美國海軍Ｘ－４７Ｂ艦載無人機(jī)研制計(jì)劃

錢　錕

最近，美國海軍無人作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)(N－uCAs)項(xiàng)目的首架x－47B驗(yàn)證機(jī)(AV－1)在諾斯羅普·格魯曼公司帕姆戴爾(Palmdale)工廠下線，x－47B驗(yàn)證機(jī)具有劃時代的意義，它預(yù)示著無人艦載機(jī)時代即將來臨，X－47B的出現(xiàn)必將掀起一場新的海軍航空兵技術(shù)革命……

2008年12月16日，諾斯羅普格魯曼公司(以下簡稱諾·格公司)在位于加利福尼亞州帕姆戴爾(Palmdale)工廠舉行了首架x－47B(編號AV－1)美國海軍無人作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)(N－ucAs)驗(yàn)證機(jī)的下線儀式，X－47B驗(yàn)證機(jī)終于揭去了神秘的面紗，它預(yù)示著無人機(jī)艦載機(jī)時代即將來臨，x－47B驗(yàn)證機(jī)將成為美國海軍裝備的第一種專門研制的隱身艦載機(jī)、第一種具備自主著艦?zāi)芰Φ墓潭ㄒ砼炤d無人機(jī)、第一種具備自主空中加油能力的艦載無人機(jī)。與目前美國海軍已經(jīng)裝備或者即將列裝的有人駕駛艦載戰(zhàn)斗機(jī)(如F／A－18E／F和F－35C)相比，X－47B具有留空時間長，隱身性能好、作戰(zhàn)半徑大的顯著優(yōu)勢。

從J-UCAS到N－UCAS

2003年4月，美國國防部啟動了“聯(lián)合無人作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)”(J－UCAS)項(xiàng)目，以求研制一種同時滿足美國空軍和美國海軍作戰(zhàn)需求的多用途無人機(jī)。波音公司和諾。格公司分別提出了X－45C和X－47B競爭方案，隨著研制工作的深入，X－45C和X－47B在滿足空海軍通用要求的問題上都遇到了技術(shù)瓶頸，研究人員意識到J－UCAS項(xiàng)目不同于JSF項(xiàng)目，在一種無人機(jī)上同時兼顧空軍和海軍的要求幾乎是一件不可能完成的任務(wù)。

2006年初，由于未獲得國防部的支持，J－UCAS項(xiàng)目在2007財(cái)年預(yù)算申請中被取消，美國海軍和空軍在無人機(jī)的研制問題上分道揚(yáng)鑣。美國海軍在重新制定了艦載無人機(jī)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)后，單獨(dú)展開了N－UCAS項(xiàng)目招標(biāo)。波音公司在X-45C的基礎(chǔ)上研制了x－45N參與競標(biāo)，而諾·格公司則以經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的X-47B投標(biāo)，最終X-47B以其優(yōu)異的隱身性能和作戰(zhàn)半徑大的優(yōu)勢擊敗了X－45N，贏得了N－UCAS項(xiàng)目的技術(shù)驗(yàn)證(UCAS－D)合同。2007年8月1日，美國海軍宣布諾格公司的x－47B贏得了為期6年價值6.36億美元的UCAS－D合同。

自從1991年通用動力，麥道公司的A－12項(xiàng)目宣告失敗以來，美國海軍還一直沒有裝備過專門研制的隱身艦載機(jī)，N－UCAS項(xiàng)目旨在為美國海軍研制一種隱身無人艦載機(jī)，以縮小美國海軍相對于美國空軍在作戰(zhàn)飛機(jī)隱身技術(shù)上的差距。諾-格公司將制造兩架X－47B驗(yàn)證機(jī)用于驗(yàn)證N－UCAS的一系列關(guān)鍵技術(shù)，例如艦載無人機(jī)自主著艦，自主空中加油和航母適應(yīng)性等技術(shù)。諾‘格公司希望X－47B能夠在2018年形成戰(zhàn)斗力，并于2025年前上艦服役。

技術(shù)特點(diǎn)

由于X－47B是一種亞聲速作戰(zhàn)飛機(jī)，而且要求深入敵方縱深地帶執(zhí)行打擊任務(wù)，其戰(zhàn)場生存能力完全依賴于超強(qiáng)的隱身性能，因此，x－47B采用了隱身性能較好的無尾式飛翼氣動布局，具有“全頻段、全方向”的低可探測特性。值得注意的是，由于X－47B將處于高海情、高，低溫，強(qiáng)風(fēng)和鹽霧腐蝕和極為有限的航母甲板空間等惡劣的保障環(huán)境中使用，并要滿足高強(qiáng)度的艦載機(jī)出動需求，因此要保證x－47B的隱身。性能在其使用壽命周期內(nèi)不出現(xiàn)大幅度的下降是一個巨大的挑戰(zhàn)。

X－47B采用了B－2A戰(zhàn)略轟炸機(jī)在隱身設(shè)計(jì)上的技術(shù)成果，加上其體積遠(yuǎn)小于B-2A，因此其雷達(dá)散射截面積(RCS)將降到一個非常低的水平。X－47B繼承了X－47A。“飛馬”(Pegasus)驗(yàn)證機(jī)的部分機(jī)載系統(tǒng)與飛行控制率，顯著降低了研制技術(shù)難度：另外，X-47B還采用了源自A-12的機(jī)翼折疊系統(tǒng)，以降低研發(fā)成本。

x－47B兩側(cè)機(jī)翼的外翼段4.8米長部分可向上折起135°，機(jī)翼折疊后，X－47B的翼展將從18.9米減小到9.4米，大為節(jié)約了航母甲板停放空間。值得注意的是，美國航母上的升降機(jī)可同時運(yùn)送3架X-47B，是當(dāng)前有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)送效率的1.5倍，提高了航母的飛機(jī)出動和回收速率。另外，由于X－47B采用了無尾氣動布局，前后輪距非常小(4.25米)，因此幾乎可實(shí)現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向的能力，在狹小空間中的操作靈活性極佳，在擁擠的航母甲板上，x－47B的這一優(yōu)勢是十分重要的。綜上所述，X－47B在航母甲板上的停放系留面積和操作回旋面積要遠(yuǎn)小于F／A－18E／F或者F－35C等有人駕駛作戰(zhàn)飛機(jī)。

通常，為了容納復(fù)雜的機(jī)翼折疊機(jī)構(gòu)，艦載機(jī)機(jī)翼折疊段會凸出一個“鼓包”(F－35C也不例外)，這不僅破壞了艦載機(jī)的氣動外形，而且會嚴(yán)重影響艦載機(jī)的隱身性能，如何消除機(jī)翼折疊結(jié)構(gòu)對艦載機(jī)隱身性能的影響是技術(shù)人員面臨的一大設(shè)計(jì)難題。上個世紀(jì)80年代，麥道和通用動力公司在設(shè)計(jì)A－12隱身艦載攻擊機(jī)時也遇到了同樣的問題，最終技術(shù)人員為A－12的折疊機(jī)翼設(shè)計(jì)出了一種獨(dú)特的“雙重滾轉(zhuǎn)”鉸鏈機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)不會破壞A-12的氣動外形，收到了良好的效果。諾斯羅普·格魯曼公司對這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用在X－47B的折疊機(jī)翼之上，使得X－47B機(jī)翼折疊處兩側(cè)的機(jī)翼蒙皮非常平滑，從而顯著提高了隱身性能。

X-47B的滾轉(zhuǎn)和偏航控制主要是通過安裝在副翼前面機(jī)翼上表面0.9×1.5米²大小的擾流板來實(shí)現(xiàn)的。為了獲得較小的進(jìn)場著艦速度，X－47B的襟，副翼在著艦時需要下偏20°，但是在彈射起飛時無需偏轉(zhuǎn)。采用飛翼氣動布局的X-47B具有良好的升力特性，因此該機(jī)能夠在任何風(fēng)向條件下從航母甲板上起飛，這明顯地增強(qiáng)了其使用的靈活性，因?yàn)楹侥覆恍枰獮榱俗孹－47B逆風(fēng)起飛而調(diào)整航路，而這一優(yōu)勢是目前所有艦載機(jī)都不具備的。

洛克希德·馬丁公司是x－47B項(xiàng)目的子承包商之一，憑借其豐富的隱身飛機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，洛·馬公司主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)x-47B的S形發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道和氣動控制面，并優(yōu)化飛機(jī)前、后緣的低可探測性細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。為此，洛·馬公司在位于莫哈維沙漠(Mojave)海倫德爾(Helendale)實(shí)驗(yàn)室中建造了x－47B的全尺寸RCS測試模型，以優(yōu)化X-47B的隱身設(shè)計(jì)。

試驗(yàn)計(jì)劃

2009年3-5月間，X－47B將進(jìn)行地面結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括模擬X-47B的飛行標(biāo)準(zhǔn)載荷和著艦時的沖擊載荷，并驗(yàn)證起飛彈射器和著艦阻攔裝置對x－47B機(jī)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，另外，試驗(yàn)還要檢查x-47B燃油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性和氣動控制面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在為期3個月的標(biāo)準(zhǔn)載荷試驗(yàn)期間，技術(shù)人員將在AV-1機(jī)體結(jié)構(gòu)上加載115％設(shè)計(jì)載荷，以確保AV－1號的試飛安全。2009年6月，X-47B將展開發(fā)動機(jī)啟動試驗(yàn)和地面滑跑試驗(yàn)，為年底的首飛做準(zhǔn)備，隨后X－47B將轉(zhuǎn)場到愛德華茲空軍基地進(jìn)行全面的飛行

試驗(yàn)。第二架驗(yàn)證機(jī)AV-2計(jì)劃于2009年12月下線，這兩架驗(yàn)證機(jī)都會參與航母適應(yīng)性試驗(yàn)與評估。AV－1將在愛德華茲空軍基地進(jìn)行為期一年的飛行包線拓展試飛；之后它將飛躍整個美國轉(zhuǎn)場到位于馬里蘭州的帕塔克森特河(Patuxent River)海軍航空站進(jìn)行航母適應(yīng)性試飛；另外，AV－1還將被送到位于新澤西的雷克赫斯特(Lakehurst)海軍工程站進(jìn)行彈射器驗(yàn)證試驗(yàn)；進(jìn)一步試驗(yàn)將在在弗吉尼亞州的諾?？诉M(jìn)行，在那里AV-1將被吊放到“尼米茲”級航母的飛行甲板上，進(jìn)行航母甲板滑跑試驗(yàn)。

據(jù)美國海軍N－UCAS項(xiàng)目負(fù)責(zé)人馬丁德普上校透露：2011年11月，X－47B將進(jìn)行首次自主著艦試飛，參與試驗(yàn)的將是第8艘“尼米茲”級核動力航母“杜魯門”號。而在AV－1進(jìn)行首次自主著艦試飛之前，諾·格公司將會把自主著艦系統(tǒng)軟硬件安裝到一架F／A-18戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)程序是飛行員手動駕駛F／A-18飛臨距離航母1／4英里(400米)的空域，然后試飛員啟動自主著艦系統(tǒng)，讓F／A－18戰(zhàn)斗機(jī)在無人干預(yù)的狀況下在完成近進(jìn)和著艦全過程，F(xiàn)／A－18模擬無人機(jī)的自主著艦試飛計(jì)劃計(jì)劃將在2009年中期展開，以為x－47B的第一次自主著艦試飛鋪平道路。

自主空中加油試飛計(jì)劃

作為美國海軍未來F／A－XX攻擊機(jī)的候選機(jī)型之一，X－47B驗(yàn)證機(jī)成功的關(guān)鍵在于充分驗(yàn)證其在航母上起降的能力和在航母上的適應(yīng)性、操作性不亞于有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)。而在美國海軍戰(zhàn)略和預(yù)算評估中心2007年的研究報(bào)告中，美國海軍向X－47B提出了更高的要求——即必須具備超遠(yuǎn)的作戰(zhàn)半徑，要求X－47B從夏威夷海域的航母起飛后，經(jīng)過兩次空中加油后，用10小時的時間飛到臺灣海峽上空執(zhí)行情報(bào)，監(jiān)視和偵察任務(wù)的能力；執(zhí)行完任務(wù)后，再通過兩次空中加油返回航母，其總留空時間長達(dá)25小時。

為了達(dá)到美國海軍的作戰(zhàn)要求，X-47B必須具備自主空中加油技術(shù)(AAR)，因此，美國海軍將授予諾·格公司一份涉及范圍更廣的N－UCAV驗(yàn)證項(xiàng)目合同。合同要求諾。格公司驗(yàn)證x－47B的無人機(jī)的AAR試飛技術(shù)，并要求x－47B在設(shè)計(jì)上同時滿足美國空軍的硬式空中加油方式和美國海軍的軟式空中加油方式。

無人機(jī)的AAR技術(shù)是目前無人機(jī)自主化和智能化研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)，目前，美國多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)完成了AAR第一階段試飛，2006～2007年間，在美國國防預(yù)研局(DARPA)的支持下，NASA德賴登飛行研究中心利用F／A－18B研究機(jī)充當(dāng)無人機(jī)模擬平臺和“波音707”加油機(jī)成功進(jìn)行了數(shù)十次各種飛行狀態(tài)下的軟式插頭一錐套加油系統(tǒng)AAR試飛，成功驗(yàn)證了無人干預(yù)的無人機(jī)自主空中加油技術(shù)的可行性。

2007年12月，美國空軍實(shí)驗(yàn)室，波音公司“鬼怪”工程隊(duì)研究團(tuán)隊(duì)也利用一架“利爾噴氣”公務(wù)機(jī)模擬無人機(jī)和KC－135加油機(jī)成功進(jìn)行了硬式伸縮套管加油系統(tǒng)AAR試飛，AAR系統(tǒng)自主導(dǎo)引“利爾”公務(wù)機(jī)接近KC－135加油機(jī)，組成精確的空中加油編隊(duì)，成功完成并保持了長達(dá)20分鐘加油管空中模擬對接。

在2008年11月，美國軍方已經(jīng)將無人機(jī)對無人機(jī)的自主空中加油第二階段研究合同授予了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)／波音公司“鬼怪”工程隊(duì)研究團(tuán)隊(duì)，目標(biāo)是完成“有人駕駛加油機(jī)－變穩(wěn)飛機(jī)”的自主空中加油試飛。在AAR第二階段試飛中，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室將用一架經(jīng)過改裝的F－16 VISTA(變穩(wěn)定性飛行模擬器)模擬無人機(jī)和KC－135加油機(jī)進(jìn)行軟式插頭一錐套加油系統(tǒng)的自主空中加油試飛。之所以采用美國空軍試飛員學(xué)校的F-16 VISTA變穩(wěn)飛機(jī)執(zhí)行此次試驗(yàn)任務(wù)，是由于該機(jī)可模擬美軍裝備的典型無人機(jī)(例如“全球鷹”、“掠食者”或者X-47B)的飛行特性，從而也可為真正的無人機(jī)對無人機(jī)的AAR試飛科目降低風(fēng)險(xiǎn)。但是，F(xiàn)-16VISTA變穩(wěn)飛機(jī)在進(jìn)行AAR試飛之前，要進(jìn)行必要的改裝，包括在機(jī)頭安裝一個可伸縮的空中加油管，并加裝用于引導(dǎo)AAR對接的GPS／INS導(dǎo)航系統(tǒng)、多余度自主編隊(duì)飛行精確控制系統(tǒng)、雙向高速數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和視頻跟蹤系統(tǒng)。

諾·格公司的N－UCAS項(xiàng)目經(jīng)理斯科特。維西浦透露為了驗(yàn)證x－47B的自主空中加油能力，美國海軍計(jì)劃加入美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的自主空中加油驗(yàn)證計(jì)劃，并計(jì)劃讓x－47B代替F-16VISTA變穩(wěn)飛機(jī)進(jìn)行AAR第二階段試飛，美國空軍計(jì)劃于2011年在RQ－4“全球鷹”無人機(jī)上驗(yàn)證無人機(jī)對無人機(jī)的自主空中加油技術(shù)(UAV-UAV AAR)，而美國海軍計(jì)劃于2013年在X-47B艦載無人機(jī)上驗(yàn)證AAR技術(shù)。