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        “飛行汽車”

        2016-11-29 13:04:17田雨波劉勁華李麗
        航空世界 2016年10期
        關(guān)鍵詞:變形系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        田雨波+劉勁華+李麗

        美軍歷來(lái)重視無(wú)人駕駛飛行器研發(fā)和運(yùn)用,先后推出十余種軍用無(wú)人機(jī)投入戰(zhàn)場(chǎng)前沿部署,成為世界公認(rèn)的無(wú)人系統(tǒng)大國(guó)。同時(shí),美軍對(duì)于新型無(wú)人駕駛飛行器的研發(fā)探索也從未停止,“飛行汽車”就是要把直升機(jī)的空運(yùn)作戰(zhàn)能力與戰(zhàn)術(shù)車輛的全地形能力結(jié)合起來(lái),以全新的垂直起降能力適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的超前嘗試。

        “黑騎士”開(kāi)啟飛行汽車研發(fā)之旅

        美軍的“飛行汽車”計(jì)劃最初起源于“飛行悍馬”(Flying Humvees)項(xiàng)目,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)投資高達(dá)5000萬(wàn)美元,第一階段研發(fā)目的是能夠搭載454千克負(fù)載、航程480千米的垂直起降飛行器,制造相對(duì)簡(jiǎn)單,能夠嵌入模塊化載荷,讓?xiě)?zhàn)場(chǎng)上的“黃金1小時(shí)”變得更加容易把握。項(xiàng)目以加利福尼亞州埃爾塞貢多先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)公司為主研發(fā),美國(guó)陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)特種武器中心、波士頓動(dòng)力公司、軍事技術(shù)公司等單位都有參與。

        “飛行汽車”項(xiàng)目雖然要研發(fā)世界上第一種有公路機(jī)動(dòng)能力的垂直起降(VTOL)飛行器,但是最初設(shè)計(jì)的思路只是在戰(zhàn)術(shù)車輛上加裝旋翼系統(tǒng),研發(fā)團(tuán)隊(duì)推出了“AT黑騎士變形者”方案,但是樣子多多少少還是能看出“黑鷹”直升機(jī)的影子?!昂隍T士”全長(zhǎng)9.45米,寬5.79米,高2.44米,機(jī)身位置的機(jī)艙長(zhǎng)7.62米,高1.21米,機(jī)翼向機(jī)身方向折疊之后寬1.37米,乘員和物資裝備從后艙門出入,類似于現(xiàn)在的MV-22“魚(yú)鷹”的操作方式。

        “黑騎士”全比例驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃采用柴油渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī),能夠以241千米的飛行時(shí)速將453千克的物資或5名士兵運(yùn)送到463千米之外的目的地,在公路上行駛時(shí)最大速度達(dá)到110千米/時(shí),最大載重量726千克,能夠搭載8名士兵。盡管埃爾塞貢多公司推出了原型機(jī),也完成一次訓(xùn)練飛行測(cè)試,但是上述這些理論上的數(shù)字很多都沒(méi)有來(lái)得及實(shí)現(xiàn),項(xiàng)目預(yù)算隨后遭到削減,項(xiàng)目轉(zhuǎn)入第二階段,項(xiàng)目名稱也發(fā)生了變化,以便用全新的設(shè)計(jì)更好地滿足美軍的特種作戰(zhàn)需求。

        “變形者”推出全新飛行汽車概念

        2009年,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署將項(xiàng)目第二階段名稱改為“變形者”(TX),意圖發(fā)展驗(yàn)證一種全新的原型機(jī)系統(tǒng),提供靈活的全地形后勤能力,在前線和基地之間運(yùn)載物資和人員,同時(shí)執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)支援任務(wù)?!白冃握摺钡脑O(shè)計(jì)方案是基于2 個(gè)固定水平翼加2個(gè)主旋翼的機(jī)身結(jié)構(gòu),飛行狀態(tài)時(shí)由主旋翼提供動(dòng)力,地面行駛時(shí)水平翼能夠向后折疊,主旋翼轉(zhuǎn)軸向前、槳葉向后折翼,以4X4輪式車輛的方式機(jī)動(dòng)。燃油加注在水平翼的自密封油箱里,使易爆的油料遠(yuǎn)離機(jī)組人員,能夠在飛行器被襲擊時(shí)提高士兵生存機(jī)率。

        “變形者”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊,機(jī)身整體尺寸比上一代成果“黑騎士”要小,主旋翼采用新型低速旋翼/復(fù)合式(SR/C)結(jié)構(gòu),使用高惰性材料,保證了垂直起降所需要?jiǎng)恿?,在發(fā)動(dòng)機(jī)故障的情況下也能安全著陸。軸轂采用萬(wàn)向節(jié)(云臺(tái)式)設(shè)計(jì),能夠在低速飛行時(shí)控制旋翼的傾斜角度,在巡航時(shí)再傾斜到推進(jìn)效率最大的角度。

        在飛控設(shè)計(jì)方面,“變形者”的尾部裝有2個(gè)探測(cè)器,分別探測(cè)飛行器在(X、Y軸平面的)水平旋轉(zhuǎn)(Raw)和機(jī)頭俯仰角度的方向旋轉(zhuǎn)(Pitch),固定水平翼翼尖安裝有監(jiān)測(cè)(以機(jī)身縱線為軸的)滾轉(zhuǎn)角度(Roll),用于在低速和高速時(shí)的飛行控制。尾部的涵道推進(jìn)器用來(lái)巡航飛行,全動(dòng)穩(wěn)定尾翼也用來(lái)提升巡航時(shí)的飛行控制。“變形者”還安裝了全自動(dòng)一體化飛行控制系統(tǒng)(FCS),能夠由地面控制人員遙控操作。

        機(jī)身采用高強(qiáng)度的汽車底盤,機(jī)身前部安裝一部渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī),用于向巡航飛行提供動(dòng)力。另外配備有Terrafugia公司的輔助動(dòng)力系統(tǒng),在地面機(jī)動(dòng)時(shí)采用四輪驅(qū)動(dòng)模式,能夠保證在復(fù)雜地形條件下作戰(zhàn)時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)途全地形機(jī)動(dòng),行駛起來(lái)也擁有良好的靜音性能。發(fā)動(dòng)機(jī)艙外殼的緩沖區(qū)安裝有Terrafugia公司研發(fā)的符合國(guó)家公路交通安全管理局(NHTSA)標(biāo)準(zhǔn)的墜毀保護(hù)系統(tǒng),進(jìn)一步提升了飛行器的安全性能。機(jī)身外側(cè)安裝有貝爾公司與特斯朗公司聯(lián)合研發(fā)的輕型復(fù)合裝甲,駕駛艙使用防彈擋風(fēng)玻璃,提升飛行器的自身防護(hù)能力。

        “戰(zhàn)神”項(xiàng)目高度契合美軍作戰(zhàn)需求

        盡管“變形者”(TX)的研發(fā)概念超前,項(xiàng)目進(jìn)展也比較順利,但在2013年被“戰(zhàn)神”項(xiàng)目所取代。洛克希德·馬丁公司臭鼬工廠與皮亞塞基飛機(jī)公司(Piasecki Aircraft)組建了一支研制團(tuán)隊(duì),贏得了價(jià)值2030萬(wàn)美元的“變形者”項(xiàng)目第三階段研發(fā)合同,根據(jù)美軍計(jì)劃,這將是該項(xiàng)目的最后一個(gè)階段,并將項(xiàng)目重新定名為“嵌入式變形航空系統(tǒng)”(ARES)項(xiàng)目。ARES英文縮略語(yǔ)的詞義恰好是羅馬神話中的“戰(zhàn)神”,因此該項(xiàng)目通常被稱作“戰(zhàn)神”,但是仍然強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目前身“變形”這個(gè)主題。

        2014年2月,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署首次對(duì)外披露了“戰(zhàn)神”項(xiàng)目?!皯?zhàn)神”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由臭鼬工廠領(lǐng)導(dǎo),研發(fā)目標(biāo)與“變形者”有很好的延續(xù)性:為前線部隊(duì)量身定制一種具有垂直起降(VTOL)能力的飛行器,能夠運(yùn)送一系列的載荷,應(yīng)對(duì)非對(duì)稱作戰(zhàn)對(duì)手伏擊戰(zhàn)術(shù)和“簡(jiǎn)易爆炸裝置”(IED)的威脅?!皯?zhàn)神”項(xiàng)目來(lái)自于美軍實(shí)現(xiàn)的作戰(zhàn)需求,比如,美軍的前沿哨位每周需要4.5噸的物資保障,高海拔的崎嶇山路又不便于戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸車輛通行,在直升機(jī)運(yùn)輸這個(gè)解決方案之外,“戰(zhàn)神”的出現(xiàn)將極大豐富美軍的補(bǔ)給方式,同時(shí)為前線指揮官提供戰(zhàn)術(shù)滲透、營(yíng)救和傷員轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

        國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署項(xiàng)目主管阿西什·巴蓋表示,目前美軍的很多任務(wù)都需要專用的垂直起降裝備,但是絕大多數(shù)地面部隊(duì)沒(méi)有自己的直升機(jī),“戰(zhàn)神”項(xiàng)目將為部隊(duì)提供一種多用途的垂直起降工具,保證更多的小分隊(duì)能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上擁有這種能力。因此項(xiàng)目辦公室的目標(biāo)就是提供靈活、全地形的運(yùn)輸能力,避開(kāi)地面威脅,快速實(shí)施作戰(zhàn)支援,提升作戰(zhàn)效費(fèi)比和作戰(zhàn)任務(wù)成功率。

        “戰(zhàn)神”項(xiàng)目采用嵌入式的模塊化設(shè)計(jì),研發(fā)的核心是設(shè)計(jì)垂直起降飛行模塊,首先具備無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)能力,能夠運(yùn)載一系列的有效載荷。飛行模塊必須擁有自己的動(dòng)力、加油、數(shù)字化飛行控制和遙控指揮控制界面系統(tǒng),采用傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇技術(shù)和緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證飛行器具有可靠的盤旋和著陸性能,能夠快速轉(zhuǎn)換成高速巡航模式,像小型飛機(jī)那樣高速飛行。由于“戰(zhàn)神”需要的著陸區(qū)面積只有相同尺寸直升機(jī)的一半大小,能夠在崎嶇地形和艦艇甲板上降落,所以具有很強(qiáng)的通用性。

        美軍設(shè)想,飛行模塊能夠在基地與戰(zhàn)場(chǎng)前線之間往返,搭載一些不同的特遣任務(wù)模塊,而且每一種設(shè)計(jì)都有特定的用途,比如貨物裝卸和運(yùn)送、戰(zhàn)場(chǎng)傷員搜救、機(jī)載情報(bào)監(jiān)視偵察(ISR)、武裝偵察、火力打擊任務(wù),等等。美軍部(分)隊(duì)通過(guò)手中的移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)終端手機(jī)或遙控器就能夠控制飛行模塊,“戰(zhàn)神”首先設(shè)計(jì)成一種無(wú)人系統(tǒng),未來(lái)嵌入半自治式飛行系統(tǒng)和接口界面,實(shí)現(xiàn)有人/遙控復(fù)合式飛行控制,根據(jù)任務(wù)需求選擇適當(dāng)?shù)娘w行模式。

        先進(jìn)技術(shù)支持“戰(zhàn)神”項(xiàng)目研發(fā)

        臭鼬工廠在研發(fā)垂直起降航空系統(tǒng)方面有比較豐富的經(jīng)驗(yàn),負(fù)責(zé)“戰(zhàn)神”項(xiàng)目的飛行器設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整合工作。2014年3月就推出了一款“戰(zhàn)神”縮比驗(yàn)證模型。這種新式飛行器按模塊化漸進(jìn)式思路發(fā)展,主要驗(yàn)證目標(biāo)是開(kāi)發(fā)垂直起降功能,也就是先讓“戰(zhàn)神”飛起來(lái),后續(xù)再添加其他任務(wù)模塊,成為一種與眾不同的多用途無(wú)人駕駛飛行器。

        從臭鼬工廠公開(kāi)的“ARES”概念圖來(lái)看,這種飛行器設(shè)計(jì)了一對(duì)可傾轉(zhuǎn)的涵道風(fēng)扇,固定在中心體兩側(cè),再往外側(cè)是一種類似機(jī)翼的翼板,停放狀態(tài)下呈垂直狀態(tài),巡航飛行時(shí)傾轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)。中心體采用了類似飛翼的構(gòu)型,不僅具有良好的氣動(dòng)性能,內(nèi)部空間還設(shè)置了主要的飛行系統(tǒng):包括動(dòng)力裝置、遙控指揮控制系統(tǒng)、航電系統(tǒng)和燃料艙。中心體內(nèi)部裝有2臺(tái)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī),通過(guò)一個(gè)組合式齒輪箱和交叉軸來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)風(fēng)扇。每個(gè)風(fēng)扇采用5個(gè)恒速、可變距槳葉,與涵道排氣口外安裝的可調(diào)導(dǎo)流板共同實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的飛行控制。

        中心體的上表面設(shè)計(jì)了一個(gè)狹縫式吹氣口,并將后半段設(shè)計(jì)為一種可偏轉(zhuǎn)控制面,借助于來(lái)自動(dòng)力裝置的高壓空氣,可以產(chǎn)生良好的增升效應(yīng),為飛行器提供持續(xù)穩(wěn)定的俯仰配平。同時(shí),外翼板與風(fēng)扇同步傾轉(zhuǎn),在不同飛行狀態(tài)下可分別起到穩(wěn)定姿態(tài)和增加升力的作用,在停放狀態(tài)下可以緊貼著涵道折疊起來(lái),以便減小系統(tǒng)的占用空間。另外,這種涵道式設(shè)計(jì)也有利于保護(hù)飛行器和人員安全。

        臭鼬工廠最初的設(shè)計(jì)方案只是在主體飛行結(jié)構(gòu)下方安裝了類似直升機(jī)的起落架(也可稱為滑橇),首先實(shí)現(xiàn)“戰(zhàn)神”的飛行功能。起落架由2個(gè)U形梁組成,開(kāi)口向下,以便在中心體下方安裝載荷模塊。目前,研發(fā)團(tuán)隊(duì)在涵道風(fēng)扇式飛行器的中心體下方安裝了一個(gè)方形的吊艙,形狀與直升機(jī)的機(jī)艙相似,從外形上還看不出汽車的樣子。但是,由于團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)思路大膽突破DARPA的思維定式,將飛行系統(tǒng)與車輛系統(tǒng)一分為二,使用的分離式任務(wù)模塊能夠自主地安裝、更換和使用,因此未來(lái)可以掛載很多種模塊,變身成飛行汽車并不是問(wèn)題。

        模塊化設(shè)計(jì)具備多任務(wù)能力

        由于“戰(zhàn)神”項(xiàng)目的最初目標(biāo)是建造“飛行汽車”,因此臭鼬工廠研發(fā)團(tuán)隊(duì)在飛行框架完成后的任務(wù)重點(diǎn)就是研發(fā)戰(zhàn)術(shù)車輛類的分離式任務(wù)模塊。目前的研究方案是將戰(zhàn)術(shù)車輛懸掛在中心體下方的空間內(nèi),考慮到美軍要求“戰(zhàn)神”能夠在公路上起降,因此在“飛行汽車”的地面行駛模塊設(shè)計(jì)中,臭鼬工廠研發(fā)團(tuán)隊(duì)充分考慮到了道路寬度的限制,將飛行模塊設(shè)計(jì)成能夠收起在車輛模塊頂部的結(jié)構(gòu)。因此,飛行模塊的尺寸限制在長(zhǎng)9.14米、寬2.59米之內(nèi),涵道直徑為2.59米,內(nèi)部的風(fēng)扇直徑為2.28米,以滿足全地形行駛的項(xiàng)目要求。為提高“戰(zhàn)神”原型機(jī)項(xiàng)目研發(fā)效率,DARPA放寬了原有在單行道上行駛的苛刻要求,以利于研發(fā)團(tuán)隊(duì)適時(shí)放大縮比飛行模塊的尺寸,初步計(jì)劃是將涵道直徑增加到3.05米。

        模塊化是“戰(zhàn)神”項(xiàng)目的最大亮點(diǎn),項(xiàng)目名稱里的“可重組”和“嵌入式”設(shè)計(jì)理念在研發(fā)中也體現(xiàn)得非常充分,使這種未來(lái)無(wú)人飛行器具備多種潛在的任務(wù)能力,良好的模塊互換性也使軍事任務(wù)更具靈活性。根據(jù)洛克希德·馬丁公司官方網(wǎng)站的介紹,“戰(zhàn)神”的任務(wù)模塊相對(duì)簡(jiǎn)單,其總體構(gòu)型基本類似于小型集裝箱,外表面設(shè)計(jì)成流線型以減小氣動(dòng)阻力,內(nèi)部結(jié)構(gòu)則根據(jù)不同任務(wù)要求相應(yīng)設(shè)計(jì),未來(lái)可以掛載武裝偵察、火力打擊、貨物吊艙、人員輸送、醫(yī)療救援和戰(zhàn)場(chǎng)后送等任務(wù)載荷模塊,裝備“戰(zhàn)神”的部(分隊(duì))可以在作戰(zhàn)前線和后方基地之間往返飛行,利用一個(gè)通用懸掛系統(tǒng)即可交付和帶回幾種不同類型的獨(dú)立任務(wù)模塊。另外,“戰(zhàn)神”掛載小型武器系統(tǒng)和偵察載荷艙,也能夠執(zhí)行艦載火力打擊、反潛、掃雷和情報(bào)監(jiān)視偵察任務(wù)。

        “戰(zhàn)神”以類似無(wú)人機(jī)的方式飛行,懸掛當(dāng)前設(shè)計(jì)的載荷艙時(shí),速度比常規(guī)直升機(jī)要快,最大飛行速度可達(dá)360千米/小時(shí)左右,飛行方式類似MV-22“魚(yú)鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。根據(jù)目前的設(shè)計(jì)要求,飛行模塊的可用載荷能力已經(jīng)達(dá)到1360千克,超過(guò)自身最大起飛重量的40%,稱得上是一種高效、可靠的飛行系統(tǒng)。在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上,作戰(zhàn)型“戰(zhàn)神”最大起飛重量將達(dá)到3145千克,通過(guò)自主導(dǎo)航系統(tǒng)飛行到預(yù)定作戰(zhàn)地域,同時(shí)自動(dòng)規(guī)避飛行途中或著陸區(qū)域的各種障礙,實(shí)現(xiàn)全自治式的軍事能力投送作戰(zhàn)。

        結(jié)語(yǔ)

        作為一種新概念的武器系統(tǒng),“戰(zhàn)神”適應(yīng)了未來(lái)軍用航空系統(tǒng)多用途、全地形的發(fā)展趨勢(shì),體現(xiàn)了美軍武器裝備研發(fā)的前瞻性思維。美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃在2016年接受安裝貨艙模塊的“戰(zhàn)神”,未來(lái)達(dá)到項(xiàng)目全部戰(zhàn)術(shù)要求之后,必將極大地提升美軍在士兵突擊、后勤保障和情報(bào)偵察等方面的能力。目前,臭鼬工廠研發(fā)團(tuán)隊(duì)要做的就是,進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),提高技術(shù)成熟度,增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和可采購(gòu)性,相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)就能達(dá)成項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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