舰载无人作战飞机发展策略分析

无 人 机 本文 2011-12-19 收到，作者分别系北京航空航天大学航空科学与学院博士生、博士生、教授 舰载无人作战飞机发展策略分析 鲍君波 蒙文巩 武 哲 摘 要 以美国 X-47 系列无人 作战飞机的发展为主线，介绍了美国 海军舰载无人作战飞机从概念开始到 首次试飞成功的发展历程。叙述了 J-UCAS计划、UCAS-D 计划的演变， 分析了 X-47 系列无人作战飞机的布 局变化过程及其变化原因，在此基础 上提出了此类舰载无人作战飞机的发 展策略及其设计要点。 关键词 舰载无人作战飞机 X-47 发展策略 引 言 随着技术的逐步成熟，无人 机在民用和军用领域发挥的作用 越来越大。在最近几次局部战争 中，不同类型的无人机都有十分 出色的表现，这引起了各国政 府、军方和研究机构的极大重 视。无论是航空强国还是航空技 术基础相对薄弱的国家，都投入 到了无人机研制的热潮中。文中 所介绍的无人作战飞机是一种未 来作战飞机概念，将代替有人作 战飞机执行一些常规的或者特殊 的任务，其系统功能综合而全 面。这种飞机科技含量高、研制 成本高、研制风险大，没有一定 的航空技术基础和雄厚的经济实 力将无法顺利达成这个目标。美 国的此项研制工作启动较早，并 且已经取得了一定的进展，欧洲 也基本完成了概念论证工作，俄 罗斯按照其自己的独特思路也走 出了一条发展之路。X-47B 的成 功首飞，说明美国的联合无人作 战航空系统(J-UCAS)计划和无 人作战飞机舰载验证(UCAS-D) 计划都已经取得了突破性的进 展，这对于未来无人作战飞机的 研究具有很大的借鉴作用。本文 着眼于未来舰载无人作战飞机概 念，以 X-47 系列机型的发展为 主线，着重介绍了美国舰载无人 作战飞机的发展过程。在此基础 上提出了此类飞机的发展策略及 其具体机型的设计要点。 1 美国舰载无人作战飞机发展 历程 美国在无人机技术研究以及 军事应用方面的探索由来已久， 其军用无人机在最近几次局部战 争中的出色表现更是引人注目。 从 20 世纪末开始连续发起了几 项对未来无人作战飞机的研究计 划，这些计划具有很好的连续 性，不断地推进其无人作战飞机 研究向前发展。随着美国海军的 X-47B型的试飞成功，我们可以 认为对此项技术的研究已经取得 了突破性进展，达到了世界领先 水平。 1． 1 UCAV-N 计划下 X-47 系列 的发展 随着航空科学技术的发展， 具有高效气动特性和优良隐身性 能的无尾飞翼布局再次成为无人 作战飞机研究的热点。美国空军 和海军看到了这种新型航空武器 的潜能，于 20 世纪末分别提出 了各自对于未来无人作战飞机的 需求。在国防高级研究计划局 (DARPA)的牵引下，美国空军 和波音公司联合发起了 UCAV 计划，美国海军和诺格公司联合 发起了 UCAV-N计划。这两个计 划产生了各自的未来无人作战飞 机的最初概念，分别是 X-45A和 X-47A，见图 1 和图 2。 1999 年，DARPA 和海军发 起了旨在探索海基无人作战飞机 概念和技术的项目，定名为 Navy UCAV或者 UCAV-N。该计划第 1 阶段定义了一个海军无人作战 航空系统(UOS-N)的 2015 年时 间框架，同时定义了一个近期的 海军无人作战航空器验证系统 (UDS-N)项目，这个项目将验证 关键技术和降低 UOS-N 的风险。 最初的设计空间包括在有飞机起 ·35·飞航导弹 2012 年第 4 期 无 人 机 图 1 波音公司的 X-45A 图 2 诺格公司的 X-47A 图 3 “弯折风筝”布局 降能力的舰船的垂直起降操作， 也包括在航母上的常规发射和捕 获操作。任务目标包括持久的情 报、监视和侦察(ISR) ，打击和 对敌防空系统压制(SEAD)。由 此可见，对于 UCAV-N 计划来 说，所得到的方案应该具有大的 航程和航时、大的传感器和武器 装载能力以及高的生存力。在这 样的要求下，“风筝”(X-47A)布 局成为该计划的开端，这架无人 机于 2003 年 2 月在位于加利福 尼亚中国湖的海军航空武器站完 成了试飞。在此过程中，诺格公 司自己出资发起并完成了这种无 人驾驶非常规外形飞行器在航母 上起飞和着陆的验证。 X-47A布局适合于完成打击 和 SEAD 任务，但对于长航时 ISR任务来说却不是最好的，这 是因为舰载兼容性限制了它的翼 展和展弦比，从而限制了它的升 阻比。很靠前的气动中心决定了 其重心位置也很靠前，这造成燃 油和可消耗载荷的可用内部容积 受到限制，因为它们需要布置在 接近重心的位置，以使由于它们 的消耗造成的配平偏转角最小 (为了降低阻力和改善生存力)。 为了解决这些问题，在“风筝”的 基础上增加了外翼段产生了“弯 折风筝”的形状，如图 3 所示。 外段的前缘和后缘掠角设置 为彼此相等且等于“风筝”的后 缘掠角，这样“风筝”变成了中央 机体。因为可以从中央机体上分 离，外段能够相对中央机体进行 滑动和改变大小，以便达到期望 的气动中心和重心的位置关系。 最重要的是，站在舰载适宜性的 立场，与“风筝”构型相比较，具 有小后掠角的外段允许飞机以更 大的攻角接近母舰，而大后掠角 构型在这样的攻角下将接近上仰 边界。攻角的增加获得减小的动 力接近空速和回收逆风。“弯折 风筝”形状增加了翼展和展弦 比，这使得巡航升阻比与商用喷 气客机不相上下。最初的“弯折 风筝”UCAV-N的设计是在2000 ·45· 飞航导弹 2012 年第 4 期 无 人 机 图 4 最初的“弯折风筝”设计和特征风洞模型 图 5 母舰兼容性示例 图 6 UOS-N(左)和 UDS-N(右)的比较 年秋天完成的，1 ∶32 的特征(符 合相似原理)模型于 2001 年 1 月 在诺格公司的低速风洞中进行了 测试，见图 4。 母舰兼容性对 UCAV-N 设 计来说是一个首要的驱动力， “弯折风筝”的形状相对很多常 规布局具有一些优势。通过机翼 弯折外段的折叠，可以实现具有 小的联合甲板部署因子(小于 F / A-18C)的紧凑部署。外翼段较小 的相对尺寸减小了机翼折叠起来 的高度，也减小了折叠操作中遭 受风载的“帆面积”。这个布局与 海军关于航空武器系统的 SD- 24M标准的设计要求相一致;母 舰兼容性设计驱动的示例如图 5 所示。 如前所述，UCAV-N 计划的 第 1 阶段包括定义一个具有初始 作战能力的海军无人作战飞机作 战系统(UOS-N)的 2015 年时间 框架，同时有一个更近期的海军 无人作战飞机验证系统(UDS- N) ，这将验证作战系统的关键 技术和降低其风险，其形状见图 6。 UOS-N 期望充分利用先进 技术，包括轻质量、单元化结 构、“更电气化”驱动、综合动力 和冷却，以及以应用商用衍生推 进系统实现降低单位燃油消耗率 和更长的航时。诺格公司的 UDS-N 设计是为了验证低速飞 行品质和对于母舰操作的着陆漂 移要求，它不打算具有作战能力 (但是包括传感器和武器舱的验 证)。在尺寸和形状上 UDS-N 与 UOS-N相匹配，具有全复合材料 粘合的机体结构、A-6E 和 F /A- 18C的起落架、不封闭的 F-14 的 捕 获 钩、普 拉 特 · 惠 特 尼 PW308C涡轮风扇发动机、其布 局和排气孔都类似于 X-47A，采 用了简单圆柱形尾喷管，应用快 速原型机制造。 1． 2 J-UCAS计划 2003 年春，UCAV-N 计划经 历了一次转变，空军和海军的无 人作战飞机研究成果被合并为联 合无人作战航空系统计划，以达 到利用公共的技术和系统功能的 目 的。 DARPA 和 军 队 希 望 J-UCAS成为一个提供作战能力 螺旋上升的验证系统，这就要求 重新设计 UDS-N，定名为 X- 47B。建立了关于有效载荷、航 程、航时、陆基作战的战场表现 ·55·飞航导弹 2012 年第 4 期 无 人 机 图 7 J-UCAS最初布局 和舰载作战的发射 /回收性能的 公共性能目标。为了处理海军关 于未检测到的胶黏剂不粘和灾难 性故障的结构认证问题，采用常 规的机械加工金属框架带机械固 定复合材料蒙皮代替了粘接全复 合材料结构方法。为了降低费用 和进度风险，A-6E 的起落架最 初被保留，但是研制了新的全封 闭的捕获钩。两个内部武器舱被 优化到每个携带 907 kg 联合直 接攻击弹药的水平，传感器舱布 置在武器舱前面，因此，即使武 器舱被储备的或额外的燃油占据 也保留有 ISR任务能力。选择了 普拉特·惠特尼 F100-PW-220 衍生的无加力涡轮风扇发动机， 因为它是高推力和中等单位燃油 消耗率的结合体，翼展从 17． 6 m 放大到 18． 8 m，同时保持平面形 状和展弦比不变，以维持先前空 气动力风洞测试的关联性。独特 的机翼折叠设计将折叠机构完全 包括在外模线轮廓内，而不需要 外部铰链和连带的模线突出。布 局保留了 UDS-N 简单的飞行控 制操纵装置，包括内侧的升降副 翼、外侧的副翼和上表面扰流 板;将俯仰、滚转和偏航控制以 及接近母舰时偏置直接控制升阻 比混合到一起。因为诺格公司的 设计开始就聚焦于海军，并且是 在母舰兼容性约束下进行设计 的，这个布局不需要像一个空军 优化的陆基起飞设计那样进行基 础的重新设计。“弯折风筝”形状 的高升阻比也有利于空军打击和 SEAD 任务的陆基航程和航时， 这个设计包括适用于空军油管式 空中加油的接收器，也包括适用 于海军从漏斗形软管结构进行空 中加油的探管。J-UCAS 最初布 局形式见图 7。 2004 年初，J-UCAS 计划从 技术验证扩展为包括作战能力验 证，X-47B布局又经历了一次迭 代以改进其执行可能的作战评估 (OA)任务的适宜性。外模线轮 廓进行了改进，进气口进行了重 新布置，按照期望的作战质量、 接近空速和着陆下沉速度综合优 化了新设计的起落架，取代了原 来的 A-6E的起落架。J-UCAS 作 战评估布局结果如图 8 所示。 更进一步的设计细化综合了 翼尖的修正，这种修正对副翼外 侧尖端提供了保护，改善了结构 刚度，增加了升力和控制力，改 善了翼载荷分布，降低了阻力和 向后移动了空气动力中心以改善 静稳定裕度。翼展维持 18． 8 m， 但机翼面积增加了 2． 8%(见图 9)。空气动力设计和飞行控制器 实现方法以及嵌入式大气数据系 统的静态端口的最终选择，都是 通过连续的低速和高速风洞测试 完成的。风洞数据显示出其具有 利于长航程 /航时的高升阻比和 良好的低速飞行品质，在母舰接 近攻角下具有接近线性的低速俯 仰稳定性和本质上中立的侧向稳 定性。 在 J-UCAS 计划进程中，波 音公司的 X-45 系列也得到了极 大发展，因其不是本文介绍的重 点，在此不作详述。最终由于空 军和海军在目标要求上难以达成 一致等原因，2006 年的四年防务 评论宣布终止 J-UCAS 计划，由 空军已经启动的长航程战略轰炸 机计划取而代之，但这个计划在 海军单独进行的 UCAS-D计划中 得到了延续。 1． 3 N-UCAS计划和 UCAS-D 2006 年的四年防务评论报 告中提到，提供更大的在目标区 外的能力，扩展载荷和发射选 项，增加海军的可达性和持久 性。为了回应这个评论报告， J-UCAS计划进行了调整，产生了 ·65· 飞航导弹 2012 年第 4 期 无 人 机 图 8 J-UCAS作战评估布局 图 9 J-UCAS作战评估形状的修正 图 10 X-47B首飞 航母使用的海军无人作战航空系 统(N-UCAS)计划，其成果包括 无人作战航空系统舰载验证计 划，以发展和验证未来可舰载 UAS的关键技术，X-47B 是两个 竞争的设计之一。在保持传感器 和武器舱容积的条件下，为了降 低费用和进度风险，进行了设计 简化。这些简化包括: 1)用可拆装的盖子代替武 器舱的驱动舱门; 2)用没有门的敞开空腔代 替封闭的捕获钩; 3)简化排气管简化的排气 管需要轻微改变外模线，这些改 变限制在风洞模型支架 /通气管 保护罩的等效边界内，避免了前 面的风洞测试失效; 4)由于新的外模线轮廓和 排气装置造成的空气动力增量由 计算流体动力学(CFD)分析得 到; 5)辅助动力系统的进气和 排气口进行了简化，且固定在打 开的位置; 6)常规的、现成的天线代替 保形天线完成通信、导航和识别 功能。 2007 年 8 月，X-47B 被选中 继续研制和验证 UCAS-D 计划， 2011 年 2 月 4 日在爱德华兹空 军基地的空军飞行测试中心进行 了首飞(见图 10)。 2 舰载无人作战飞机发展策略 美国无人作战飞机的发展历 程很值得我们借鉴，可以从中提 炼出开展此类研究计划的一些策 略，也可以从 X-47 系列飞机的 演变过程中得到一些关于此类飞 机的设计要点，现分述如下。 2． 1 无人作战飞机应该遵循的 发展原则 应该具有一个统一的管理部 门，类似于美国的 DARPA，负责 牵引和组织此类研究计划的开展， 以期更合理地使用经费;由使用方 联合管理部门和研制机构共同提 出未来需求，这个要求应该是不断 发展、循序渐进的，并且三方应该 ·75·飞航导弹 2012 年第 4 期 无 人 机 一直保持有效的沟通。 应该确定一个明确的发展规 划，使得此类计划能够有步骤、 有顺序地进行，例如美国的无人 机发展路线图。这个路线图不是 一成不变的，要根据已经取得成 果和认知程度不断的改进，将有 利于提高规划的合理性。 应该尽量从简单的、基础 的、通用的技术开始做起，管理 部门、使用方和研制机构都应该 注意研制过程中起步阶段或中间 阶段费用和进度风险的控制。如 使用尽量简单的结构，使用已有 的部件，尽量使用货架产品，尽 量使用现有的发动机或对其稍加 改动。风洞测试数据是十分珍贵 的，要慎重地进行风洞试验，在 规划和布局的改进过程中也应该 尽量考虑到前后的关联性，提高 风洞测试数据的通用性。所得到 的技术成果应该有利于下一步计 划的制定和继续研究的深入。 尽量避免两个不同的使用方 共同参与同一个计划需求的制 定，因为双方的需求是难以协调 的，这样最终得到的结果对双方 来说可能都是不合适的，美国的 J-UCAS计划可能也正是因此而 不得以终止的;但在一定阶段内 可以综合双方的力量，研究一些 可共用的关键技术，这能够对计 划的开展起到强有力的促进作 用，如 J-UCAS计划也取得了令 人惊叹的成果。 在计划的发展中要引入合 理的竞争机制，如波音公司的 X-45 系列与诺格公司的 X-47 系列之间的竞争。波音公司强 有力的竞争使得诺格公司不得 不与洛马公司合作开发 X-47B， 这无疑增强了计划实施过程中 的技术实力。 2． 2 舰载无人作战飞机的设计 要点 母舰兼容性是一个首要的设 计驱动力，在设计之初就要对此 问题高度重视; 任务要求的长航程 /航时需 要的高升阻比与母舰兼容性的矛 盾处理; 适合于舰载起飞和着陆的低 速飞行品质要求; 适合于舰载起飞和着陆的特 殊结构要求; 大的传感器和武器载荷要 求，未来舰载无人作战飞机应该 做到 2 t左右的有效装载; 腐蚀性盐水环境的考虑; 舰上强电磁干扰环境的考 虑。 3 结束语 沿着 X-47 系列无人作战飞 机的演化进程介绍了美国的 UCAV-N、 J-UCAS、UCAS-N 和 UCAS-D计划，在此基础上总结 了未来无人作战飞机应该遵循的 发展原则和舰载无人作战飞机的 一些设计要点。希望能为相关管 理部门和研制机构带来一点启 示，以便顺利推进国防现代化， 早日跻身世界强国行列。 参考文献 ［1］ 陈少春，魏国福． 从巴黎航展看 世界无人机技术发展． 飞航导 弹，2011(9) :1-7 ［2］ 宫朝霞，胡冬冬． 美国空军未来 40 年无人机系统发展规划． 飞 航导弹，2011(1) :23-29 ［3］ John R Whittengury． Configura- tion Design Development of the Navy UCAS-D X-47B． AIAA 2011-7041 ［4］ Kevin A Wise． X-45 Program O- verview and Flight Test Status． AIAA 2003-6645 ［5］ 张洋，高紀朝，周昊，等． X- 47B———美国海军舰载无人战斗 机． 飞航导弹，2009(1) :12-14 ［6］ Joint Unmanned Combat Air Sys- tems． 2011-12-13， http:/ /en． wikipedia． org /wiki / J-UCAS ［7］ Northrop Grumman X-47A Pega- sus． 2011-12-17， http:/ /en． wikipedia． org /wiki /Northrop _ Grumman_X-47A_Pegasus ［8］ Northrop Grumman X-47B． 2011- 12-5，http:/ /en． wikipedia． org / wiki /Northrop_Grumman_X-47B ［9］ Boeing X-45． 2011-12-13，http:/ / en． wikipedia． org /wiki /Boeing_X- 45 ·85· 飞航导弹 2012 年第 4 期