年过半百:KC-135加油机和B-52轰炸机

17-06-16

Permalink 21:34:57, 分类: 洪哥谈兵

年过半百:KC-135加油机和B-52轰炸机

通常空军代表科技前沿,作战飞机不仅领导技术潮流,而且更新很快。但在美国空军里,有这么天生一对、地造一双,已经是爷爷奶奶辈了,但还要老当益壮,白发人送黑发人。这就是KC-135加油机和B-52轰炸机。

天生一对,地造一双 - 晨枫 - 晨枫小苑

KC-135和B-52都属于第一代大型喷气式飞机。喷气发动机技术在二战末年出现后,在航空世界里引起一场革命,战后各国都在喷气竞赛中争先恐后,但美国凭借强大的国力和来自英德的人才输血,抢在各国前面,首先进入大型飞机的喷气式时代,KC-135和B-52就是典型。

B-52深受二战中美国空军(那时还叫陆军航空队,实际上已经独立运作)战略轰炸经验的影响,追求高空高速突防和大吨位载弹量。B-52在1952年首飞,1955年开始投入使用,最大起飞重量达到220吨,采用8台普拉特-惠特尼J57涡喷发动机(后期改用普拉特-惠特尼TF33涡扇),作战半径7200公里,载弹量31.5吨。B-52从基本的A型改进到最终的H型,在10年里共生产了744架,最后一架在1962年下线,距今已有55年,现在还有76架在服役中。

B-52诞生于冷战高峰,美苏都奉行大规模核报复理念,在洲际导弹出现之前,高亚音速高空突防、洲际航程的B-52这样的核轰炸机就是核攻击的主力。为了在核大战前夜保持24小时戒备,B-52需要超长的留空时间,单纯靠起飞时多带燃油已经不行了,只有空中加油。空中加油还可以增加航程,不仅使轰炸机增加作战半径,还可以减油满载起飞,在确保最大载弹量的同时,不影响作战半径,毕竟燃油是可以在空中添加的,******就没法在起飞后再补充了。

B-52在研制初期,就提出了加油机的要求。波音开始时计划用KC-97加油机满足这一要求,KC-97从C-97发展而来,而C-97可以追溯到二战时代的B-29轰炸机。KC-97有4台普拉特-惠特尼“大黄蜂”星形活塞式发动机驱动螺旋桨,另有2台通用电气J47涡喷发动机助推,以提高速度。这也是航空技术高速发展的年代,B-52在设计中途决定采用先进的后掠翼,速度因此提高到高亚音速,显然KC-97的速度跟不上,需要全新研制喷气式加油机。

在KC-135的基础上,波音暗渡陈仓,研发了里程碑式的波音707,这也成为诸多大型军用飞机的平台,比如E-3预警机

这也是民航进入喷气式的时代,英国已经先走一步,“彗星”式先声夺人,成为第一种喷气式客机。波音有私心,想借研制喷气式加油机的东风,推出自己的喷气式客机。这就是KC-135的开始,后来波音也确实在此基础上推出了划时代的波音707。

KC-135在1956年首飞,1957年投入使用,采用4台J57涡喷推进(后改为TF33涡扇,现役KC-135已全部换装CFM56涡扇)。在1955-65年间,波音共生产803架各型KC-135,机龄最短的也超过50年了。美国现有415架,其中空军168架,空军预备役67架,空中国民警卫队180架,另有一些转手外国空军,如法国、新加坡、土耳其、智利等。美国空军另有60架从麦克唐纳DC-10改装而来的KC-10加油机。

在KC-135之后,美国空军还采用更大的KC-10加油机

B-52和KC-135从一开始就是天生一对,现在更是成为地造一双。B-52服役不久,空军就进入了超音速时代,B-52马上就显得“落后”了。但超音速轰炸机之路出乎意料地坎坷,B-58的载弹量和航程都很可怜,双三的XB-70更是出师未捷身先亡,变后掠翼的B-1A死后复生、以B-1B面目重生时,超音速轰炸机变成高亚音速轰炸机了。兜了一圈后,老当益壮的B-52反而笑到最后。

更重要的是,B-52的核常两手都硬。在很长时间里,B-52是美国核三位一体中空中核力量的象征,在B-1B不再担任核值班后,B-52依然保留核任务。另一方面,B-52的大载弹量在越南战争期间的地毯式轰炸中显示出巨大威力,这是除了核生化武器外最接近大规模杀伤的军事手段了,在第一次伊拉克战争的“死亡高速公路”之战中再显神威。除了高空水平轰炸,B-52还能玩超低空突防的把戏,不过除非针对缺乏防空的对手,现在已经以视距外攻击为主了。恰好B-52还适合挂载巡航导弹、反舰导弹,可以发射“战斧”、ALCM、“鱼叉”、LRASM等导弹,成为重要的准战略打击平台。

在越南,B-52的地毯轰炸令人谈虎色变

在第一次伊拉克战争中,B-52的地毯轰炸再现神威,制造了“死亡公路”

现在,挂上“鱼叉”导弹,B-52成为反舰平台

挂上ALCM(如图)或者“战斧”,B-52就胜任防区外打击

B-52的座舱也现代化了好多,B-52的TF33发动机非常老旧了,滚滚黑烟除了镇人一把,非常费油

在70年代,就考虑并试验过换装CF6高涵道比涡扇,技术上没有问题,但当时的考虑是:B-52就要退役了,现在花这个钱没必要。这句话已经是40年前了,B-52现在还在蹦达,而且要一直到至少2040年!

但不管B-52如何接受通信、电子战、火控系统的升级改装,基本的机体和发动机已经老迈了。波音对机体的加强、延寿已经很有经验了,但TF33是第一代低涵道比涡扇,其民航版JT-3D早就退出使用了。80年代大批波音707退役后,拆下的JT-3D供早期KC-135换发,就民航而言,那时已经落后了。

事实上,还在70年代,波音就提议以B-52为基础,换用新的机翼,改用C-5A运输机使用的通用电气TF39(民用型号CF6),并在B-52上实际测试过,作为下一代轰炸机的基础。当然,技术至上的美国空军最后选用了北美-罗克韦尔的方案,这就是后来的B-1。1982年,普拉特-惠特尼提议用4台PW2000高涵道比大推力涡扇换下8台TF33,正值美国空军换装B-1,B-2紧随其后,预计在90年代末B-52应该退役了,这时换发失去意义。当然,B-1的服役不仅拖延,而且数量削减,B-2更是削减到只有21架,B-52要继续服役。

1996年,波音和罗尔斯-罗伊斯联合提议,用4台RB211高涵道比大推力涡扇换下8台TF33,为了节约初始投资,罗尔斯-罗伊斯甚至愿意租赁发动机。但美国空军反对租赁。总审计署的计算也认为,新发动机的节油和可靠性不足以抵消初始投资和后勤保障的改变所需要的投资。但这个结论后来受到质疑,TF33更高的耗油意味着空中加油需求的增加,空中加油的代价17倍于地面加油,因此原计算是有问题的。另外,随着备件的稀缺和大修深度的增加,TF33的维修费用在10年里增加了3倍。

进入21世纪,B-52将服役到2040-50年的现实开始被接受,但TF33发动机还在继续老化。2002年,波音和美国空军再次联合提议为B-52换发,候选有4台RB211、PW2000或者8台CFM56,估计投资40-47亿美元,估计节约110-150亿美元,增加航程22%,增加目标区留空时间3倍。提议再次被搁置。

时间快进到2017年,美国空军再次面对TF33已经老旧不堪的现实,但这一次不再考虑用4台大推力发动机替换原来的8台中推力发动机方案了。B-52是上单翼,翼下换用4台大直径涡扇没有离地高度的问题,这对降低阻力、降低油耗、减少维修工作量的好处都是显而易见的。但发动机吊舱挂架结构要大改,发动机舱周围的气流流动会发生变化。由于B-52的大型导弹都是翼下吊挂的,气流流场变化与外挂导弹的互动会造成难以预测的影响,多一事不如少一事,保留8台发动机是降低技术风险和改装投资的最佳选择。考虑到B-52H使用的TF33-P-3的推力只有76kN,换发的挑战不在于大推力发动机,而是小推力发动机,因此美国空军在2月4日的征求中明确指出,寻求支线客机和公务机级的发动机。这倒是有现成的。


通用电气CF34广泛用于支线客机和公务机,非常成熟

A-10攻击机的TF34是CF34的军用版,不过推力不大够,用于B-52需要大推力版

罗尔斯-罗伊斯BR700也广泛用于公务机,如“湾流V”,“湾流”G550是发展型

通用电气CF34小涡扇已经为美国空军的A-10所用,军用型为TF34,推力为40.3kN。当然,这点推力是不够的,不过CF34系列为支线客机和公务机发展的大推力型号至少有ARJ21的CF34-10A(推力78.5kN)和巴西飞机E-190/195的CF34-10E(推力90.6kN)可用。到2012年,CF34系列已经生产了5600台发动机,在世界各地使用,

罗尔斯-罗伊斯BR700是另一个候选,这已经在美国空军的C-37和E-11上使用。C-37是VIP运输机,民用型号为“湾流V”,E-11是基于“环球快车5000”的战场通信枢纽飞机,两者的基础都是公务机。说起来,宝马003发动机与梅塞斯密特Me-262协手开创了航空的喷气时代,但BR700是宝马在战后第一次也是唯一一次涉足喷气发动机,“BR”就是BMW和Rolls Royce的意思。但在2000年,宝马再次退出航空发动机领域,罗尔斯-罗伊斯单独接过研发和生产。BR700系列里有BR715(推力为82.3-97.9kN)和BR725(推力为66.7-75.6kN)可供B-52换发,但罗尔斯-罗伊斯还没有决定用哪个。BR715的推力更大,BR725的成本更低,两者都能满足要求。

普拉特-惠特尼作为TF33的生产厂家,当然不可能置身事外。普拉特-惠特尼没有现成的这一级别发动机,转而提议用现代材料和电子技术制造TF33的升级套件和控制组件,提高性能、可靠性、耐久性,延长大修时间,降低油耗,但不包括增加推力。普拉特-惠特尼方案有显而易见的最小改动的好处。

美国空军还没有正式发布要求和招标,现在只是在收集信息。但B-52要按计划服役到2040-50年的话,换发是必须的。普拉特-惠特尼、通用电气、罗尔斯-罗伊斯恰好是世界三大航空发动机制造厂家,但三家的方案各有特色。

普拉特-惠特尼的方案最保守,但不乏道理。B-52换发的目的是延寿,不是继续挖潜,更大的推力没有意义。更大的推力能提高最大起飞重量,但这对已经补丁加补丁的老旧机体来说并不适宜。B-52的发动机需要有强化的对电磁脉冲和网络攻击的抵抗力,TF33已经达到要求。民用发动机按照军标要求的电磁加固是一个问题,尽管不一定是大问题。TF33还适合B-52对机上电力和液压系统的要求高于支线客机和公务机的特点,现成民用发动机都需要做相应改动,才能适应需要。从简单维持现有B-52机队运作的角度来说,普拉特-惠特尼方案最简捷易行,但没有解决备件来源单一、渠道狭窄的问题,B-52将继续成为世界上唯一继续使用TF33的飞机,继续依赖普拉特-惠特尼提供技术服务和定制的备件,不可能得益于广大的民用市场,因为JT-3D的民用市场早就枯竭了。

罗尔斯-罗伊斯BR700在公务机中获得较多应用,但相比于通用电气CF34来说,并无特殊优势。BR700是后来者,设计更先进,但这点性能差异对B-52来说并不重要,可靠性、备件来源和维修便利更重要。在推力级方面,BR700和CF34都有足够多的型号,这不是问题。但罗尔斯-罗伊斯对符合电磁加固军标方面没有现成经验,欧洲作战飞机没有美国对战略轰炸机的电磁加固这样严格的要求。在“美国第一”的时代,非美国制造也是一个原罪。

通用电气CF34最大的优势在于高度成熟和广泛使用,庞巴迪尔“挑战者”、CRJ、巴西飞机E-170/175、E-190/195、中国ARJ21都使用CF34,现有机队至少在3000架以上,可靠性和备件供应是有保证的。当然还有A-10用CF34的军用型TF34。TF34是符合军标的,但A-10未必有电磁加固的要求。但通用电气不乏电磁加固的经验,B-2的F118(非加力型F110)就是符合电磁加固军标的。不过B-52要是用推力级几乎量身订造的CF34-10A,那就和ARJ21用一样的发动机,这倒可能成为一段趣话了。

如果美国空军最后决定换发,最终很可能在TF33翻新与CF34之间选择,如果只要求简单延寿,而且初始投资的权重更大,TF33翻新有优势;如果长期运作开支和备件、技术支持权重更大,CF34更有优势。

KC-135倒是早就换发了,现在已经基本上全部换用CFM56

现在的升级重点在电子系统,首先是玻璃座舱和数据链

无独有偶,KC-135也面临再度升级的关头。与难兄难弟B-52不同,KC-135倒是早就换发了。原版KC-135的J57涡喷推力不足(只有44kN),需要喷水加力才能达到58kN。这是对高压压气机后、燃烧室前的气流喷入细密的水雾降温,以容许注入更多燃油燃烧,增加出力,而不至于引起燃烧室和涡轮过热损坏。这个工作模式只能用短时间,长期使用要对发动机造成损坏。80年代时,大批KC-135换用民航退下来的JT-3D/TF33,但JT-3D是对JT-3涡喷增加风扇级而形成,重量增加,因此改装反而使得KC-135的载油量有所降低。90年代再次换用CFM56,不仅推力达到100kN,相当于J57的翻倍,载油量也恢复了,其结果是远程加油任务时可输送燃油量增加一倍,或者同样输送燃油量的情况下使用半径增加60%,维修费用也降低25% 。起飞噪声从126分贝降低到99分贝,这对战争时代不是大问题,但对和平时代的机场运作很重要。

KC-135曾经是专为B-52为代表的战略轰炸机服务的,但美国空军的战术沿革极大地增加对加油机的需求。空军成为战场上的决定性力量,空中铁拳的手臂要求越来越长。另外,与轰炸机一样,空中可以加油,但空中不可能装弹。所以美国空军的典型战术是战斗机装满弹药后减油起飞,升空后再空中加油,恢复甚至增加航程。换句话说,即使对战术飞机的典型出动,空中加油也不再是偶尔为之,而是成为日常作业。这不仅极大地提高了对加油机的需求,也增加了加油机自身和战术体系的风险,一旦加油机被敌方击落,很可能造成一批战斗机都会因为燃油耗尽而坠毁。

美国空军正在实施KC-X计划,这是179架从波音767改型而来的KC-46加油机。但在2028年KC-X计划完成时,依然有至少300架KC-135要继续使用。下一步的KC-Y和KC-Z计划至少要到2030-40年代才能启动。美国空军预计,KC-135将需要继续使用至少40年,成为货真价实的长命百岁老寿星。

如前所述,波音对机体延寿已经很有经验了,加油机又不需要做剧烈机动,KC-135延寿到21世纪中叶是做得到的。发动机也不是问题,CFM56的用户基础太大了,现在世界上每天都有几千架用CFM56推动的波音737NG和A320CEO在飞行,全新的波音737NG和A320CEO还在继续交付,至少30年内备件和维修不成问题。但KC-135在设计和过去的改装升级中,对信息化战场没有多少考虑,也缺乏起码的电子自卫能力。

在支持战斗机远程作战时,加油机常常部署在战区边缘,便于战斗机在战斗间隙跳出战区,加油后返回再战。为了便于战斗机寻找和对接,加油机需要长时间打开无线电信标,标识自己的位置,然后通过话音通信协调对接动作,这在现代空中战场上是很危险的,很容易被具有无线电定位的敌人利用,因此需要更先进的保密数据链代替无线电信标和话音通信。保密数据链还可用于接受友机(尤其是预警机)或地面的预警,及时回避来袭威胁。加油机在战区边缘的位置也使其天然适合用作战区信息中枢,担任保密通信的中继、分发,甚至组织跳伞飞行员的营救。为了防止被敌人战斗机摸掉,加油机需要先进的光电和雷达预警与对抗能力,探测来袭的威胁,在必要的时候压制敌机的雷达和光电探测手段,直至干扰来袭导弹。先进预警能力还可作为补充性的战场信息,反馈给战区的作战飞机,隔岸观火有时更有利于整合完整的战场信息图景。

美国空军还在研究隐身加油机的问题,以提高加油机的生存力。这会与隐身运输机一起研究,这也是KC-Y和KC-Z计划在短时间内启动不了的原因之一。就现在而言,只有用电子技术控制电磁特征,比如无线电静默、低可截获概率数据链等,美国空军计划对KC-135进行的正是先进数据链、电子对抗和电磁管理方面的改进、升级。

但未来空中战场太过险恶,加油机的隐身化可能势在必行,这是一些设想方案

KC-46在研发中遇到很多磨难,部分原因就是因为这些新增的要求,但KC-46确实已经整合了这些要求了,美国空军尽可以增加KC-46的采购,而不再在已经年过半百的KC-135上浪费时间。问题是钱。KC-46的单价高达1.47亿美元,算入研发投资更是高达2.41亿美元。美国空军根本没钱增购。实际上,由于债台高筑和两党恶斗,这些年美国的政府预算草案经常不能及时在国会通过,而要靠所谓“延续决议”(continuing resolution,简称CR)来维持在递交预算草案(一般为4月)到下一个财年开始(一般为9月)之间的预算空档。即使在共和党同时控制白宫和国会的现在,也没有避免这样的尴尬。CR只能维持当前运转,不是用来启动和运作新的大项目的,因此近年来美国军方的研发和采购项目多受困扰。

另外,由于预算法律的限制,即使把现有KC-135全部退役,节约下来的开支也不能自动转用到新购KC-46上,这是两个不同的预算渠道,不得串用。法律原意或许是避免军方任意退役现有装备,挪用到新购装备,制造既成事实,迫使国会追加投资,但在现实中也造成很多官僚主义的人为障碍。与此同时,随着美国军力向亚太转移,战斗机航程不足的问题越来越突出,对加油机的需求极大增加了,而新的KC-46要到2020年代中后期才能真正大量投入使用。现在只有通过对KC-135升级来满足对加油机的需求。

现阶段的升级主要包括液晶显示的玻璃化驾驶舱、雷达高度计、自动驾驶仪、数字飞行管理系统等,美国空军正在研究下一步的升级要求,尤其是Link 16数据链、超视距通信、电子对抗与反对抗、电磁特征管理等,还需要加装民航世界正在开始大量采用的ADS-B系统,用于平时的空域管理、坠机定位等。

B-52和KC-135这一对少来夫妻老来伴看来要一起进入百岁寿星行列了。也好,相濡以沫,共度时艰,在给很多后来者树立好榜样呢。

爱乐洪哥

莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行。竹杖芒鞋轻胜马,谁怕?一蓑烟雨任平生。 料峭春风吹酒醒,微冷,山头斜照却相迎。回首向来萧瑟处,归去,也无风雨也无晴。

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