殊途同归

2016-11-02 16:15温杰
航空世界 2016年7期
关键词:战斗机机身研制

温杰

从最初酝酿启动“地平线”计划到如今成功完成“神经元”计划,欧洲6国借助于独立探索积累的丰富经验,充分发挥各自的技术优势,在十年时间里集思广益,历经了方案评估、精心设计和分工合作的发展过程,将一个纸上的隐身飞翼概念打造成一个真实的技术验证平台。

2015年底,法国防务采购局(DGA)首次对外表示,“神经元”(Neuron)验证机在试飞期间的各项性能远远超出了预期,因此有必要在此基础上进一步推进相关的研究工作。作为欧洲6国共同研制的一个无人驾驶技术验证平台,“神经元”验证机在成功首飞后,历时近四年,圆满完成了各项验证试飞,标志着以法国为主的欧洲6国携手跻身于“隐身无人机俱乐部”,为今后打造具有纯正欧洲血统的未来空战系统(FCAS)铺平了道路。

独立验证隐身技术

早在20世纪80年代,美国先后研制和生产出F-117A、B-2和F-22隐身作战飞机,并从90年代开始着手设计联合攻击战斗机(JSF),在新一代隐身战斗机发展领域一骑绝尘。相比之下,欧洲各国在隐身飞机的设计理念和基础研究等方面已经远远落后,“鹰狮”“阵风”和“台风”战斗机之后的欧洲下一代战斗机何去何从,成为欧洲各国航宇工业不得不思考的问题。

90年代中期,随着气动布局、飞行控制和电子设备等技术的不断成熟,美国又率先开始探索无人驾驶作战飞机(UCAV)的概念,随后重点研究和发展了一些核心技术。在这样一种需求和压力下,法国达索飞机公司从90年代中期开始潜心探索隐身技术,迈出了奋起直追的脚步,并使法国成为了欧洲第一个研究与发展UCAV技术的国家。

当时,英国BAE系统公司与法国达索飞机公司针对本国空军的战略发展需求,曾经签订了一项合作协议,希望共同研制下一代欧洲战斗机,以免错失良机。然而,英国国防部根据参与JSF计划时制定的有关合作要求,严格禁止本国涉及到低可探测性技术的各家公司与任何一家欧洲航宇公司合作发展隐身技术。

面对英国国防部在隐身技术方面的严格禁令,达索飞机公司开始独立研究下一代欧洲战斗机所需关键技术,特别将隐身技术作为重中之重。为此,该公司集中了200多名工程师和研究人员,主要通过计算机仿真和风洞试验,对至关重要的低可探测性技术进行攻关。根据项目发展需要,达索飞机公司先后改进和购置了大量研制设备,专门兴建了样机试验设施。接着,达索飞机公司自行投资启动了一项UCAV发展计划(法文缩写为LOGIDUC),旨在增强无人机设计能力,掌握相关的核心技术。按照计划,研制人员开始研制不同缩比尺寸的验证机,以获得必要的技术验证数据。

首先问世的是名为“小猫头鹰”(法文名称Petit Duc)的AVE-D验证机。这是一种缩比尺寸的隐身无人机,主要用于试飞验证隐身和自主飞行等技术,其中D代表了“辨别、判断”,主要强调避免被雷达探测和识别的低可探测性技术。该机由达索飞机公司与航空设计公司联手研制,并于2000年7月18日实现了首次飞行,从而成为了在欧洲上空飞行的第一种隐身无人机。

然而,达索飞机公司对于隐身技术研究一直三缄其口,外界对其工作进展几乎无从知晓。直到当年10月3日,达索飞机公司才首次对外公开了这一验证项目,强调在欧洲率先研制出具有低可探测性特征的无人驾驶验证平台,充分表明了其在隐身无人机的设计理念和基础研究等方面取得了显著进展。

率先突破核心技术

作为一种用于隐身技术和作战概念的试验平台,AVE-D验证机采用了翼身融合布局,机身平面呈剑头状,下表面平整光滑,机身后部安装有外倾式双垂尾。整个机翼平面成菱形,垂尾明显外倾,每侧机翼后缘装有3块襟副翼,进气道设计在前机身上部。它采用了可以收放的起落架,可以通过人工操纵,在常规跑道上起飞和着陆。该机装有卫星导航系统,具有自主飞行能力,也可以在有

人驾驶飞机和地面人员的遥控下飞行。在紧急情况下,AVE-D验证机可以通过降落伞回收。

AVE-D验证机的机长2.0米,翼展2.4米。由于采用了先进的复合材料制造,它的空重只有35千克,加满燃油后的最大起飞重量为60千克。在首飞期间,该机的飞行速度达到250千米/时,航程为150千米。

AVE-D验证机是达索飞机公司的第一个无人机项目,也是欧洲的第一种隐身无人机。一系列测试表明,AVE-D验证机具有全方向的低可探测性能,雷达反射截面积只相当于一只麻雀的大小,证明达索飞机公司已经掌握了隐身技术。之后,该公司开始考虑从不同方向发展全新的空战平台,其中一种方案是UCAV,尺寸约为“阵风”战斗机的80%,另一种是有人驾驶的隐身战斗机,将与“阵风”混合编队,在复杂的电磁环境中作战。

达索飞机公司希望利用AVE-D验证机获得数据,提交给法国DGA,以便寻求到军方投资,进一步研制其各种无人机概念。为此,达索飞机公司制订了一个内容广泛的无人机验证计划,如“角枭”(法文名称Moyen Due)战术无人机和“欧洲巨雕”(法文名称Grande Due)长航时无人机。其中,优先考虑发展UCAV的一些关键技术,涉及到低可探测性布局、飞行控制、武器发射和空域管理等方面。

在LOGIDUC计划的第二阶段,达索飞机公司为了进一步增强AVE-D验证机的隐身性能,开始考虑取消它的双垂尾,采用飞翼式气动布局。然而,达索飞机公司几乎从未涉足过飞翼布局的设计工作,在飞翼式无人机飞行控制系统设计中缺乏必要的技术储备,更谈不上足够的经验。为此,研制团队专门制造了一架AVE-C验证机,其中C代表了“控制”,旨在不断发展和成熟有关飞控系统的各项技术。2003年6月12日,AVE-C验证机完成首飞。

在LOGIDUC计划的第三阶段,研制人员重新设计了AVE-D验证机的气动翼面。该机更换了机翼的外翼段,采用了翼展更大的梯形机翼,同时在外翼后缘设计了副翼和一些辅助控制面,以提高操纵控制性能。出于稳妥考虑,该机仍然保留了倾斜双垂尾的设计,但并未采用方向舵,表明横向稳定性能已经接近飞翼式无人机的要求。2008年6月30日,AVE-D验证机在法国图勒附近完成了首次全自主验证飞行,标志着达索飞机公司在无人机自主飞行技术领域迈出了至关重要的一步,极大地推动了“神经元”验证机自主飞行技术的顺利发展。

积极倡导合作计划

AVE-D验证机的突然曝光,可谓是一石二鸟。达索飞机公司率先打破了美、英的技术封锁,掌握了未来战斗机最为关键的隐身技术,令其竞争对手大吃一惊。同时,达索飞机公司凸显出作为欧洲航宇工业主导的技术实力和主观愿望,为进一步联合发展新型空战平台奠定了基础。此后,达索飞机公司开始积极关注未来战斗机的发展途径,强烈呼吁欧洲主要军用飞机承包商共同研制欧洲的新一代战斗机,并提出和参与了多项研究计划。

2001年6月,欧洲各国在第44届巴黎航展上开始酝酿共同研制欧洲新一代战斗机的有关计划,希望尽可能地寻找到一种合适的合作模式。此后不久,法国、德国、英国、意大利、西班牙和瑞典等6国先后启动了“未来欧洲空战系统”(SCAFE)计划,全面研究了欧洲在2020年以后的未来空战系统,重点关注未来应该优先发展的关键技术,并确定了各种空战平台的类型,其中UCAV位列其中。

在此基础上,6个国家的国防部长在2002年11月19日签署了一项“欧洲技术采办计划”(ETAP)谅解备忘录,宣布将联合发展2020年各国所需的未来空战系统及关键技术。该计划实际上是一份技术菜单,各家公司可以根据自身的特长选择相关的技术研究项目,同时了解其他公司的技术研究内容和进展情况。对此,法国建议将无人战斗机作为ETAP的发展核心,但英国国防部此时已经在秘密发展UCAV关键技术,对此表示出强烈反对,雄心勃勃的ETAP名存实亡。

面对难以弥合的分歧,法国人再次显示出当年独自研发“阵风”战斗机的决心和魄力。2003年6月,法国国防部长米切尔·阿里奥·玛丽在巴黎航展上宣布,为了保持法国在防务领域研究的领先地位,适应未来欧洲防务的需要,法国决定研制一种UCAV验证平台。不久,法国国防部正式宣布了“地平线”计划,着手设计和研制一种技术验证机,并乐观地将首飞时间定在了2008年。

法国实施这项计划的目的,是掌握未来研制下一代战斗机所需的尖端技术,为2020年以后欧洲研制新型有人驾驶战斗机或UCAV做好技术储备。为此,法国政府将按照新型的国家与企业合作关系来组织实施这个项目。整个计划由DGA管理,达索飞机公司作为主承包商牵头实施,泰利斯公司为主要的子承包商参与合作。当时初步估计,这项验证计划需要投资3.4亿美元。

然而,发展UCAV需要花费相当长的研制时间,必须投入相当大的财力才能完成设计和试制过程,而且减小雷达和红外信号特征必须采用各种新技术,这在一定程度上又增加了研制时间和成本。面对巨额投资可能存在的风险,DGA经过审慎评估,认为仅凭一国之力难以如期打造出新一代空战平台。

于是,法国决定积极吸引各国参与合作,尝试充分利用各国有限的国防投入,在UCAV领域发展欧洲的自主技术,并确定主要的作战需求,开拓出一条切实可行的发展途径。这一决定得到了大多数欧洲国家的响应,在不到两年时间里,先后有瑞典、希腊、意大利、西班牙和瑞士等国的航宇公司表示出参与研制UCAV的意愿。其中,瑞典的萨伯公司通过潜心探索UCAV相关技术,在后来的“神经元”计划中扮演了十分重要的角色。

潜心研究自主飞行

作为一个有着70多年历史的世界级知名企业,萨伯公司长期以来一直从事着固定翼飞机的研制和生产,以“鹰狮”为代表的各型作战飞机闻名遐迩,享誉世界。随着UCAV蓬勃兴起,萨伯公司在90年代末期开始从事无人机关键技术的验证和发展工作,先后通过“瑞典尖端研究布局”(SHARC)项目和“创新的低可探测性无人驾驶飞行平台”(FILUR)计划陆续掌握了无人机自主飞行和隐身设计的核心技术。

早在20世纪90年代后期,萨伯公司的“未来项目和技术”部门开始涉足UCAV技术领域的研究。1998年,萨伯公司在“国家航空研究计划”(NFFP)框架内着手无人机的研制工作,目的是在低成本前提下,研究UCAV完成攻击任务所需的隐身构型。当年4月~7月,萨伯公司在方案设计阶段先后提出了9种不同的气动布局,分别代表了不同的结构理念。

此后,经过近一年的不断优化和筛选,萨伯公司最终选择了一种机翼、平尾和双垂尾的常规布局,并直接将其用于SHARC验证机。1999年3月,SHARC风洞模型开始在瑞典航空研究院的低速风洞中进行了一系列吹风试验,同时还实施了内部武器舱挂装各型武器的测试。2000年9月,这个项目在T1500风洞内进行了试验,目的是确定飞行包线的范围。次年,萨伯公司正式开始研制一种缩比验证机。

SHARC验证机体现了较为保守的布局设计。它采用了类似冲浪板的机身,具有良好的升力效应,小后掠角机翼和全翼展襟副翼确保了良好的气动性能,同时采用了全动式水平尾翼和外倾式双垂尾,垂尾后缘有全展长方向舵。动力装置采用了荷兰AMT公司的“奥林匹斯”发动机,推力0.2千牛,安装在机体后部。SHARC验证机的起飞重量50千克,机长2.5米,翼展长2.1米,舱内容积较大,可装载大量传感器设备,也可配备武器系统,因此既可用于侦察和监视,也可作为UCAV。

2002年2月11日,SHARC验证机秘密进行了首次飞行。萨伯公司根据试验需要,先后制造了4架布局结构基本相同的SHARC验证机,分别编号为BS001、BS002和BT001、BT002。研制人员在这些验证机内安装了新的航空电子设备,使其能够预编程自主飞行,在网络中心传感器使用中扮演主要角色。2003年初在瑞典北部上空进行的一次能力演示中,一架SHARC验证机在飞行中获得视频图像,通过压缩和加密,经下行链路,从2000千米高空下传到林彻平,在地面站内几乎可以看到实时图像。

2004年8月25日,萨伯公司在维德塞尔试验基地首次实施了SHARC验证机的完全自主飞行试验。在没有飞行员协助的情况下,SHARC验证机完全按照预定程序进行了起飞,并利用无线电高度表和差分全球定位系统,成功地完成了自主飞行和准确着陆。这一重要里程碑的意义在于,明显降低了UCAV研制风险,可以在黄昏和黑暗中实现着陆,为战术使用奠定了基础。由此,萨伯公司也成为能够实施无人机完全自主飞行的少数几家公司之一。

秘密试飞缩比模型

与此同时,萨伯公司与瑞典防务装备管理局(FMV)经过充分论证之后,在2000年底发起了FILUR计划,主要目标是验证低可探测性技术在战斗机上的重要作用,为未来航空系统和空中监视系统的隐身需求积累研究经验。

2001年,萨伯公司制定了项目的设计要求,重点研究雷达和红外型号的低可探测性技术,并率先开始了飞行控制系统的研究。在2002年期间,研制项目组的规模进一步扩大,FMV和沃尔沃航空公司先后参与其中,实施了一项可行性研究,提出了一种隐身飞行器概念。到2005年初,这个项目进入了第四阶段,开始评估FILUR验证机的航空电子设备和控制系统。

与SHARC验证机的设计完全不同,FILUR验证机在总体布局上更加强调外形隐身,并采用了吸波结构材料,以便可以在战术使用的各个阶段,保持一种非常低的雷达反射截面积。该验证机最初设想采用类似B-2轰炸机的飞翼布局,但由于在飞行控制方面缺少丰富的经验和有效的技术,最终还是在飞翼上加装了垂尾。这架验证机的翼展2.5米,机长2.2米,最大重量约55千克,最大飞行速度超过250千米/时。

FILUR验证机采用翼身融合体设计,具有大后掠前缘,机身和机翼的后缘呈W形,分别对应平行于前缘。较长的机翼延伸段,可以有效地提供升力,有利于实现更大的续航能力。机翼后缘分别设计了襟翼和副翼,并在相邻的机身后部设计有机身襟翼。两个面积不大的垂尾安装在机身尾部的悬臂结构上,内倾遮蔽着尾喷口。

这架验证机采用上方埋入式进气道。粗略看来,机身前部正上方的进气口形类似于菱形,然而,仔细分辨可以看出,真正的进气口截面为三角形。原因在于,进气口前部大面积采用了新型吸波材料,造成了视觉上的差异。此外,该机还设计有一个内部武器舱。

从结构设计上看,该验证机的机身上部为一块复合材料制造的整体蒙皮结构,直接固定在机身上。值得注意的是,进气口前部区域有两根金属支架,目的似乎是支撑上部蒙皮,这也反映出验证机的因陋就简,尽管会影响进入发动机的空气流动。

FILUR验证机的研制工作一直在高度保密的状态下进行,于2005年10月10日在维德塞尔试验基地首飞成功。随后,萨伯公司继续从事FILUR验证机的一系列试飞工作,从中积累了丰富的研制经验,其后用于“神经元”验证机的设计中。

阿莱尼亚不甘落伍

作为亚平宁半岛航空工业领域的旗手,芬梅卡尼卡集团旗下的阿莱尼亚公司在世界无人机领域迅猛发展的大潮中并未袖手旁观,而是通过潜心研究一些关键技术,陆续研制和发展出具有一流水准的无人驾驶验证机,逐步在UCAV领域占有一席之地。从悄无声息地将Sky-X验证机送上了天空,成为欧洲第一种超过1吨的无人机,到当仁不让地完成Sky-Y验证机持续8小时的试飞,成为目前续航时间最长的欧洲无人机,直至在欧洲6国的“神经元”计划中扮演重要角色,阿莱尼亚公司始终站在欧洲无人机研制与发展领域的最前沿。

在当时情况下,欧洲的航空工业并未像美国一样具有先行发展验证机的传统,而且欧洲的研究与发展项目通常涉及多种因素,一般需要花费10年甚至更多的时间才能有所进展。因此,阿莱尼亚公司尝试采用一种快速设计和研制的方式来生产原型,不只是制造一种新产品,而且还在摸索一种更加高效的快速原型制造技术,并希望能够对未来的研制计划产生广泛影响。

借助于快速原型制造技术,阿莱尼亚公司在短短的20个月时间内就完成了Sky-X验证机的先期研制工作和飞行试验准备。与早期模型相比,Sky-X验证机在机身形状、机翼位置和发动机舱等设计方面出现了明显变化,进一步提高了隐身能力。它采用了后掠翼,机身两侧可以设计为平面外形,发动机舱安装于机身上方,最大限度地减小了雷达反射截面积。大面积的V形双垂尾有意遮挡住发动机尾喷口,大大减少了红外辐射,全长方向舵兼具控制俯仰操纵的作用。

Sky-X验证机采用模块化设计,机翼和垂尾可以方便地拆卸和更换。目前,该机的机翼采用后掠翼设计,具备较好的短距起降性能,目的是满足从意大利撒丁岛萨尔托·第奎拉军用靶场的有限长度跑道上起飞的要求。根据不同的任务需求,该机可以改装为三角翼布局,优化发展出不同用途的系列型号,从而大大节省研制费用。

2005年5月29日,Sky-X验证机在瑞典的维德塞尔空军基地实现了首次飞行。随着Sky-X项目的稳步进展,阿莱尼亚公司在UCAV关键技术方面掌握了越来越丰富的经验,并在2007年初开始论证一种无尾三角翼UCAV的可行性。从公布的设计方案来看,这种UCAV的基本设计方案以Sky-X验证机为基础,主要不同之处是取消了双垂尾、机身更加扁平、发动机舱安装在后机身内,目的是进一步减小雷达反射截面积。该公司希望借此突破低可探测性和飞控系统的瓶颈,以便在时机成熟之际启动一项全尺寸UCAV研制计划。

这些独立研制和探索工作为阿莱尼亚公司参加欧洲6国合作研制“神经元”计划奠定了基础。2003年6月,当法国国防部在巴黎航展上正式宣布了“地平线”计划后,意大利很快对联合研制UCAV技术验证机产生了浓厚兴趣,并就有关事宜进行了初步协商。 (未完待续)

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