“飞行汽车”

2016-11-29 13:04:17 航空世界 2016年10期

田雨波+刘劲华+李丽

美军历来重视无人驾驶飞行器研发和运用,先后推出十余种军用无人机投入战场前沿部署,成为世界公认的无人系统大国。同时,美军对于新型无人驾驶飞行器的研发探索也从未停止,“飞行汽车”就是要把直升机的空运作战能力与战术车辆的全地形能力结合起来,以全新的垂直起降能力适应复杂战场环境的超前尝试。

“黑骑士”开启飞行汽车研发之旅

美军的“飞行汽车”计划最初起源于“飞行悍马”(Flying Humvees)项目,美国国防部高级研究计划署(DARPA)投资高达5000万美元,第一阶段研发目的是能够搭载454千克负载、航程480千米的垂直起降飞行器,制造相对简单,能够嵌入模块化载荷,让战场上的“黄金1小时”变得更加容易把握。项目以加利福尼亚州埃尔塞贡多先进战术公司为主研发,美国陆军、海军陆战队特种武器中心、波士顿动力公司、军事技术公司等单位都有参与。

“飞行汽车”项目虽然要研发世界上第一种有公路机动能力的垂直起降(VTOL)飞行器,但是最初设计的思路只是在战术车辆上加装旋翼系统,研发团队推出了“AT黑骑士变形者”方案,但是样子多多少少还是能看出“黑鹰”直升机的影子。“黑骑士”全长9.45米,宽5.79米,高2.44米,机身位置的机舱长7.62米,高1.21米,机翼向机身方向折叠之后宽1.37米,乘员和物资装备从后舱门出入,类似于现在的MV-22“鱼鹰”的操作方式。

“黑骑士”全比例验证机计划采用柴油涡轮增压发动机,能够以241千米的飞行时速将453千克的物资或5名士兵运送到463千米之外的目的地,在公路上行驶时最大速度达到110千米/时,最大载重量726千克,能够搭载8名士兵。尽管埃尔塞贡多公司推出了原型机,也完成一次训练飞行测试,但是上述这些理论上的数字很多都没有来得及实现,项目预算随后遭到削减,项目转入第二阶段,项目名称也发生了变化,以便用全新的设计更好地满足美军的特种作战需求。

“变形者”推出全新飞行汽车概念

2009年,美国国防部高级研究计划署将项目第二阶段名称改为“变形者”(TX),意图发展验证一种全新的原型机系统,提供灵活的全地形后勤能力,在前线和基地之间运载物资和人员,同时执行战术支援任务。“变形者”的设计方案是基于2 个固定水平翼加2个主旋翼的机身结构,飞行状态时由主旋翼提供动力,地面行驶时水平翼能够向后折叠,主旋翼转轴向前、桨叶向后折翼,以4X4轮式车辆的方式机动。燃油加注在水平翼的自密封油箱里,使易爆的油料远离机组人员,能够在飞行器被袭击时提高士兵生存机率。

“变形者”的结构设计更加紧凑,机身整体尺寸比上一代成果“黑骑士”要小,主旋翼采用新型低速旋翼/复合式(SR/C)结构,使用高惰性材料,保证了垂直起降所需要动力,在发动机故障的情况下也能安全着陆。轴毂采用万向节(云台式)设计,能够在低速飞行时控制旋翼的倾斜角度,在巡航时再倾斜到推进效率最大的角度。

在飞控设计方面,“变形者”的尾部装有2个探测器,分别探测飞行器在(X、Y轴平面的)水平旋转(Raw)和机头俯仰角度的方向旋转(Pitch),固定水平翼翼尖安装有监测(以机身纵线为轴的)滚转角度(Roll),用于在低速和高速时的飞行控制。尾部的涵道推进器用来巡航飞行,全动稳定尾翼也用来提升巡航时的飞行控制。“变形者”还安装了全自动一体化飞行控制系统(FCS),能够由地面控制人员遥控操作。

机身采用高强度的汽车底盘,机身前部安装一部涡轮轴发动机,用于向巡航飞行提供动力。另外配备有Terrafugia公司的辅助动力系统,在地面机动时采用四轮驱动模式,能够保证在复杂地形条件下作战时进行长途全地形机动,行驶起来也拥有良好的静音性能。发动机舱外壳的缓冲区安装有Terrafugia公司研发的符合国家公路交通安全管理局(NHTSA)标准的坠毁保护系统,进一步提升了飞行器的安全性能。机身外侧安装有贝尔公司与特斯朗公司联合研发的轻型复合装甲,驾驶舱使用防弹挡风玻璃,提升飞行器的自身防护能力。

“战神”项目高度契合美军作战需求

尽管“变形者”(TX)的研发概念超前,项目进展也比较顺利,但在2013年被“战神”项目所取代。洛克希德·马丁公司臭鼬工厂与皮亚塞基飞机公司(Piasecki Aircraft)组建了一支研制团队,赢得了价值2030万美元的“变形者”项目第三阶段研发合同,根据美军计划,这将是该项目的最后一个阶段,并将项目重新定名为“嵌入式变形航空系统”(ARES)项目。ARES英文缩略语的词义恰好是罗马神话中的“战神”,因此该项目通常被称作“战神”,但是仍然强调项目前身“变形”这个主题。

2014年2月,美国国防部高级研究计划署首次对外披露了“战神”项目。“战神”项目团队由臭鼬工厂领导,研发目标与“变形者”有很好的延续性:为前线部队量身定制一种具有垂直起降(VTOL)能力的飞行器,能够运送一系列的载荷,应对非对称作战对手伏击战术和“简易爆炸装置”(IED)的威胁。“战神”项目来自于美军实现的作战需求,比如,美军的前沿哨位每周需要4.5吨的物资保障,高海拔的崎岖山路又不便于战术运输车辆通行,在直升机运输这个解决方案之外,“战神”的出现将极大丰富美军的补给方式,同时为前线指挥官提供战术渗透、营救和伤员转运能力。

国防部高级研究计划署项目主管阿西什·巴盖表示,目前美军的很多任务都需要专用的垂直起降装备,但是绝大多数地面部队没有自己的直升机,“战神”项目将为部队提供一种多用途的垂直起降工具,保证更多的小分队能够在战场上拥有这种能力。因此项目办公室的目标就是提供灵活、全地形的运输能力,避开地面威胁,快速实施作战支援,提升作战效费比和作战任务成功率。

“战神”项目采用嵌入式的模块化设计,研发的核心是设计垂直起降飞行模块,首先具备无人机的作战能力,能够运载一系列的有效载荷。飞行模块必须拥有自己的动力、加油、数字化飞行控制和遥控指挥控制界面系统,采用倾转涵道风扇技术和紧凑型结构设计,保证飞行器具有可靠的盘旋和着陆性能,能够快速转换成高速巡航模式,像小型飞机那样高速飞行。由于“战神”需要的着陆区面积只有相同尺寸直升机的一半大小,能够在崎岖地形和舰艇甲板上降落,所以具有很强的通用性。

美军设想,飞行模块能够在基地与战场前线之间往返,搭载一些不同的特遣任务模块,而且每一种设计都有特定的用途,比如货物装卸和运送、战场伤员搜救、机载情报监视侦察(ISR)、武装侦察、火力打击任务,等等。美军部(分)队通过手中的移动战术终端手机或遥控器就能够控制飞行模块,“战神”首先设计成一种无人系统,未来嵌入半自治式飞行系统和接口界面,实现有人/遥控复合式飞行控制,根据任务需求选择适当的飞行模式。

先进技术支持“战神”项目研发

臭鼬工厂在研发垂直起降航空系统方面有比较丰富的经验,负责“战神”项目的飞行器设计和系统整合工作。2014年3月就推出了一款“战神”缩比验证模型。这种新式飞行器按模块化渐进式思路发展,主要验证目标是开发垂直起降功能,也就是先让“战神”飞起来,后续再添加其他任务模块,成为一种与众不同的多用途无人驾驶飞行器。

从臭鼬工厂公开的“ARES”概念图来看,这种飞行器设计了一对可倾转的涵道风扇,固定在中心体两侧,再往外侧是一种类似机翼的翼板,停放状态下呈垂直状态,巡航飞行时倾转成水平状态。中心体采用了类似飞翼的构型,不仅具有良好的气动性能,内部空间还设置了主要的飞行系统:包括动力装置、遥控指挥控制系统、航电系统和燃料舱。中心体内部装有2台涡轮轴发动机,通过一个组合式齿轮箱和交叉轴来驱动两个风扇。每个风扇采用5个恒速、可变距桨叶,与涵道排气口外安装的可调导流板共同实现较为复杂的飞行控制。

中心体的上表面设计了一个狭缝式吹气口,并将后半段设计为一种可偏转控制面,借助于来自动力装置的高压空气,可以产生良好的增升效应,为飞行器提供持续稳定的俯仰配平。同时,外翼板与风扇同步倾转,在不同飞行状态下可分别起到稳定姿态和增加升力的作用,在停放状态下可以紧贴着涵道折叠起来,以便减小系统的占用空间。另外,这种涵道式设计也有利于保护飞行器和人员安全。

臭鼬工厂最初的设计方案只是在主体飞行结构下方安装了类似直升机的起落架(也可称为滑橇),首先实现“战神”的飞行功能。起落架由2个U形梁组成,开口向下,以便在中心体下方安装载荷模块。目前,研发团队在涵道风扇式飞行器的中心体下方安装了一个方形的吊舱,形状与直升机的机舱相似,从外形上还看不出汽车的样子。但是,由于团队的设计思路大胆突破DARPA的思维定式,将飞行系统与车辆系统一分为二,使用的分离式任务模块能够自主地安装、更换和使用,因此未来可以挂载很多种模块,变身成飞行汽车并不是问题。

模块化设计具备多任务能力

由于“战神”项目的最初目标是建造“飞行汽车”,因此臭鼬工厂研发团队在飞行框架完成后的任务重点就是研发战术车辆类的分离式任务模块。目前的研究方案是将战术车辆悬挂在中心体下方的空间内,考虑到美军要求“战神”能够在公路上起降,因此在“飞行汽车”的地面行驶模块设计中,臭鼬工厂研发团队充分考虑到了道路宽度的限制,将飞行模块设计成能够收起在车辆模块顶部的结构。因此,飞行模块的尺寸限制在长9.14米、宽2.59米之内,涵道直径为2.59米,内部的风扇直径为2.28米,以满足全地形行驶的项目要求。为提高“战神”原型机项目研发效率,DARPA放宽了原有在单行道上行驶的苛刻要求,以利于研发团队适时放大缩比飞行模块的尺寸,初步计划是将涵道直径增加到3.05米。

模块化是“战神”项目的最大亮点,项目名称里的“可重组”和“嵌入式”设计理念在研发中也体现得非常充分,使这种未来无人飞行器具备多种潜在的任务能力,良好的模块互换性也使军事任务更具灵活性。根据洛克希德·马丁公司官方网站的介绍,“战神”的任务模块相对简单,其总体构型基本类似于小型集装箱,外表面设计成流线型以减小气动阻力,内部结构则根据不同任务要求相应设计,未来可以挂载武装侦察、火力打击、货物吊舱、人员输送、医疗救援和战场后送等任务载荷模块,装备“战神”的部(分队)可以在作战前线和后方基地之间往返飞行,利用一个通用悬挂系统即可交付和带回几种不同类型的独立任务模块。另外,“战神”挂载小型武器系统和侦察载荷舱,也能够执行舰载火力打击、反潜、扫雷和情报监视侦察任务。

“战神”以类似无人机的方式飞行,悬挂当前设计的载荷舱时,速度比常规直升机要快,最大飞行速度可达360千米/小时左右,飞行方式类似MV-22“鱼鹰”倾转旋翼机。根据目前的设计要求,飞行模块的可用载荷能力已经达到1360千克,超过自身最大起飞重量的40%,称得上是一种高效、可靠的飞行系统。在未来战场上,作战型“战神”最大起飞重量将达到3145千克,通过自主导航系统飞行到预定作战地域,同时自动规避飞行途中或着陆区域的各种障碍,实现全自治式的军事能力投送作战。

结语

作为一种新概念的武器系统,“战神”适应了未来军用航空系统多用途、全地形的发展趋势,体现了美军武器装备研发的前瞻性思维。美国国防部计划在2016年接受安装货舱模块的“战神”,未来达到项目全部战术要求之后,必将极大地提升美军在士兵突击、后勤保障和情报侦察等方面的能力。目前,臭鼬工厂研发团队要做的就是,进一步优化细节设计,提高技术成熟度,增强系统可靠性和可采购性,相信在不远的将来就能达成项目设计目标。