何肇雄，鄭震山，馬東立，周　嶠（. 中國(guó)人民解放軍978部隊(duì)，上海 0046；. 北京航空航天大學(xué)，北京 009；. 北京理工大學(xué)，北京 0008）

國(guó)外跨介質(zhì)飛行器發(fā)展歷程及啟示

何肇雄1，鄭震山1，馬東立2，周嶠3
（1. 中國(guó)人民解放軍92728部隊(duì)，上海 200436；2. 北京航空航天大學(xué)，北京 100191；3. 北京理工大學(xué)，北京 100081）

跨介質(zhì)飛行器是指既可在空中飛行，又能完成水下潛航的新概念特種飛行器?？缃橘|(zhì)飛行器集成了空中和水下2種航行器的能力，即飛機(jī)的空中飛行能力和潛艇的潛水隱身能力。本文結(jié)合國(guó)外跨介質(zhì)飛行器的發(fā)展歷程，介紹了潛水飛機(jī)、潛射無人機(jī)等新型兩棲跨介質(zhì)裝備，并分析了其對(duì)我國(guó)的啟示。

跨介質(zhì)飛行器；潛水飛機(jī)；潛射無人機(jī)

0　引　言

跨介質(zhì)飛行器是可在空中飛行和水下潛航的新概念飛行器，俗稱“會(huì)飛的潛艇”或者“能潛水的飛機(jī)”，它兼有飛行器的速度和潛航器的隱蔽性，可獲取空中、水面、水下的敵我信息，并可針對(duì)敵方防御體系弱點(diǎn)，綜合利用空中和水中的突防手段突防，具有高效突防打擊能力和多任務(wù)能力。作為單純的作戰(zhàn)武器，跨介質(zhì)飛行器具有很好的隱身性能，可以作為突防利器；作為輔助性武器，與潛艇搭配可使兩者互補(bǔ)長(zhǎng)短，大幅提高潛艇的綜合作戰(zhàn)能力。本文從最早的潛水飛機(jī) LPL 開始，介紹了跨介質(zhì)飛行器的發(fā)展，并分析其對(duì)我國(guó)的啟示。

1.跨介質(zhì)飛行器及其發(fā)展歷程

早在 20 世紀(jì) 20～30 年代就有人提出了潛水飛機(jī)或者飛行潛艇的設(shè)想，但限于技術(shù)水平，均未成功轉(zhuǎn)化為工程型號(hào)。近年來，美國(guó)正逐步實(shí)施重返亞太戰(zhàn)略，將對(duì)沿海地區(qū)爭(zhēng)奪的重要性放到了更高層次。在裝備研發(fā)方面，美國(guó)加強(qiáng)的適于近海作戰(zhàn)的裝備的投入，加快研制、服役速度，最典型的例子就是美海軍的瀕海戰(zhàn)斗艦，目前已服役 2 級(jí)共 4 艘。借此東風(fēng)，跨介質(zhì)飛行器也開始進(jìn)入全面研究階段。但最早提出該設(shè)想的是蘇聯(lián)人。

1.1蘇聯(lián)“飛行潛艇”（LPL）方案1俄文名稱為Лeтaющaяпoдвoднaялoдкa，意思是會(huì)飛的潛艇。

蘇聯(lián)在第二次世界大戰(zhàn)之前就提出了飛行潛艇計(jì)劃。1934 年，鮑里斯·烏沙可夫率先提出飛機(jī)和潛艇結(jié)合的武器裝備設(shè)計(jì)草案，蘇聯(lián)組建了以其為首的設(shè)計(jì)小組。1937 年，這一課題進(jìn)入了軍事科學(xué)委員會(huì)的相關(guān)計(jì)劃，但在反復(fù)審核后遭到打回并進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)劃完善。

1938 年 1 月，烏沙可夫設(shè)計(jì)小組經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)和修改，完成了這種飛行潛艇或是潛水飛機(jī)的方案，即LPL 項(xiàng)目。由蘇聯(lián)軍事科研委員會(huì)完成了對(duì) LPL 設(shè)計(jì)草案和主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的審定。LPL 是一種用于打擊海面上或處于雷場(chǎng)及浮柵保護(hù)下的敵方水面艦艇，或?qū)嵤┗匮策?、雷?chǎng)維護(hù)、艦隊(duì)護(hù)衛(wèi)的潛水飛機(jī)。這種潛水飛機(jī)可在預(yù)定作戰(zhàn)區(qū)域自行搜索目標(biāo)，從空中確定敵人航路后，降落并潛入到敵方艦船行進(jìn)線路上，并在目標(biāo)到達(dá)飛行潛艇攻擊點(diǎn)之前，在穩(wěn)定、不消耗多余航程能量的深度上潛伏。當(dāng)敵方艦船航線偏差在允許范圍內(nèi)時(shí)，LPL 伺機(jī)向其接近攻擊；若目標(biāo)航線偏差較大，LPL 將放棄目標(biāo)，上浮、起飛并重新搜索目標(biāo)準(zhǔn)備進(jìn)攻。蘇聯(lián)方面在設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)為，如果潛水飛機(jī)實(shí)施編組行動(dòng)，3 艘 LPL 即可成為 10 nmile 寬度上敵人不可逾越的障礙［1］。

LPL 有3臺(tái) 1 200 馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)，能以 200 km 的時(shí)速飛行，最大飛行高度 2 500 m；水下靠蓄電池驅(qū)動(dòng)螺旋槳電機(jī)航行，電機(jī)功率為 10 馬力，航速僅為 2～3 kn，活動(dòng)距離最多不過 9～10 km。LPL 的一種作戰(zhàn)方式是在白天接近敵方港口，在空中偵察，尋找有利航道，然后降落到水面。天黑后，LPL 將航行到敵港附近并潛入水下，滲透、襲擊敵港口。LPL 有 3 名乘員、2 個(gè)駕駛艙，飛行時(shí)啟用前部飛機(jī)艙和脊背上高聳的航海艙。LPL 起飛重量 15 000 kg，航程 800 km，潛深 45 m，下潛用時(shí) 1.5 min，上浮用時(shí) 1.8 min，最多可以在水下停留 48 h；機(jī)腹下可攜帶 2 枚 457 mm 潛射魚雷，另配有 2 挺自衛(wèi)機(jī)槍，戰(zhàn)斗載荷為全重的 44.5%。

LPL 結(jié)構(gòu)上分為 6 個(gè)獨(dú)立的艙段，其中前 3 艙安裝 AM-34 航空發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)配備有增壓器，第 4 艙為人員艙（中心控制室），LPL 的水下控制由 3 名機(jī)組成員在這一艙段執(zhí)行，第 5 艙安裝蓄電池，第 6 艙段安裝螺旋槳電機(jī)。機(jī)體蒙皮采用 6 mm 厚度的硬鋁鉚接形成直徑為 1.4 m 的筒形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，機(jī)翼和尾鰭設(shè)計(jì)采用鋼材，并采用油漆噴涂防止腐蝕。

LPL 的下潛包括 4 個(gè)階段：封閉發(fā)動(dòng)機(jī)艙、將水隔斷在散熱器之外、轉(zhuǎn)換為水下控制方式、成員從駕駛艙轉(zhuǎn)入中心控制室。

下潛階段，除了機(jī)組成員所在的中心控制艙和儀器儀表、蓄電池、電機(jī)所在的艙段密封部分，其他艙段在 LPL 下潛時(shí)由排水孔將海水自由注入。燃油和潤(rùn)滑油存放在位于設(shè)備中間的專用橡膠容器中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷系統(tǒng)進(jìn)出管道密封，防止在艙外水壓作用下造成損壞。

此方案確定了飛機(jī)基本參數(shù)并制定了技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，但對(duì)于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件來說進(jìn)入工程化研發(fā)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)由于二戰(zhàn)的爆發(fā)，蘇聯(lián)將精力更多地投入到技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小、見效快的項(xiàng)目中，最終由于技術(shù)和政策的雙重影響，LPL 項(xiàng)目未進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。1938 年，工農(nóng)紅軍軍事科研委員會(huì)終止了 LPL 計(jì)劃。

圖1　LPL“飛行潛艇”Fig. 1　LPL‘Flying submarine’

圖2　美國(guó)大型潛水飛機(jī)Fig. 2　American huge flying submarine

1.2美國(guó)大型潛水飛機(jī)方案

20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)為了將戰(zhàn)略核武器分散部署以提高生存力，提出一種大型潛水飛機(jī)方案，執(zhí)行戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射任務(wù)。這種潛水飛機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)。潛水飛機(jī)構(gòu)型與大型水上飛機(jī)相似，在機(jī)腹下設(shè)計(jì)有可收放的水翼，可縮短起飛距離；飛行時(shí)使用普通的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛重量 180 t，空中作戰(zhàn)半徑超過 4 000 km；潛航時(shí)使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，可在水下停留 5 天；任務(wù)載荷方面，可攜帶 2 枚“北極星”A-3 潛射戰(zhàn)略導(dǎo)彈。這個(gè)方案并不強(qiáng)調(diào)水下航行能力，在水下只有有限的機(jī)動(dòng)能力。

此方案進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，給出了技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。在動(dòng)力系統(tǒng)方面，AIP（Air-Independent Propulsion）系統(tǒng)已經(jīng)有所進(jìn)步，但仍然不成熟，不足以實(shí)現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)價(jià)值的水下待機(jī)和潛航；材料方面，可采用鈦合金甚至復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對(duì)水空 2 種環(huán)境的適應(yīng)能力，但成本高昂。該項(xiàng)目完成概念設(shè)計(jì)后，由于美軍調(diào)整了整體核戰(zhàn)略，海軍的核武器全部由戰(zhàn)略核潛艇搭載，水面艦艇不再配屬機(jī)載核武器進(jìn)行戰(zhàn)略值班，大型潛水飛機(jī)的方案隨之?dāng)R置，未進(jìn)入研制階段。雖然該項(xiàng)目未能實(shí)施，但也應(yīng)看到此時(shí)研制跨介質(zhì)飛行器的技術(shù)正逐漸走向成熟。

1.3法國(guó)“埃利烏斯”潛水飛機(jī)

2005 年，法國(guó)波爾多航空技術(shù)公司在巴黎布爾歇航空展上提出要發(fā)展一種既可在空中飛翔，也可浮在水面甚至潛入水下的無人機(jī)。2007 年，據(jù)法國(guó)巴黎媒體報(bào)道，名為“埃利烏斯”（Aelius）的無人機(jī)樣機(jī)于吉倫特省卡佐飛行測(cè)試中心接受一系列檢測(cè)并開始試飛，最早 2009 年設(shè)計(jì)定型。但此后未見報(bào)道［2］。

“埃利烏斯”集深水勘測(cè)的水下機(jī)器人和森林火災(zāi)監(jiān)控的無人機(jī)功能于一身。它能夠在水上起降，飛行時(shí)機(jī)翼展開，潛水航行時(shí)機(jī)翼折疊。該機(jī)機(jī)長(zhǎng) 2 m，翼展 4 m，重 75 kg，依靠遠(yuǎn)程遙控?！鞍＠麨跛埂毖b有 2 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，1 臺(tái)是小型航空煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，另 1 臺(tái)是水下電動(dòng)渦輪機(jī)。續(xù)航能力為空中飛行 360 km/水下航行 40 km，最大升限 5 000 m 高空，潛深 300 m。這種無人駕駛飛機(jī)將率先被應(yīng)用于海洋學(xué)研究、海洋鉆探或港口和海岸警戒。例如，在岸上或船上的技術(shù)人員的操縱下，這種無人飛機(jī)能夠航拍海面油污的照片，隨后再潛入水下檢測(cè)油層厚度。

“埃利烏斯”的設(shè)計(jì)方案內(nèi)容詳細(xì)，且隨著技術(shù)的發(fā)展，方案的可行性也越來越高。動(dòng)力能源方面，如鋰離子電池、鋰聚合物電池的工業(yè)化生產(chǎn)，為跨介質(zhì)飛行器的水下航行提供了良好能源設(shè)備，未來比能更高的鋰硫電池甚至燃料電池更能大幅提高跨介質(zhì)飛行器的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)；材料方面，復(fù)合材料技術(shù)愈發(fā)成熟，能有效解決跨介質(zhì)飛行器的輕質(zhì)耐壓殼、高比強(qiáng)機(jī)體結(jié)構(gòu)等一系列問題，將跨介質(zhì)航行的可行性向前推進(jìn)了一大步。“埃利烏斯”的縮比驗(yàn)證機(jī)正是采用復(fù)合材料制造，使用燃油與鋰電池分別供應(yīng)能源的混合動(dòng)力系統(tǒng)，較好地滿足了跨介質(zhì)航行的要求。

1.4美國(guó)特種運(yùn)輸潛水飛機(jī)

2008 年，美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）提出了一種特種部隊(duì)運(yùn)輸?shù)臐撍w機(jī)研制計(jì)劃，旨在研發(fā)一種不僅能在空中飛行，還能在水面和水下航行的潛水飛機(jī)，專門用于突擊敵方海岸的特種作戰(zhàn)行動(dòng)。這種潛水飛機(jī)融合了 3 種不同平臺(tái)的作戰(zhàn)模式，兼具三者的主要優(yōu)點(diǎn)：作戰(zhàn)飛機(jī)的速度與作戰(zhàn)范圍、作戰(zhàn)船只的巡邏能力以及潛艇的隱蔽性。

根據(jù)初步設(shè)想，潛水飛機(jī)的載重量為 910 kg，座艙內(nèi)至少可容納 8 人以及相應(yīng)的作戰(zhàn)裝備。該機(jī)能以100 nmile 的時(shí)速飛行、12 nmile 的時(shí)速潛航，續(xù)航能力為空中飛行 1 000 nmile，海上航行 200 nmile，水下潛航 24 nmile。

這種飛機(jī)要能夠連續(xù)飛行 1 852 km 后，再貼著水面飛行 185 km，并在將特種部隊(duì)秘密運(yùn)抵?jǐn)撤胶０逗?，還能在水下持續(xù)潛行至少 22 km。飛機(jī)要在 8 h 內(nèi)完成上述任務(wù)，并在部隊(duì)執(zhí)行任務(wù)期間負(fù)責(zé)搜索合適的撤離地點(diǎn)。若有二次任務(wù)需求，飛機(jī)將停留在水面上處于待命狀態(tài)，等待海上或空中的補(bǔ)給［3］。

DARPA 進(jìn)行了可行性研究和試驗(yàn)，以證明在現(xiàn)有的技術(shù)條件下制造出這種兼具常規(guī)作戰(zhàn)飛機(jī)和潛艇功能的潛水飛機(jī)可行。潛水飛機(jī)在水下航行和飛機(jī)在空中飛行的原理有幾分相似，但設(shè)計(jì)這種兩用武器面臨的挑戰(zhàn)仍然巨大，因?yàn)轱w機(jī)與潛水器的設(shè)計(jì)技術(shù)要求是截然相反——飛機(jī)需要盡量輕，以便用最少的動(dòng)力飛行，潛艇則需要堅(jiān)固的船體承受水壓；比空氣重的飛機(jī)通過機(jī)翼分離氣流得到升力，潛艇則通過吸入和排出水來改變浮力。

美國(guó)的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)根據(jù) DARPA 擬定的技術(shù)指標(biāo)提出設(shè)計(jì)方案。其中一種設(shè)計(jì)方案采用三翼面布局，V 型尾翼，水下潛航狀態(tài)時(shí)機(jī)翼折疊。機(jī)身內(nèi)設(shè)置壓載水艙，控制下潛和上浮。利用船形機(jī)身作為水面滑行體實(shí)現(xiàn)水面起降。空中飛行由航空發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳提供動(dòng)力，水下潛航采用噴水推進(jìn)，水下潛航時(shí)螺旋槳折疊。

隨著材料技術(shù)、動(dòng)力裝置的迅猛發(fā)展，美國(guó)意識(shí)到研制跨介質(zhì)飛行器的時(shí)機(jī)已經(jīng)來到；同時(shí)美軍的作戰(zhàn)重點(diǎn)也轉(zhuǎn)移到濱海地區(qū)，武器研發(fā)的政策也向跨介質(zhì)方面傾斜。故提出了由美國(guó) DARPA 牽頭，多家研究機(jī)構(gòu)參與的特種潛水飛機(jī)項(xiàng)目，力在探索突破潛水飛機(jī)的原理與關(guān)鍵技術(shù)。

1.5潛射無人機(jī)

潛射無人機(jī)是由潛艇攜帶、通過艦艇的魚雷發(fā)射管、導(dǎo)彈發(fā)射筒或其他專用裝置發(fā)射的無人機(jī)，是目前發(fā)展較為迅速的一種無人裝備。由于機(jī)體本身并不直接完成跨介質(zhì)作業(yè)，因此嚴(yán)格來說，潛射無人機(jī)并不是完全意義上的跨介質(zhì)飛行器。

20 世紀(jì) 90 年代，洛克希德·馬丁和諾斯羅普·格魯曼公司聯(lián)合研制了“海上搜索者”潛射無人機(jī)。該機(jī)采用可折疊機(jī)翼，用魚雷發(fā)射管發(fā)射。1996 年，美軍“阿什維爾”號(hào)潛艇試射“海上搜索者”，潛艇在潛航狀態(tài)下伸出天線對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遙控獲得成功。隨后，各家公司開始獨(dú)立開展?jié)撋錈o人機(jī)的研制。

1.5.1XFC 潛射無人機(jī)

XFC 無人機(jī)屬于“水下發(fā)射無人機(jī)”項(xiàng)目的研究成果。該項(xiàng)目由美國(guó)海軍研究局“沼澤工廠”負(fù)責(zé)，旨在研發(fā)出一種能夠從潛艇上發(fā)射、由燃料電池驅(qū)動(dòng)的情報(bào)監(jiān)視偵察無人機(jī)。XFC 擁有可折疊的十字形機(jī)翼和一個(gè)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。該型無人機(jī)從概念設(shè)計(jì)到試驗(yàn)驗(yàn)證只用了不到 6 年的時(shí)間。

圖3　美國(guó)載人潛水飛行器多種方案Fig. 3　Variety schemes of The U.S. manned submersible vehicles

圖4　XFC 無人機(jī)發(fā)射示意圖Fig. 4　XFC launch

圖5　美國(guó)“鸕鶿”海空兩棲無人機(jī)Fig. 5　The U.S. amphibious UAV Cormorant

2013 年 12 月 5 日，美國(guó)海軍成功進(jìn)行了潛艇發(fā)射無人機(jī)的試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)采用了與“戰(zhàn)斧”和“魚叉”導(dǎo)彈相同的發(fā)射原理，即通過水下運(yùn)載器運(yùn)載無人機(jī)，由潛艇魚雷管發(fā)射后浮至水面，而后完成發(fā)射。

此次發(fā)射的無人機(jī)簡(jiǎn)稱 XFC 無人機(jī)，通過電力驅(qū)動(dòng)，可執(zhí)行數(shù)小時(shí)任務(wù)。在此過程中，XFC 無人機(jī)將實(shí)時(shí)偵察視頻畫面?zhèn)骰亓恕捌樟_維登斯”號(hào)核潛艇、水面支援艦艇和岸上地面站。隨后，無人機(jī)在位于巴哈馬的美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部大西洋水下測(cè)試和評(píng)估中心著陸［4］。

該型無人機(jī)屬于小型潛射無人機(jī)范疇，無法在水中自主巡航待機(jī)，裝載在運(yùn)載器中解決了跨介質(zhì)飛行器需要適應(yīng)水環(huán)境這一問題，其使用模式、通訊鏈路技術(shù)、變體技術(shù)等對(duì)跨介質(zhì)飛行器的研制有很好的參考、借鑒意義。

1.5.2美國(guó)“鸕鶿”潛射無人機(jī)

洛·馬公司研制的“鸕鶿”無人機(jī)是一種能夠在海面和水下發(fā)射并重復(fù)使用的多用途無人機(jī)。水下時(shí)，機(jī)翼折疊的“鸕鶿”可從“俄亥俄”級(jí)戰(zhàn)略核潛艇的導(dǎo)彈發(fā)射筒發(fā)射，升空后機(jī)翼自動(dòng)展開并啟動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，執(zhí)行空中任務(wù)［5］。

“鸕鶿”無人機(jī)的機(jī)翼被設(shè)計(jì)成海鷗翅膀的形狀，以適應(yīng)導(dǎo)彈發(fā)射井內(nèi)壁；機(jī)身由鈦合金制成，不僅強(qiáng)度高，還能抵御海水的腐蝕。飛機(jī)的空余空間填滿泡沫塑料，防止沖撞造成損壞。此外，機(jī)身其他部分還用惰性氣體加壓。機(jī)身的構(gòu)型也采用了復(fù)雜的隱身設(shè)計(jì)，飛機(jī)的進(jìn)氣口位于機(jī)頭部位，呈三角形。處于水下時(shí)，飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)和武器艙門都用充氣膨脹式密封防水?！胞R鶿”無人機(jī)長(zhǎng) 5.8 m，翼展 4.86 m。機(jī)身總重量不到 4 t，但可以攜帶 453 kg 的載荷；最大飛行速度預(yù)計(jì)將達(dá)到 880 km/h，巡航速度為 550 km/h，最高飛行高度 10.7 km，能持續(xù)飛行 3 h，作戰(zhàn)半徑達(dá)926 km。

雖然棲身導(dǎo)彈發(fā)射筒，但“鸕鶿”無人機(jī)并不像導(dǎo)彈一樣靠燃?xì)狻皬棥背鏊妫怯深愃茩C(jī)械臂的引導(dǎo)裝置送出發(fā)射筒。自行浮出水面后，無人機(jī)將啟動(dòng)兩部固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，在水面垂直起飛。完成任務(wù)后，飛機(jī)返回和潛水艇匯合點(diǎn)，由水下機(jī)械臂帶回核潛艇。“鸕鶿”無人機(jī)能配備監(jiān)視器材或近程攻擊武器，除了執(zhí)行偵察任務(wù)，機(jī)上能攜帶“海爾法”導(dǎo)彈，可近距離打擊目標(biāo)。此外，如果加掛特殊吊艙，它還可將特種偵察裝置投放至敵后［6］。

1.5.3彈簧刀

幾年前美國(guó)啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“阿努比斯”（Anubis）的計(jì)劃，試圖研發(fā)一種微小型武裝無人機(jī)，既可對(duì)目標(biāo)實(shí)施偵察監(jiān)視，又可打擊“具有較高價(jià)值的目標(biāo)”。近年來，美軍越來越多地使用“捕食者”和“收割者”等無人機(jī)，利用搭載的“地獄火”導(dǎo)彈，在阿富汗和巴基斯坦對(duì)恐怖分子頭目發(fā)動(dòng)定點(diǎn)攻擊。但這些體型相對(duì)較大的無人機(jī)存在顯著缺點(diǎn)，比如無法確認(rèn)具體擊中的目標(biāo)等。為了滿足在阿富汗和伊拉克潛在的作戰(zhàn)使用需求，一種可以變身的新型巡航導(dǎo)彈式無人機(jī)“彈簧刀”應(yīng)運(yùn)而生。它集小型無人機(jī)的偵察監(jiān)視和巡航導(dǎo)彈的攻擊功能于一身。

“彈簧刀”微型無人機(jī)是航空環(huán)境公司生產(chǎn)的一種一次性無人機(jī)。2009 年完成開發(fā)，2011 年公諸于眾?！皬椈傻丁敝?1 kg（2.2 磅），可搭載戰(zhàn)斗部。一套完整的“彈簧刀”系統(tǒng)（包括導(dǎo)彈、貯存器和控制器）重 5.5 kg（12.1 磅）左右。完整的微型空中彈藥系統(tǒng)重量將接近 8 kg（17 磅），長(zhǎng)約 45 cm［7］。

除了陸地作戰(zhàn)時(shí)用儲(chǔ)運(yùn)管和單兵彈射器發(fā)射，“彈簧刀”還可從潛艇的導(dǎo)彈發(fā)射管中發(fā)射，2010年，美國(guó)海軍“三叉戟戰(zhàn)士”演習(xí)中，由一艘潛艇試射了“彈簧刀”無人機(jī)。發(fā)射過程中，潛艇處于潛望鏡深度，無人機(jī)外包有水下運(yùn)載器，由潛艇的廢物處理口發(fā)射。攻擊型“彈簧刀”微型無人機(jī)可以飛向目標(biāo)并引爆，其爆炸效果大約當(dāng)量與1枚手榴彈相當(dāng)。

“彈簧刀”微型無人機(jī)一直非常成功，美國(guó)陸軍已經(jīng)要求其制造商開發(fā)“彈簧刀”2.0 型微型無人機(jī)，又稱為“致命微型空中彈藥系統(tǒng)”（Lethal Miniature Aerial Munition System， LMAMS），其重量更重，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 30 min，航程為 9 kg。技術(shù)指標(biāo)方面，LMAMS 具有夜視能力，并能鎖定目標(biāo)，攻擊目標(biāo)；機(jī)載戰(zhàn)斗部除必須能夠擊毀輕型車輛外，還必須能夠殺傷半徑 10 m 內(nèi)的有生力量，但只對(duì)半徑 4 m 內(nèi)的人員致命。運(yùn)用當(dāng)前的技術(shù)，所有這些要求都可能實(shí)現(xiàn)［8］。

圖6　美國(guó)“彈簧刀”無人機(jī)Fig. 6　The U.S. UAV Switch Blade

1.5.4波音“快速部署水空兩棲飛機(jī)”

2015年7月，波音公司公布了一種可潛入水下的無人機(jī)設(shè)計(jì)方案。這種無人機(jī)由一架主飛機(jī)運(yùn)入部署區(qū)域，后經(jīng)遠(yuǎn)程遙控脫離主飛機(jī)自行前飛。

這種飛機(jī)有 2 種運(yùn)行模式：空中模式，下飛機(jī)配備雙翼、穩(wěn)定器和 2 套共軸的螺旋槳葉（第 1 套槳葉）；水下模式，機(jī)翼、穩(wěn)定器與機(jī)身由多個(gè)連接附件（螺釘、螺栓、水溶膠等）連接，在機(jī)身入水時(shí)，雙翼和螺旋槳借助爆炸螺栓和水溶膠脫離飛機(jī)，減輕重量并優(yōu)化水動(dòng)力特性，同時(shí)無人機(jī)展開新的操縱面和螺旋槳，而第 1 套槳葉將從飛機(jī)上脫離。無人機(jī)入水后可部署其負(fù)載的物資或武器，還可用于水下偵探，通過機(jī)上的壓載水艙來控制潛下的水深。水下任務(wù)完成后，它浮出水面將其收集的數(shù)據(jù)傳給其它遙控飛機(jī)或傳回指揮中心。

此外，該無人機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還具備如下特點(diǎn)：首先，該機(jī)由 1 個(gè)或多個(gè)獨(dú)立裝置構(gòu)成，處于預(yù)安裝狀態(tài)或快速安裝狀態(tài)，排除部件冗余，使其再利用率達(dá)到最大值；其次，無人機(jī)在水下潛水安裝了使機(jī)身潛水并在水下移動(dòng)的裝置。同時(shí)還有一浮力罐用來控制機(jī)身淹沒程度以及重新浮在水面；該無人機(jī)在空中、水下使用相同的發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)［9］。

2　跨介質(zhì)飛行器發(fā)展歷程對(duì)我國(guó)的啟示

2.1新型作戰(zhàn)力量，軍事應(yīng)用前景廣泛

跨介質(zhì)飛行器是潛艇和飛機(jī)的結(jié)合體，集成了空中和水下 2 種航行器的能力，即飛機(jī)的空中飛行能力和潛艇的潛水隱身能力。作為“會(huì)飛的潛艇”，除了兼?zhèn)錆撏щ[蔽作戰(zhàn)的特點(diǎn)外，在空中飛行時(shí)則可避免后者難以掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息的先天缺陷，具有足夠的戰(zhàn)場(chǎng)透明度；作為“能潛水的飛機(jī)”，除了具備一定的空中飛行能力外，更重要的是具備包括水下潛伏、目標(biāo)探測(cè)、隱蔽突襲等的水下作戰(zhàn)能力。通過集中 2種平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)和操作模式，跨介質(zhì)飛行器可顯著增強(qiáng)軍隊(duì)執(zhí)行沿?？焖?、秘密的插入式作戰(zhàn)任務(wù)的能力，甚至有可能像 20 個(gè)世紀(jì)的航空母艦一樣，在現(xiàn)代多維立體的海戰(zhàn)戰(zhàn)場(chǎng)中徹底顛覆和改變現(xiàn)有的海戰(zhàn)模式［10］。

2.2跨介質(zhì)航行難度大，關(guān)鍵技術(shù)多

由于空氣和水的物理性質(zhì)有著很大的差別，水的密度是空氣的 800 多倍，粘性系數(shù)是空氣的 59 倍，因此飛行器和潛航器在航行原理、布局、穩(wěn)定性、操縱性、材料、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力等方面存在較大差異存在巨大差異；跨介質(zhì)飛行器的設(shè)計(jì)卻需要協(xié)調(diào)飛行器和潛航器不同的設(shè)計(jì)要求，需要兼顧飛行狀態(tài)和潛航狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求，難度高。

圖7　水空兩棲飛機(jī)工作原理圖Fig. 7　Operating principle of an amphibious aircraft

跨介質(zhì)飛行器設(shè)計(jì)的另一挑戰(zhàn)是重量設(shè)計(jì)。將跨介質(zhì)飛行器設(shè)計(jì)得足夠輕雖可滿足飛行的需求，但會(huì)使其下潛變得非常困難。在跨介質(zhì)飛行器漂浮于水面的情況下，目前有 2 種方法可以實(shí)現(xiàn)下潛上浮：一種方法是改變飛行器的密度，即減小飛行器的排水量或者增加重量；另一種方法是利用機(jī)翼、尾翼等升力面產(chǎn)生向下的負(fù)升力，通過改變負(fù)升力的大小來實(shí)現(xiàn)下潛上浮。

跨介質(zhì)飛行器在外形設(shè)計(jì)上也有較大難度，如飛行器不改變外形，直接進(jìn)入潛航狀態(tài)，則機(jī)翼在水中仍會(huì)產(chǎn)生向上的升力。要解決這一矛盾，只能調(diào)整潛航時(shí)的姿態(tài)，使機(jī)翼的迎角減小至零升迎角或使機(jī)翼產(chǎn)生負(fù)升力，但這必然導(dǎo)致水下航行時(shí)阻力大大增加，變體技術(shù)是解決這一矛盾的有效手段。同時(shí)采用變體技術(shù)也可解決海基和空基發(fā)射平臺(tái)空間有限，跨介質(zhì)飛行器的尺寸受到嚴(yán)格限制的問題。

2.3全新的研究領(lǐng)域，研究意義重大

在20世紀(jì)由于技術(shù)發(fā)展和政策的限制，國(guó)外早期提出的設(shè)想和設(shè)計(jì)方案未取得實(shí)際進(jìn)展。近年來，特別是復(fù)合材料工藝的飛速發(fā)展和高比能儲(chǔ)能電池的開發(fā)，為跨介質(zhì)無人飛行器的研發(fā)鋪平了道路。同時(shí)，對(duì)近海地區(qū)的爭(zhēng)奪、控制、隱蔽突防的重要性在軍事理論方面的提升也使得跨介質(zhì)飛行器備受重視。國(guó)外已經(jīng)對(duì)跨介質(zhì)無人飛行器的軍事用途進(jìn)行了論證，并提出了一些設(shè)計(jì)方案。特別是美國(guó) DARPA 提出大型潛水飛機(jī)研制計(jì)劃之后，美國(guó)的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始著手進(jìn)行潛水飛機(jī)概念方案設(shè)計(jì)。

可見，跨介質(zhì)飛行器作為一個(gè)很新的研究領(lǐng)域，其研究對(duì)跨介質(zhì)的基本原理、能源動(dòng)力、通訊導(dǎo)航等領(lǐng)域的相關(guān)研究均有促進(jìn)推動(dòng)作用；同時(shí)，隨著材料技術(shù)、能源技術(shù)的發(fā)展，研制一款成熟跨介質(zhì)飛行器也不再是科學(xué)幻想。

2.4相關(guān)技術(shù)有一定研究基礎(chǔ)，研發(fā)時(shí)機(jī)相對(duì)成熟

國(guó)外在變體無人機(jī)、無人潛航器、潛航無人機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作，一些型號(hào)已經(jīng)投入使用。潛射無人機(jī)、變體無人機(jī)和無人潛航器上使用的變體技術(shù)、發(fā)射技術(shù)、水下動(dòng)力技術(shù)和控制技術(shù)等都可以為跨介質(zhì)無人飛行器的研究提供技術(shù)支撐，從而大大加快跨介質(zhì)無人飛行器的研究進(jìn)程?？梢哉f，開展對(duì)跨介質(zhì)飛行器的研究工作的時(shí)機(jī)已經(jīng)相對(duì)成熟。

圖8　XFC 無人機(jī)的 X 型變體翼Fig. 8　X variant wing of XFC

3　結(jié)　語

跨介質(zhì)飛行器兼有飛行器的速度和潛航器的隱蔽性，具有高效突防打擊能力和多任務(wù)能力，軍事應(yīng)用前景廣闊。近年來隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，跨介質(zhì)無人飛行器的研制又重新受到關(guān)注，國(guó)外在此領(lǐng)域的研究有加速的趨勢(shì)，特別是美國(guó)在此方面投入研制力度最大，DARPA 的特種潛水飛機(jī)研制計(jì)劃已經(jīng)完成第一階段研究，正向工程階段發(fā)展。相信在不久的將來，這種飛行器即可投入使用，實(shí)現(xiàn)“九霄破浪覓敵影，萬里騰云隱然歸”的作戰(zhàn)構(gòu)想。

［1］Navy launches UAV from submerged submarine［EB/OL］. （2013-12-05）. http：//www.nrl.navy.mil/media/newsreleases/2013/

［2］WHALEY E P， STEWART D. Path from urgent operational need to program of record［J］. Defense ARJ， 2014， 21（2）：525-564

［3］VAN BLYENBURGH P. Unmanned aircraft systems unmanned aircraft systems the current situation［R］//Autonomous Surface Ships Symposium 2008. Paris， France： Association Technique Maritime Aéronautique Ronautique， 2008

［4］Switchblade［R/OL］. https：//www.avinc.com/switchblade.

［5］時(shí)兆峰， 張純學(xué). 鸕鶿無人機(jī)-一種新型潛射無人戰(zhàn)斗機(jī)［J］.飛航導(dǎo)彈， 2006（3）： 9.

［6］叢敏. 鸕鶿潛射多用途無人機(jī)完成濺落與回收試驗(yàn)［J］. 飛航導(dǎo)彈， 2007（5）： 25-26.

［7］于兵. 張祥林. 淺析艦載無人機(jī)的戰(zhàn)術(shù)用途及發(fā)展設(shè)想［J］.艦船科學(xué)技術(shù)， 2005， 27（1）： 55-57.

［8］嚴(yán)毅梅. 導(dǎo)彈OR無人機(jī)-美國(guó)“彈簧刀”無人機(jī)［J］. 輕兵器，2013（19）： 26-27.

［9］DARPA組織研發(fā)能發(fā)射無人機(jī)的水下母艇［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2013， 35（9）： 30.

［10］木易. 美潛射無人機(jī)又先人一步或催生“潛艇革命”［J］. 生命與災(zāi)害， 2014（2）： 32-33.

Development of foreign trans-media aircraft and its enlightenment to China

HE Zhao-xiong1， ZHENG Zhen-shan1， MA Dong-li2， ZHOU Qiao3
（1. No. 92728 Unit of PLA， Shanghai 200436， China； 2. Beihang University， Beijing 100191， China；3. Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China）

Trans-media aircraft refers to a new concept special aircraft which can both fly in the air and dive underwater. Trans-media aircraft integrates the capability of aircrafts and underwater vehicles， which means it carries both the maneuverability of an aircraft and the stealth capability of a submarine. In this paper， the development course of foreign trans-media aircraft is introduced， and its enlightenment to our country is analyzed.

trans-media aircraft；diving aircraft；submarine-launched UAV

V279

A

1672-7619（2016）05-0152-06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.032

2016-02-18；

2016-04-05

何肇雄（1980-），男，博士，研究方向?yàn)檠b備論證。