轰六K改进气动布局、机身和动力装置的技术发展路线设想
轰六K改进气动布局、机身和动力装置的技术发展路线设想
轰-6K作为中国空军的重要远程打击平台，其性能提升一直备受关注。本文从气动布局、机身设计和动力装置等多个维度，探讨了轰-6K后续改进的技术路线，通过对比历史上的经典轰炸机设计，为未来的发展提供了有价值的参考。
笔者大胆地预测一下轰-6K后续改进、改型的方向。因为现有轰-6K在结构、气动布局上已经达到了技术性能上限，即使换装更新的大推力发动机，其总体航程、武器载荷能力也不会有质的提升，因此轰-6K在结构、气动方面进行大改就势在必行。实际上，轰炸机在结构布局上进行大改并非没有先例。早在20世纪50年代苏联空军提出新一代战略轰炸机的需求时，米亚西舍夫设计局就提交了苏联第一种喷气式战略轰炸机米亚-4的设计方案，该机整体上可以看作是图波列夫设计局研制的图-16中程轰炸机的整体放大版，在气动布局、机身结构、发动机布局方面都放大了。
图波列夫设计局考虑到当时喷气式发动机性能不佳，推出了以涡轮螺旋桨为动力的图-95战略轰炸机方案，而最终结果也体现了图波列夫设计局的深谋远虑。由于米亚-4采用的喷气式发动机油耗过大，其航程、作战半径等关键数据也没能达到苏联空军的要求，因此使用了更落后的涡桨动力的图-95赢得了苏联空军的认可，成为其空中战略打击力量的核心，各型号生产数量高达700多架，有效抵消了美国空军B-52战略轰炸机所带来的巨大威胁。
图-95MS至今依然是俄罗斯空天军战略轰炸机的主力，如同B-52H战略轰炸机对美国空军的意义一样
不过，米亚-4的败北，本质上并不是设计方面的不足所造成的，更多的原因还是技术条件的限制以及自身设计经验不足。但其设计方案对于今后轰-6K大改却有着积极的借鉴作用，并且由于现在中国的航空研制能力更强，生产技术、制造工艺更先进，当年米亚-4所面临的一些问题或条件限制已经不复存在，因此参照米亚-4对轰-6K进行改进设计原则上是没有任何问题的。
气动布局与机身设计
为了减少结构改动量，轰-6K大改仍可延续轰-6K的整体气动设计和布局，这对于缩短后续结构试验、气动设计测试的周期以及降低复杂性都大有益处。其发动机的安装可采用与米亚-4类似的翼根布局，并且考虑到增加航程及武器载荷的要求，可增加一对发动机，即形成机身每侧双发动机舱的设计。相比采用翼下吊挂发动机的设计，翼根发动机布局在气动阻力方面区别不大，但过长的进气道设计会使总压损失较大，特别是对于20世纪50年代初的早期喷气发动机来说，其效率和油耗会受较大影响。这也是采用喷气发动机的米亚-4的最大航程只有不到9000千米的主要原因（另一个原因是发动机推力较小，最大起飞重量只能限制在140吨以内，这样机内油量的携带量也受到了很大影响），该航程与苏联空军要求的12000千米相差甚大（而图-95却达到了13500千米，远超苏联空军的要求），导致米亚-4批量生产后，主要作为空中加油机和海上巡逻机，而非主力战略轰炸机。
苏联研制的米亚-4战略轰炸机
但是，现代涡扇发动机在技术水平上和性能上已经较早期涡喷发动机有了质的提升，上述翼根布局的缺陷对于现代大推力涡扇发动机的影响已经微乎其微，轰-6K大改继续采用这种设计并不会产生类似米亚-4航程严重不足的问题。如果改为机翼吊挂式布局，轰-6K大改的机翼结构、翼型、强度、风洞测试就都需要重新进行，这无疑会大幅增加研制、测试的时间，本质上并没有什么必要性。当然，发动机翼根布局也存在一些问题，首先就是发动机的维护、保养以及更换并不便利；其次是某一发动机舱如果发生火灾或受损（如叶片断裂），更容易造成相邻发动机舱（或机身）的损伤。这方面问题可以通过增加发动机可靠性以及安装防火舱、使用高效自动灭火装置和装甲板防护等手段避免受损或减小损害程度。当然，这些解决办法会增加一些机体结构重量，但是现代高性能复合材料的应用范围大幅增加，基本上可以抵消很大一部分增加的重量。
轰-6K要大改的话，工作量是很大的
由于需要携带更多的弹药和燃油，轰-6K大改的翼展必须要增加到45米以上才能有足够的空间用于更大弹舱和机内油箱的布置。同时考虑到增加机内空间以及设置更大弹舱的需要，轰-6K大改的机身直径也需要相应增加，毕竟轰-6K只有2.5米的机身直径，对于战略轰炸机而言明显过小。美国B-52的机身截面是一个高约4米、宽约3米的矩形，图-95的机身直径约为2.8米，米亚-4的机身直径约为3米，而B-1、图-160这些第二代超声速战略轰炸机的机身最大直径都超过3米，因此，作为战略轰炸机的轰-6K如果要大改，机身直径最少要扩大到3米。
虽然机身直径越大，对于空间的增加以及弹舱的布置越有利，但随之会产生制造难度更大、工艺更复杂、飞行阻力更大、需要更大推力发动机等问题。轰-6K大改的机身直径可以增加到3.2～3.3米，既能满足增加机内空间以及布置大尺寸弹舱的要求，同时又不会对材料、制造工艺提出过高的要求，完全在中国航空工业制造能力范围之内。
随着现代航空技术的巨大进步，特别是一些新材料、新工艺的大量应用，体积、尺寸巨大的战略轰炸机机身结构重量始终偏大的问题会在轰-6K大改后有明显的改善。比如机身尺寸和气动设计与之比较类似的米亚-4，在采用传统航空铝材料时结构重量近80吨，而同时期研制的B-52和图-95都超过80吨，结构重量系数一般都超过或接近50％；而到了研制第二代战略轰炸机B-1和图-160时，由于相关技术和航空材料的进步（如精密制造技术、大型整体结构油箱和钛合金整体构件），在飞机整体性能、机体尺寸以及起飞重量都大幅增加的情况下，结构重量系数却下降到40％左右。而在进入21世纪后，航空技术和材料领域有了进一步发展，数字制造技术、大尺寸碳纤维材料制造、3D打印技术等对于降低机体结构重量发挥了重要作用，这也是第五代战斗机能将结构重量系数由第四代战斗机的35％～40％降低到不足30％的主要原因。
如果轰-6K再进行大改，通过采用新技术和新材料，能够显著降低结构重量
对于在21世纪20年代前后研制的轰-6K大改来说，更好地控制结构重量对于提升飞机性能是有着重要意义的，这些新技术、新材料在生产制造方面的复杂程度已经大为降低，成本方面也可以得到比较理想的控制。与更高一级的隐身战略轰炸机或空天战略轰炸机相比而言，轰-6K大改在成本方面有着明显的优势。
假设轰-6K大改的整体尺寸与米亚-4相当，那么其机体结构重量可以有效控制在70吨之内，这样即使轰-6K大改的最大起飞重量控制在200吨以内，其载油和武器载荷也都能达到较高的水平。总体来说，轰-6K大改的机体和气动布局设计的核心就是最大程度地减少全面改动、推倒重来所出现的研制风险和更大的技术难度，毕竟其研制目的主要是为中国空军提供一种大型空中战略打击平台，并且对于隐身性、超声速性乃至机动性都没有超出作战需求的要求。这实际上就意味着其机体结构和气动布局越简单、技术复杂性越小越好，对于提高生产效率、降低生产使用成本都有着重要意义。
动力装置
战略轰炸机要想满足拥有远航程和大载弹量的要求，除了可以通过增加机体空间和尺寸来增加机内载油量、扩大弹舱和增加外挂点数量，所使用的动力装置性能也能起到非常重要的作用，甚至在很多情况下起到的是决定性的作用。比如，中国在改进轰-6K时仅仅通过将原涡喷8涡喷发动机换为D-30KP2涡扇发动机，就实现了航程、载弹量以及飞行性能的大幅提升，满足了中国空军对于远程轰炸机迫切的作战需求。
当然也有反例。比如苏联在20世纪50年代研制的米亚-4战略轰炸机，它所使用的AM-3A发动机不仅推力小（最大推力8.7吨），而且油耗较大，即使该机内载油量高达70吨，最大载弹量也只有12吨。而4台发动机的巨大油耗也使其最大航程不足8000千米，除在最大飞行速度方面稍有优势之外，所有性能与同时期研制的图-95都有着阶段差距，因此失去了成为苏联空军战略打击主力的机会，不仅生产数量大为缩减，所担负的主要任务也由战略轰炸变为了空中加油、侦察、反潜等。
苏联研制的AM-3A涡喷发动机，曾用于米亚-4战略轰炸机
美国同时期研制的B-52也由于所使用的J57涡轮喷气发动机推力较小（最大推力只有3.8吨），为保证设计所需的巨大载弹要求（不低于25吨），只能选择前所未有的8发设计，这显然对于飞行控制和维护保障都是不利的。发动机数量的增加还导致油耗大幅增加，为实现足够远的航程，B-52的载油量高达140吨。而后期型号（B-52H）在换装了TF-33涡扇发动机后，虽然仍然沿用了8发设计，但推力增加了100％，油耗降低了17％，航程和载弹量分别增加了15％和30％，最大起飞重量达到了220吨以上。
目前，美国空军还计划为现役B-52H换装F-130涡扇发动机，虽然换装之后的总推力仍为7.5吨（这也意味着B-52的飞行性能和载弹量不会有大的变化），但由于F-130发动机结构设计更先进、可靠性更高、寿命更长、维护成本更低，因此整体优势比TF-33发动机大得多。特别是F-130在油耗方面较TF-33降低了近30％，这将使B-52的最大航程在机内燃油量不变的情况下，由现在的16000千米增加到20000千米以上，增程效果十分明显。
美国空军计划用英国罗·罗公司研制的F-130涡扇发动机来替换B-52H现在采用的TF-33涡扇发动机
由此可见，发动机的推力和油耗对于战略轰炸机的性能影响是非常明显的，如果这两项性能符合要求，那么战略轰炸机的总体性能也基本能达到设计要求。因此，对于轰-6K大改而言，选择一款符合这两项要求并在技术上没有过大风险的发动机，对整个研制工作都是至关重要的。同时也要考虑所使用发动机的成本及可靠性，以便降低大批量生产的经济压力，保证更高的出勤率。
轰-6K大改要想达到战略轰炸机的水准，最大起飞重量就不能低于180吨，这样才能保证在机体空间、载油、载弹量方面达到“战略”级别。同时，为了保证必要的飞行性能和操纵性，轰-6K大改的推重比要达到0.25以上，发动机的总推力不应低于50吨（并且最好选择无加力的大涵道比涡扇发动机）。目前中国并没有技术成熟的25吨级大推力涡扇发动机，采用双发设计的动力方案显然难以实现。如果采用4发设计，单台发动机的推力只需要达到12.5吨即可，虽然发动机数量的增加对于降低油耗不利，但对于任务时间经常能达到8～10小时甚至更长的战略轰炸机来说，也能极大地提高飞行的安全性和生存力（毕竟对于4发轰炸机，即使有2台发动机损坏或丧失工作能力，它也能保持基本飞行能力。因此，除B-52之外，世界上主要战略轰炸机基本上都选择了总体性能更为均衡，结构、技术设计也更简单的4发设计）。无论从哪方面来考虑，轰-6K大改的动力装置采用4发设计都是最合适的选择。
在具体发动机型号的选择方面，由于轰-6K大改属于一种高亚声速战略轰炸机，对于飞行性能、机动性的要求并不高，因此发动机的稳定性好、可靠性高、易于保障以及较低的生产、使用成本才是需要重点考虑的。同时，考虑到降低结构改动幅度以及简化设计和测试要求，发动机的外形尺寸也不能过大，所以实际上发动机的选择范围也就比较有限了。
目前，中国现有的技术成熟的12～13吨级涡扇发动机只有运-20（第一批次后期型号）以及轰-6K（2020年后生产的新批次）上的涡扇18发动机。作为俄罗斯D-30KP2的国产仿制型，涡扇18虽然在总体结构方面变化不大，但也通过优化风扇设计、提高进气燃烧效率、使用新型高温合金叶片等措施，提升了技术性能。
俄罗斯研制的D-30KP2涡扇发动机
虽然从技术水平和设计先进性方面来看，涡扇18与现代高性能大涵道比涡扇发动机仍有着明显差距，但总体上并不会影响到正常的作战使用。特别是目前中国空军装备俄制D-30KP2发动机的轰-6K及运-20的数量较多，而这些飞机普遍拥有15000～25000小时的飞行寿命（或不少于30年的服役时间）。这也就意味着在整个机群退役之前，至少要进行2～3次发动机更换，涡扇18显然是俄制发动机的完美替代者，未来20年这个局面都不会有什么大的改变。
因此，轰-6K大改如果能继续使用涡扇18（或其改进型），在推力、可靠性方面都不会有什么大的问题，性能完全可以满足研制需要。虽然在油耗方面总体上仍然较现代大涵道比涡扇发动机高，但通过大幅增加机内燃油量（达到80～90吨约为目前轰-6K燃油量的2.5倍）也可以保证最大航程达到13000千以上。考虑到这个型号发动机还很长的一段服役时间，未来也可进一步通过新技术，着重在降低耗方面继续挖掘潜力，这对于增轰-6K大改的航程还是非常有意的。
目前涡扇18的推力已经可以到13吨左右，4发的总推力达到5吨。如果轰-6K大改的最大起飞量达到190吨，则飞机的推重比可达到0.27，这已经超过了美苏第一高亚声速战略轰炸机所要求的飞推重比不低于0.25的水平，也达到后期改进型号的水平（如B-52H图-95MS）。而在实现必要飞行性能和机动性的情况下，更大的起重量也为拥有更大武器载荷以及来改进升级奠定了基础。