“飛行汽車”

田雨波+劉勁華+李麗

美軍歷來重視無人駕駛飛行器研發(fā)和運(yùn)用，先后推出十余種軍用無人機(jī)投入戰(zhàn)場前沿部署，成為世界公認(rèn)的無人系統(tǒng)大國。同時(shí)，美軍對于新型無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，以全新的垂直起降能力適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的超前嘗試。

“黑騎士”開啟飛行汽車研發(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，美國國防部高級研究計(jì)劃署（DARPA）投資高達(dá)5000萬美元，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，制造相對簡單，能夠嵌入模塊化載荷，讓戰(zhàn)場上的“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)，美國陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)特種武器中心、波士頓動力公司、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9.45米，寬5.79米，高2.44米，機(jī)身位置的機(jī)艙長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)練飛行測試，但是上述這些理論上的數(shù)字很多都沒有來得及實(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，美國國防部高級研究計(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。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動力，在發(fā)動機(jī)故障的情況下也能安全著陸。軸轂采用萬向節(jié)（云臺式）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)探測器，分別探測飛行器在（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（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)器用來巡航飛行，全動穩(wěn)定尾翼也用來提升巡航時(shí)的飛行控制。“變形者”還安裝了全自動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)動機(jī)，用于向巡航飛行提供動力。另外配備有Terrafugia公司的輔助動力系統(tǒng)，在地面機(jī)動時(shí)采用四輪驅(qū)動模式，能夠保證在復(fù)雜地形條件下作戰(zhàn)時(shí)進(jìn)行長途全地形機(jī)動，行駛起來也擁有良好的靜音性能。發(fā)動機(jī)艙外殼的緩沖區(qū)安裝有Terrafugia公司研發(fā)的符合國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，美國國防部高級研究計(jì)劃署首次對外披露了“戰(zhàn)神”項(xiàng)目。“戰(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)對非對稱作戰(zhàn)對手伏擊戰(zhàn)術(shù)和“簡易爆炸裝置”（IED）的威脅?！皯?zhàn)神”項(xiàng)目來自于美軍實(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、營救和傷員轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

國防部高級研究計(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)通過手中的移動戰(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)成一種無人系統(tǒng)，未來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)是開發(fā)垂直起降功能，也就是先讓“戰(zhàn)神”飛起來，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人駕駛飛行器。

從臭鼬工廠公開的“ARES”概念圖來看，這種飛行器設(shè)計(jì)了一對可傾轉(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性能，內(nèi)部空間還設(shè)置了主要的飛行系統(tǒng)：包括動力裝置、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臺渦輪軸發(fā)動機(jī)，通過一個(gè)組合式齒輪箱和交叉軸來驅(qū)動兩個(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，借助于來自動力裝置的高壓空氣，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，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，因此未來可以掛載很多種模塊，變身成飛行汽車并不是問題。

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，使這種未來無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)模塊相對簡單，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)。在未來戰(zhàn)場上，作戰(zhàn)型“戰(zhàn)神”最大起飛重量將達(dá)到3145千克，通過自主導(dǎo)航系統(tǒng)飛行到預(yù)定作戰(zhàn)地域，同時(shí)自動規(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

作為一種新概念的武器系統(tǒng)，“戰(zhàn)神”適應(yīng)了未來軍用航空系統(tǒng)多用途、全地形的發(fā)展趨勢，體現(xiàn)了美軍武器裝備研發(fā)的前瞻性思維。美國國防部計(jì)劃在2016年接受安裝貨艙模塊的“戰(zhàn)神”，未來達(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)可靠性和可采購性，相信在不遠(yuǎn)的將來就能達(dá)成項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)。