充气体（目前主要是氦气）和浮力技术之外，还将在地面控制、绕过恶劣天候空域、浮力控制等三个方面克服技术挑战，使每磅货物运输成本相比传统空运方式大幅降低。通过降低飞艇的单位重量运输成本，美国空军计划将飞艇扩展到空运、ISR和侦察中继等多个作战领域。“规则改变者”概念的远期研究方向是在机身方面采用分级子系统组合，子系统按所需位置分布，保持其间的连通和通信，而且功能能够共享和复制，在某一子系统失灵（或某项任务不必安装）时整架飞机仍能正常工作，因此将比传统机身节约大量能量。

结语

在新概念技术研发与应用领域，美国空军还将要研发的其他先进技术比如核动力飞行、分布式动力、磁液体动力、能量辐射。电磁炮全电飞机、反物质技术等超前概念，目前由于发展不成熟、缩放比例困难、适用范围较小、风险较高等原因还不适合应用，但是都已经进行到美国空军的视野。

编辑：石坚