立式起降

溫杰

2015年12月24日，美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）和美國海軍研究辦公室（ONR）宣布，將價(jià)值9 310萬美元的“戰(zhàn)術(shù)拓展偵察節(jié)點(diǎn)”（TERN）計(jì)劃的第三階段合同正式授予諾格公司，由航空航天系統(tǒng)分部負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、制造和測試一架全尺寸無人駕駛原型機(jī)，旨在驗(yàn)證這種全新設(shè)計(jì)的垂直起降（VTOL）飛行器具備在“阿利·伯克”級驅(qū)逐艦或?yàn)l海戰(zhàn)斗艦等小型艦船上自由起降的能力。

從裝備發(fā)展來看，DARPA和美國海軍正在通過概念定義、技術(shù)成熟和系統(tǒng)驗(yàn)證等三個(gè)階段，致力于打造出一種“捕食者”級別的中空長航時(shí)艦載無人機(jī)，嘗試將現(xiàn)役小型軍艦變身為無人機(jī)航母，從而極大地拓展美國海軍的空中偵察與打擊能力。如果研制工作順利，最終投入生產(chǎn)的無人機(jī)將陸續(xù)裝備到美國海軍的各種軍艦上，承擔(dān)起情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）任務(wù)，并可以對敵方小型目標(biāo)實(shí)施有效打擊。

垂直起降成為夢想

長期以來，美國海軍一直渴望將垂直起降飛機(jī)部署到更多的軍艦上，然而復(fù)雜的關(guān)鍵技術(shù)和高昂的采購成本一直成為這種作戰(zhàn)平臺無法研制成功的“攔路虎”。從第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束到冷戰(zhàn)時(shí)期，美國海軍先后嘗試過多種垂直起降技術(shù)，但大都半途而廢。

20世紀(jì)50年代初，美國海軍曾經(jīng)雄心勃勃地認(rèn)為，可以在貨船上配備一種立式垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)執(zhí)行護(hù)航任務(wù)，并選擇康維爾公司和洛克希德公司分別制造了XFY-1和XFV-1垂直起降原型機(jī)。然而，試飛結(jié)果表明，推進(jìn)裝置和控制系統(tǒng)在技術(shù)上都不夠成熟，甚至近乎于危險(xiǎn)，最終不得不放棄。其后20年間，美國海軍還提出了V/STOL-A和V/STOL-B的設(shè)想，甚至還貿(mào)然研制過XFV-12A超音速垂直起降艦載戰(zhàn)斗機(jī)，最后都無果而終。

在此期間，美國海軍曾經(jīng)在60年代研制出遙控的QH-50無人反潛直升機(jī)（DASH），并將其部署在驅(qū)逐艦上，但是性能無法達(dá)到預(yù)期。1970年，美國海軍無奈取消了無人機(jī)隊(duì)的部署計(jì)劃。80年代，美國海軍仍然沒有放棄讓高性能作戰(zhàn)飛機(jī)從小型軍艦的甲板上自由起降的夢想，但是經(jīng)過數(shù)十年間摸索和努力，意識到當(dāng)前技術(shù)的局限性，只好將垂直起降的一部分能力賦予了艦載直升機(jī)。

時(shí)光跨入21世紀(jì)，無人駕駛技術(shù)的逐步成熟促使美國海軍再一次審視昔日的垂直起降飛機(jī)想法。當(dāng)無人直升機(jī)再次成為美國軍艦上的一員時(shí)，時(shí)間已經(jīng)過去了30年，而這次的主角是諾格公司的MQ-8B“火力偵察兵”戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)系統(tǒng)。然而，隨著海上作戰(zhàn)需求的不斷變化，MQ-8B逐漸暴露出在總體尺寸方面的不足，促使諾格公司通過工程改進(jìn)途徑發(fā)展出MQ-8C無人直升機(jī)，以滿足美國海軍對于?；谐瘫O(jiān)視平臺的迫切需求。新一代“火力偵察兵”極大地增加了作戰(zhàn)半徑和續(xù)航時(shí)間，執(zhí)行任務(wù)時(shí)間達(dá)到原有的3倍，而且可以搭載更多的任務(wù)載荷，具有更強(qiáng)的情報(bào)搜集能力。

盡管如此，當(dāng)前的各項(xiàng)技術(shù)依舊存在著諸多局限，無法滿足美國海軍在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)施機(jī)載ISR和空中打擊移動(dòng)目標(biāo)的作戰(zhàn)需求。比如，直升機(jī)存在著相對有限的飛行距離和續(xù)航時(shí)間，固定翼飛機(jī)和無人機(jī)可以飛得更遠(yuǎn)和在空中持續(xù)飛行更長時(shí)間，但是需要依賴于航空母艦或陸上基地。建立這些基地或部署航空母艦需要具有實(shí)力的財(cái)政、外交和安全等承諾，無法與實(shí)施快速反應(yīng)協(xié)調(diào)一致。

研制計(jì)劃正式啟動(dòng)

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)和擴(kuò)大美國國防部的作戰(zhàn)選項(xiàng)，DARPA的科學(xué)家們開始拓寬思路，積極探索一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，嘗試為美國海軍發(fā)展出一種類似“捕食者”的中空長航時(shí)偵察與打擊平臺。這項(xiàng)計(jì)劃的目的是將無人機(jī)在海上甲板和陸上基地上作戰(zhàn)使用的優(yōu)勢有效地結(jié)合起來，設(shè)想采用較小的艦船作為中空長航時(shí)固定翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)起飛和降落的機(jī)動(dòng)平臺，為國防部提供可以在世界上任何一處海面上更容易部署和更快速地實(shí)施ISR和打擊的能力。

在這樣一種需求背景下，一項(xiàng)稱之為“戰(zhàn)術(shù)拓展偵察節(jié)點(diǎn)”的預(yù)研計(jì)劃正式浮出水面。盡管譯名頗有些拗口，但是DARPA在命名這項(xiàng)計(jì)劃時(shí)也頗費(fèi)思量，意在將英文縮寫TERN與每年長途遷徙數(shù)千英里的“燕鷗”（Tern）的名稱有機(jī)聯(lián)系起來，從而更加直觀地反映出艦載長航時(shí)無人機(jī)的特點(diǎn)。

2013年3月20日，DARPA在位于弗吉尼亞州阿靈頓會(huì)議中心專門舉辦了一次提案者見面會(huì)，以進(jìn)一步確定“燕鷗”計(jì)劃的技術(shù)目標(biāo)和了解潛在的參與者。針對未來的作戰(zhàn)需求，DARPA尋求設(shè)計(jì)、研制和驗(yàn)證一種中空長航時(shí)無人機(jī)及其相關(guān)自主發(fā)射和回收系統(tǒng)的各種方案。其中，無人機(jī)必須能攜帶272千克載荷，作戰(zhàn)半徑要達(dá)到1 110～1 660千米，而發(fā)射和回收系統(tǒng)必須適合于瀕海戰(zhàn)斗艦一類的軍艦和其它水面作戰(zhàn)艦船。

對此，DARPA負(fù)責(zé)此項(xiàng)計(jì)劃的經(jīng)理丹尼爾·帕特表示，世界上大約98%的陸地區(qū)域處在距離海岸線1 700千米范圍內(nèi)，小型艦船如果具備起降中空長航時(shí)無人機(jī)的能力，不僅將極大的拓展態(tài)勢感知能力，甚至還可以快速、靈活地在打擊陸地或水面上等熱點(diǎn)區(qū)域的目標(biāo)?？梢?，“燕鷗”計(jì)劃如果能如期發(fā)展出一種可在多種艦船甲板上使用的艦載固定翼無人機(jī)，必將對未來的海上航空力量產(chǎn)生革命性影響。

根據(jù)安排，DARPA將分三個(gè)階段實(shí)施“燕鷗”計(jì)劃，預(yù)計(jì)在40個(gè)月時(shí)間內(nèi)推出一架全尺寸原型機(jī)，最終完成艦上自主起飛和降落的驗(yàn)證試飛。在此期間，這項(xiàng)計(jì)劃面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：為飛行器研制一種可靠的起降技術(shù)，即使在波濤洶涌的海面上，仍然可以實(shí)現(xiàn)較大的無人機(jī)在較小的軍艦上起降；設(shè)計(jì)一種飛行器，在航程、續(xù)航時(shí)間和有效載荷方面都與當(dāng)前的陸基無人機(jī)相當(dāng)，同時(shí)還可以滿足海洋環(huán)境的使用要求；必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緊湊設(shè)計(jì)，以適合于艦上的有限空間。

2013年10月，DARPA分別授予了諾格公司、極光飛行科學(xué)公司、航空環(huán)境公司、卡特航空技術(shù)公司和海事應(yīng)用物理公司等5家承包商價(jià)值220萬～280萬美元的研究合同，用于發(fā)展各自的“燕鷗”概念。其中，極光飛行科學(xué)公司考慮在軍艦上加裝一種“側(cè)臂”裝置，捕獲類似于“捕食者”的無人機(jī)；卡特航空技術(shù)公司則在SR/C旋翼機(jī)的基礎(chǔ)上，著手發(fā)展一種無人駕駛飛行器概念。

設(shè)計(jì)方案脫穎而出

“燕鷗”計(jì)劃剛一推出就立即引起了美國海軍的濃厚興趣。在此之前，ONR曾經(jīng)資助AEROVEL公司發(fā)展了一種“彈性旋翼”（Flexrotor）遠(yuǎn)程無人機(jī)，可以像直升機(jī)一樣垂直起飛與降落，但當(dāng)時(shí)的技術(shù)尚不成熟，距離實(shí)用還存在一定距離。為了進(jìn)一步推動(dòng)?；h(yuǎn)程無人機(jī)的相關(guān)研制工作，美國海軍將目光轉(zhuǎn)向了尚處于概念定義階段的“燕鷗”計(jì)劃。

2014年6月12日，ONR與DARPA簽署了聯(lián)合研制“燕鷗”計(jì)劃的備忘錄，共同承擔(dān)“燕鷗”原型機(jī)的研制和測試資金，旨在探索可以在各型軍艦上廣泛使用的艦載中空長航時(shí)無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，以便盡快發(fā)展出一種滿足性能要求的原型機(jī)。對此，帕特表示，DARPA與美國海軍簽署協(xié)議是達(dá)成一系列目標(biāo)的最適當(dāng)途徑，在理想情況下，與ONR之間的合作模式可擴(kuò)展到其它DARPA計(jì)劃和其它軍種，有助于為軍方用戶提供突破性的作戰(zhàn)能力。

三個(gè)月后，DARPA在9月22日和24日分別將價(jià)值1 900萬美元的第二階段合同授予諾格公司和航空環(huán)境公司，用于技術(shù)成熟和風(fēng)險(xiǎn)降低方面的研究。從第二階段的設(shè)計(jì)方案來看，諾格公司當(dāng)時(shí)已經(jīng)提出了一個(gè)尾座式起降與水平飛行的組合構(gòu)型方案，在保證氣動(dòng)效率和穩(wěn)定性的前提下，通過增大機(jī)翼上反角和減小尾翼下反角，設(shè)計(jì)出一種近似X翼面的布局，再借助機(jī)翼中部延伸出的長支撐和尾翼翼尖安裝的短支撐，形成一種四平八穩(wěn)的支撐構(gòu)型，初步解決了在有限空間的甲板上起降的問題。

諾格公司推出這一方案后，立即獲得了DARPA和ONR的青睞。于是，DARPA在2015年9月22日就提前告知航空環(huán)境公司，其提交的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)落選。但DARPA并未立即宣布諾格公司已經(jīng)贏得了“燕鷗”計(jì)劃的第三階段合同，而是提出了更多的修改建議，要求諾格公司在初步方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)型設(shè)計(jì)，以便獲得更好的總體性能。

2015年12月11日，諾格公司在加利福尼亞州的帕姆代爾舉行了一個(gè)預(yù)研項(xiàng)目發(fā)布會(huì)，不僅透露了第六代戰(zhàn)斗機(jī)的全新設(shè)計(jì)概念，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了使用激光武器摧毀目標(biāo)的能力，同時(shí)還展示了“燕鷗”無人機(jī)的縮比模型，令到場的記者們聯(lián)想起上世紀(jì)50年代曾經(jīng)曇花一現(xiàn)的XFY-1驗(yàn)證機(jī)。

早在1950年，美國海軍基于二戰(zhàn)期間的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，發(fā)起了一種輕小型垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)競爭，希望設(shè)計(jì)一種尾部支架或者垂直升力器，這樣就不再需要跑道，可以直接在貨船上起飛和降落。在這一背景下，護(hù)航戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃誕生了。經(jīng)過初步評估，美國海軍決定由康維爾公司和洛克希德公司分別制造兩架原型機(jī)，以驗(yàn)證尾座式垂直起降技術(shù)是否切實(shí)可行。但是，試飛結(jié)果表明這種垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，最終停止了研制和試飛。盡管如此，XFY-1原型機(jī)的設(shè)計(jì)理念得以傳承，在時(shí)隔近70年后再次吸引了今天的設(shè)計(jì)師，有可能夢想成真。

總體構(gòu)型初露端倪

從MQ-8B、MQ-8C到X-47B驗(yàn)證機(jī)，諾格公司先后為美國海軍水面戰(zhàn)艦研制了不同類型的無人機(jī)，已經(jīng)成為艦載無人機(jī)領(lǐng)域的“領(lǐng)頭羊”。從最新公開的想像圖來看，“燕鷗”無人機(jī)更是大膽創(chuàng)新，首次將飛翼與尾翼融為一體，構(gòu)成一種“十字”型尾座，突破了最初方案中氣動(dòng)性能方面的限制。

首先，諾格公司充分利用了自身積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)方案中采用了大展弦比飛翼構(gòu)型，翼展大約12.2米。這種布局可以順其自然地充分利用空氣動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)性能和隱身性能的最佳優(yōu)化，是一個(gè)非常接近于完善設(shè)計(jì)的形狀。而且，飛翼布局不僅可以明顯降低飛行阻力，在內(nèi)部燃油量一定的條件下，能大大增加飛機(jī)的航程，而且省去了相關(guān)的結(jié)構(gòu)材料和操縱機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)重量顯著減輕。

這種飛翼采用了中等后掠角的前緣，在后緣設(shè)計(jì)有超大面積的副翼和襟翼，不僅有效保證了基本的飛行控制能力，更重要的是在飛行模式轉(zhuǎn)換時(shí)可以產(chǎn)生更大的操縱力矩，安全、高效地實(shí)現(xiàn)姿態(tài)過渡。同時(shí)，兩個(gè)垂尾的后緣也設(shè)計(jì)有舵面，有助于更好地控制橫向穩(wěn)定性。

其次，諾格公司為“燕鷗”選擇了垂直起降方式，以滿足小型軍艦的作戰(zhàn)使用要求。它的機(jī)頭裝有大型對轉(zhuǎn)螺旋槳，在垂直起飛和降落時(shí)提供升力，在水平飛行時(shí)提供拉力。這樣，該機(jī)可以像直升機(jī)一樣垂直起飛，然后過渡到水平飛行，再轉(zhuǎn)換到直升機(jī)模式，緩慢降落在軍艦甲板上。從圖中比例來看，螺旋槳的直徑幾乎達(dá)到了翼展的一半，估計(jì)超過6米。

仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，“燕鷗”只在飛翼右側(cè)前緣靠近螺旋槳槳彀的位置設(shè)計(jì)了一個(gè)進(jìn)氣道，通過位置和尺寸來判斷，應(yīng)該采用了一臺渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，但具體型號尚未確定。據(jù)諾格公司介紹，通用電氣航空動(dòng)力將為原型機(jī)提供優(yōu)異的推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)。

至關(guān)重要的是，“燕鷗”采用了全新設(shè)計(jì)的尾座式支撐方式。具體來看，該方案在飛翼后部的上、下表面分別設(shè)計(jì)了一個(gè)垂尾，形成了十字構(gòu)型，通過在上下垂尾翼尖處及飛翼左右后緣的2/3翼展位置分別設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)輪，從而構(gòu)成了一個(gè)四點(diǎn)式起落架。作為一架技術(shù)原型機(jī)，“燕鷗”采用了不可收放式機(jī)輪，在水平飛行時(shí)難免產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，勢必會(huì)影響到續(xù)航性能。因此，該型無人機(jī)如果能投入生產(chǎn)，應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化起落裝置。

按照DARPA提出的設(shè)計(jì)要求，“燕鷗”必須在驅(qū)逐艦或更小的艦船上實(shí)現(xiàn)起降，同時(shí)，美國海軍還要求無人機(jī)系統(tǒng)可以在最低的軍艦改裝要求下投入使用。毫無疑問，“燕鷗”的龐大翼展在狹小的軍艦內(nèi)部幾乎無容身之地，因此諾格公司在它的2/3翼展處設(shè)計(jì)了機(jī)翼折疊裝置，盡可能適應(yīng)艦上的有限空間。

研制試飛尚需時(shí)日

根據(jù)合同條款，諾格公司領(lǐng)導(dǎo)的研制團(tuán)隊(duì)還將自行投入3 900萬美元資金，使第三階段總經(jīng)費(fèi)達(dá)到1.32億美元。目前，憑借著日益精密的傳感器和計(jì)算機(jī)，固定翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直起降是并非難事。從研制工作來看，“燕鷗”計(jì)劃能否獲得成功取決于垂直起降模式于水平飛行模式之間的順利過渡和可靠轉(zhuǎn)換。

據(jù)諾格公司的研究、技術(shù)和先進(jìn)設(shè)計(jì)部門的副總裁克里斯·埃爾南德斯介紹，研制人員針對降落已經(jīng)完成了指引、導(dǎo)航和控制等方面的多項(xiàng)仿真工作。從水平飛行模式轉(zhuǎn)換為垂直降落模式時(shí)，“燕鷗”將增大攻角并上仰，從而允許螺旋槳產(chǎn)生的拉力可以控制垂直降落的速度。從今年1月開始，諾格公司的研制團(tuán)隊(duì)將著手“燕鷗”方案的風(fēng)洞試驗(yàn)，以獲得第一手的工程數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證此前有關(guān)這種設(shè)計(jì)概念的分析工作。

按照第三階段合同，諾格公司領(lǐng)導(dǎo)的研制團(tuán)隊(duì)將制造完成一架“燕鷗”全尺寸原型機(jī)，用于技術(shù)驗(yàn)證和性能測試。如果地面試驗(yàn)獲得成功，2017年11月前，諾格公司將利用停泊于太平洋的一艘駁船或退役軍艦上驗(yàn)證這種戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)是否達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)性能。

具備突破技術(shù)能力的多用途艦載無人機(jī)一旦問世，將極大提高各型軍艦的感知、傳送和連通能力，為大洋上的艦隊(duì)指揮官提供實(shí)時(shí)的情報(bào)信息。特別值得注意的是，諾格公司在展出的縮比模型中，突出顯示了機(jī)翼下部外掛點(diǎn)上將攜帶最新型的“聯(lián)合空對地導(dǎo)彈”（JAGM），凸顯出其具有一定的精確打擊能力，將在定點(diǎn)清除目標(biāo)時(shí)顯示威力。