屡创纪录

2016-07-14 16:05:28 航空世界 2016年5期

温杰

2014年12月5日至8日,“猎户座”(Orion)无人驾驶技术验证机在第18次试飞中,持续飞行了3个昼夜,续航时间超过了80小时,打破了诺格公司的RQ-4A“全球鹰”在2001年创造的30.5小时的官方纪录。2015年7月15日,国际航空联合会正式宣布,“猎户座”无人机以80小时2分52秒的续航时间,创造了最长持续飞行时间的新纪录。

2016年3月3日,美国航空周刊集团举办的第59届“月桂奖”在美国国家建筑博物馆隆重举行,在航空领域取得突出成就的团队和个人分别获得了商用航空、防务、空间、创新、技术、公务航空等奖项。其中,极光飞行科学公司(简称极光公司)凭借着“猎户座”中空长航时无人机创纪录的超长续航飞行时间,从候选团队中脱颖而出,荣膺本年度的“创新”奖。

研制发展过程

21世纪初,美国国防部与国土安全部等多家机构联合发起了一项“联合能力技术验证”(JCTD)计划,验证一种能够在19800米高空持续飞行5天以上的无人驾驶飞行器,考虑将其作为一种准卫星,为分散在阿富汗山区内的作战部队转发通信信号。正是在这样一种作战需求的牵引下,极光公司、航空环境公司、波音公司和诺格公司纷纷立足自身技术优势,开始发展一些关键技术。

2004年,极光公司在弗吉尼亚州马纳萨斯总部所在地的超高空试验设施上开始测试氢燃料发动机,并在此基础上着手研制“猎户座”验证机,主要任务是作为先进氢燃料推进系统的试验台。研制过程中,极光公司发现,氢燃料用于高空长航时飞行仍然需要突破一些关键技术,投入实用仍然尚需时日。

2007年,美国空军研究实验室(AFRL)在2007年发起了一项“超长续航”(Ultra Long Endurance)研究计划,旨在评估用可担负得起的固定翼无人机替代监视飞艇的可行性,然后开始研究探索如何突破“捕食者”和“全球鹰”续航时间限制的相关技术。这项计划的目标是验证一种无人驾驶平台在携带454千克情报、监视与侦察(ISR)载荷的情况下,可以在6100米高度持续飞行5天(120小时),或者在携带226千克有效载荷的情况下,可以在4572米高度持续飞行155小时。

针对中空极限续航力的挑战,极光公司从技术方面对常规机体和推进系统的长航时飞行进行了风险权衡,决定放弃此前采用昂贵的液态氢换取极限续航力的思路,而是采用标准的军用航空燃油作为能源,在日渐缩小的有人和无人机市场空隙中,争得了一席之地。2008年,极光公司向AFRL提交了一种“猎户座”中空长航时方案,最显著变化是动力装置采用高性能活塞式发动机。

2010年9月,AFRL最终选择了“猎户座”验证机作为其“中空全球ISR与通信”(MAGIC)联合能力技术验证(JCTD)计划第一阶段的验证平台,开始为期3年的设计、制造和测试过程。同年11月22日,极光公司在密西西比州首次展示了“猎户座”无人驾驶验证机。由于资金未能及时到位,这项计划的研制进度有所推迟。

在美国国防部管辖范围内,“猎户座”计划的隶属关系曾经几经易手。该公司在完成了MAGIC JCTD的早期阶段后,移交给一个新的计划办公室,但是依旧保留着最初设定的目标。极光公司拒绝透露目前的客户,但有分析认为它是美国空军的“大游猎”(Big Safari)计划办公室,负责管理采购和改进特种任务平台。

总体设计特点

从外观看,“猎户座”无人机采用了盒状主机身,全部由复合材料制造,全长17.37米,高度为6.40米。机身内部除了设置有多个燃料箱外,还从前至后布置了前载荷舱、前起落架舱、航空电子设备舱、后载荷舱,其中包括一个整体油箱。

该机采用了可收放的前起落架和不可收放的主起落架,前者可以避免遮挡机头下的传感器转塔,后者在机轮上加装了整流罩来减小阻力。机身后部采用了尾撑,在末端保留了此前高空长航时无人机的水平尾翼和垂直尾翼,分别设有俯仰操纵面和方向舵。

“猎户座”采用了大展弦比的单片式机翼,翼展达到40.23米,略低于“鬼怪眼”验证机的机翼,二者都是由该公司的产品发展中心设计和制造。机翼的翼梁和蒙皮均由复合材料制造,而加强肋由铝合金和复合材料制成,具有结构重量轻和气动阻力低的特点,确保了在中空飞行时延长续航时间,同时还降低了生产成本。

“猎户座”的另一个特点是采用了高燃油效率的动力装置。它选用了两台Austro发动机公司生产的AE 300涡轮增压发动机,以航空煤油为燃料,具有较低的燃油消耗率和较好的中高空性能。它是一种液冷直列式4缸发动机,单台功率为123.5千瓦,通过传动比1.69的单级减速器,驱动直径4.8米的3叶螺旋桨。

AE 300发动机的缸体基于奔驰公司授权的在奔驰A级车上使用的车用柴油发动机,采用了顶置双凸轮轴(DOHC),具有更好的性能。与采用顶置单凸轮轴(SOHC)的发动机相比,这种发动机不再需要气门挺杆和摇臂,所以功率的损耗会比较小。另外,由于气门重叠角度可以变化,这种发动机的输出功率会比较大,加上气门可以油压控制,无需调节气门间隙,长时间工作后也不会因为气门间隙变化而出现动力输出递减的情况。

AE 300发动机可以在高空和较低大气压力下稳定工作:从海平面到2895米高度,它能够稳定地输出额定功率;随着飞行高度不断增加,它的输出功率呈线性下降,但在5486米高度时的功率输出依然可以达到99千瓦。因此,“猎户座”的设计升限可达9144米。

“猎户座”验证机的空重不到2350千克,最大起飞重量可达5070千克,因而在携带454千克任务载荷时,还可以携带2270千克燃料。它的最大速度为222千米/时,巡航速度为157千米/时,最大航程为24140千米。在空中保持24小时任务状态下,作战半径为6440千米。

打破飞行纪录

2013年8月24日,“猎户座”验证机进行了首次飞行,在空中持续飞行了3小时31分钟。无人机在飞行中以111千米/时的速度达到了约2500米的海拔高度。按照固定价格验证合同,极光公司需要在2014年12月19日之前满足一项验证试飞要求,即能够执行80小时的飞行。

为此,该公司根据预算安排了3次(验证80小时续航时间)试飞,在第一次尝试中,“猎户座”无人机在空中飞行了3小时后不得不返回,以便重置它的飞行终止系统。2014年12月5日,这架无人机在美国海军空战中心位于加利福尼亚州莫哈韦沙漠中的武器分部试验场实施了第二次验证试飞,成功地打破了无人机续航时间纪录,并将飞行时间累积到158小时,最大高度达到5486米。此次也是“猎户座”无人机的第18次飞行。

美国航空协会的观察人员、国际航空联合会的美方代表在现场监督了这次从12月5日至8日的飞行,并见证了“猎户座”无人机在12月8日平稳着陆。该机在试飞期间,由4名飞行器操作员轮流操纵,在海拔1370~3048米的高度飞行,携带了454千克配重来模拟计划配备的任务载荷。

据报道,“猎户座”在着陆后,机内大约还剩余770千克燃料,足以继续飞行37小时。极光公司表示,它的续航时间受到了试验场可用性的限制,从技术性能来看,该机具有持续飞行120小时的潜力。此项纪录表明,美国空军在中空长航时无人机的关键技术方面又迈出了重要一步。

根据MAGIC计划,第三阶段应该是任务载荷演示飞行和部署海外的试用飞行。按照设计,“猎户座”在携带454千克载荷的情况下可以持续飞行5天,如果配备更小的载荷,续航时间可以超过一周。与现役中空长航时无人机相比,这种无人机凭借着大幅度增强的续航能力,可以携带一个类似“捕食者”无人机的有效载荷,以更少的起飞和着陆时间提供连续监视,大大减少了人力负担和操作成本。