立式起降——诺格公司“燕鸥”中空长航时舰载无人机

　　2015年12月24日，美国国防部先进研究项目局（DARPA）和美国海军研究办公室（ONR）宣布，将价值9 310万美元的“战术拓展侦察节点”（TERN）计划的第三阶段合同正式授予诺格公司，由航空航天系统分部负责设计、制造和测试一架全尺寸无人驾驶原型机，旨在验证这种全新设计的垂直起降（VTOL）飞行器具备在“阿利·伯克”级驱逐舰或濒海战斗舰等小型舰船上自由起降的能力。

　　从装备发展来看，DARPA和美国海军正在通过概念定义、技术成熟和系统验证等三个阶段，致力于打造出一种“捕食者”级别的中空长航时舰载无人机，尝试将现役小型军舰变身为无人机航母，从而极大地拓展美国海军的空中侦察与打击能力。如果研制工作顺利，最终投入生产的无人机将陆续装备到美国海军的各种军舰上，承担起情报、监视和侦察（ISR）任务，并可以对敌方小型目标实施有效打击。

　　垂直起降成为梦想

　　长期以来，美国海军一直渴望将垂直起降飞机部署到更多的军舰上，然而复杂的关键技术和高昂的采购成本一直成为这种作战平台无法研制成功的“拦路虎”。从第二次世界大战结束到冷战时期，美国海军先后尝试过多种垂直起降技术，但大都半途而废。

　　20世纪50年代初，美国海军曾经雄心勃勃地认为，可以在货船上配备一种立式垂直起降战斗机执行护航任务，并选择康维尔公司和洛克希德公司分别制造了XFY-1和XFV-1垂直起降原型机。然而，试飞结果表明，推进装置和控制系统在技术上都不够成熟，甚至近乎于危险，最终不得不放弃。其后20年间，美国海军还提出了V/STOL-A和V/STOL-B的设想，甚至还贸然研制过XFV-12A超音速垂直起降舰载战斗机，最后都无果而终。

　　在此期间，美国海军曾经在60年代研制出遥控的QH-50无人反潜直升机（DASH），并将其部署在驱逐舰上，但是性能无法达到预期。1970年，美国海军无奈取消了无人机队的部署计划。80年代，美国海军仍然没有放弃让高性能作战飞机从小型军舰的甲板上自由起降的梦想，但是经过数十年间摸索和努力，意识到当前技术的局限性，只好将垂直起降的一部分能力赋予了舰载直升机。

　　时光跨入21世纪，无人驾驶技术的逐步成熟促使美国海军再一次审视昔日的垂直起降飞机想法。当无人直升机再次成为美国军舰上的一员时，时间已经过去了30年，而这次的主角是诺格公司的MQ-8B“火力侦察兵”战术无人机系统。然而，随着海上作战需求的不断变化，MQ-8B逐渐暴露出在总体尺寸方面的不足，促使诺格公司通过工程改进途径发展出MQ-8C无人直升机，以满足美国海军对于海基中程监视平台的迫切需求。新一代“火力侦察兵”极大地增加了作战半径和续航时间，执行任务时间达到原有的3倍，而且可以搭载更多的任务载荷，具有更强的情报搜集能力。

　　尽管如此，当前的各项技术依旧存在着诸多局限，无法满足美国海军在任何时间、任何地点实施机载ISR和空中打击移动目标的作战需求。比如，直升机存在着相对有限的飞行距离和续航时间，固定翼飞机和无人机可以飞得更远和在空中持续飞行更长时间，但是需要依赖于航空母舰或陆上基地。建立这些基地或部署航空母舰需要具有实力的财政、外交和安全等承诺，无法与实施快速反应协调一致。

　　研制计划正式启动

　　为了应对这些挑战和扩大美国国防部的作战选项，DARPA的科学家们开始拓宽思路，积极探索一些创新设计，尝试为美国海军发展出一种类似“捕食者”的中空长航时侦察与打击平台。这项计划的目的是将无人机在海上甲板和陆上基地上作战使用的优势有效地结合起来，设想采用较小的舰船作为中空长航时固定翼无人机实现起飞和降落的机动平台，为国防部提供可以在世界上任何一处海面上更容易部署和更快速地实施ISR和打击的能力。

　　在这样一种需求背景下，一项称之为“战术拓展侦察节点”的预研计划正式浮出水面。尽管译名颇有些拗口，但是DARPA在命名这项计划时也颇费思量，意在将英文缩写TERN与每年长途迁徙数千英里的“燕鸥”（Tern）的名称有机联系起来，从而更加直观地反映出舰载长航时无人机的特点。

　　2013年3月20日，DARPA在位于弗吉尼亚州阿灵顿会议中心专门举办了一次提案者见面会，以进一步确定“燕鸥”计划的技术目标和了解潜在的参与者。针对未来的作战需求，DARPA寻求设计、研制和验证一种中空长航时无人机及其相关自主发射和回收系统的各种方案。其中，无人机必须能携带272千克载荷，作战半径要达到1 110～1 660千米，而发射和回收系统必须适合于濒海战斗舰一类的军舰和其它水面作战舰船。

　　对此，DARPA负责此项计划的经理丹尼尔·帕特表示，世界上大约98%的陆地区域处在距离海岸线1 700千米范围内，小型舰船如果具备起降中空长航时无人机的能力，不仅将极大的拓展态势感知能力，甚至还可以快速、灵活地在打击陆地或水面上等热点区域的目标。可见，“燕鸥”计划如果能如期发展出一种可在多种舰船甲板上使用的舰载固定翼无人机，必将对未来的海上航空力量产生革命性影响。

　　根据安排，DARPA将分三个阶段实施“燕鸥”计划，预计在40个月时间内推出一架全尺寸原型机，最终完成舰上自主起飞和降落的验证试飞。在此期间，这项计划面临的主要技术挑战包括：为飞行器研制一种可靠的起降技术，即使在波涛汹涌的海面上，仍然可以实现较大的无人机在较小的军舰上起降；设计一种飞行器，在航程、续航时间和有效载荷方面都与当前的陆基无人机相当，同时还可以满足海洋环境的使用要求；必须实现系统的紧凑设计，以适合于舰上的有限空间。

　　2013年10月，DARPA分别授予了诺格公司、极光飞行科学公司、航空环境公司、卡特航空技术公司和海事应用物理公司等5家承包商价值220万～280万美元的研究合同，用于发展各自的“燕鸥”概念。其中，极光飞行科学公司考虑在军舰上加装一种“侧臂”装置，捕获类似于“捕食者”的无人机；卡特航空技术公司则在SR/C旋翼机的基础上，着手发展一种无人驾驶飞行器概念。

　　设计方案脱颖而出

　　“燕鸥”计划刚一推出就立即引起了美国海军的浓厚兴趣。在此之前，ONR曾经资助AEROVEL公司发展了一种“弹性旋翼”（Flexrotor）远程无人机，可以像直升机一样垂直起飞与降落，但当时的技术尚不成熟，距离实用还存在一定距离。为了进一步推动海基远程无人机的相关研制工作，美国海军将目光转向了尚处于概念定义阶段的“燕鸥”计划。

　　2014年6月12日，ONR与DARPA签署了联合研制“燕鸥”计划的备忘录，共同承担“燕鸥”原型机的研制和测试资金，旨在探索可以在各型军舰上广泛使用的舰载中空长航时无人机关键技术，以便尽快发展出一种满足性能要求的原型机。对此，帕特表示，DARPA与美国海军签署协议是达成一系列目标的最适当途径，在理想情况下，与ONR之间的合作模式可扩展到其它DARPA计划和其它军种，有助于为军方用户提供突破性的作战能力。

　　三个月后，DARPA在9月22日和24日分别将价值1 900万美元的第二阶段合同授予诺格公司和航空环境公司，用于技术成熟和风险降低方面的研究。从第二阶段的设计方案来看，诺格公司当时已经提出了一个尾座式起降与水平飞行的组合构型方案，在保证气动效率和稳定性的前提下，通过增大机翼上反角和减小尾翼下反角，设计出一种近似X翼面的布局，再借助机翼中部延伸出的长支撑和尾翼翼尖安装的短支撑，形成一种四平八稳的支撑构型，初步解决了在有限空间的甲板上起降的问题。

　　诺格公司推出这一方案后，立即获得了DARPA和ONR的青睐。于是，DARPA在2015年9月22日就提前告知航空环境公司，其提交的设计方案已经落选。但DARPA并未立即宣布诺格公司已经赢得了“燕鸥”计划的第三阶段合同，而是提出了更多的修改建议，要求诺格公司在初步方案的基础上进一步优化构型设计，以便获得更好的总体性能。

　　2015年12月11日，诺格公司在加利福尼亚州的帕姆代尔举行了一个预研项目发布会，不仅透露了第六代战斗机的全新设计概念，重点强调了使用激光武器摧毁目标的能力，同时还展示了“燕鸥”无人机的缩比模型，令到场的记者们联想起上世纪50年代曾经昙花一现的XFY-1验证机。

　　早在1950年，美国海军基于二战期间的经验和教训，发起了一种轻小型垂直起降战斗机的设计竞争，希望设计一种尾部支架或者垂直升力器，这样就不再需要跑道，可以直接在货船上起飞和降落。在这一背景下，护航战斗机计划诞生了。经过初步评估，美国海军决定由康维尔公司和洛克希德公司分别制造两架原型机，以验证尾座式垂直起降技术是否切实可行。但是，试飞结果表明这种垂直起降战斗机存在较大的风险，最终停止了研制和试飞。尽管如此，XFY-1原型机的设计理念得以传承，在时隔近70年后再次吸引了今天的设计师，有可能梦想成真。

　　总体构型初露端倪

　　从MQ-8B、MQ-8C到X-47B验证机，诺格公司先后为美国海军水面战舰研制了不同类型的无人机，已经成为舰载无人机领域的“领头羊”。从最新公开的想像图来看，“燕鸥”无人机更是大胆创新，首次将飞翼与尾翼融为一体，构成一种“十字”型尾座，突破了最初方案中气动性能方面的限制。

　　首先，诺格公司充分利用了自身积累的丰富经验，在设计方案中采用了大展弦比飞翼构型，翼展大约12.2米。这种布局可以顺其自然地充分利用空气动力，从而实现气动性能和隐身性能的最佳优化，是一个非常接近于完善设计的形状。而且，飞翼布局不仅可以明显降低飞行阻力，在内部燃油量一定的条件下，能大大增加飞机的航程，而且省去了相关的结构材料和操纵机构，使结构重量显著减轻。

　　这种飞翼采用了中等后掠角的前缘，在后缘设计有超大面积的副翼和襟翼，不仅有效保证了基本的飞行控制能力，更重要的是在飞行模式转换时可以产生更大的操纵力矩，安全、高效地实现姿态过渡。同时，两个垂尾的后缘也设计有舵面，有助于更好地控制横向稳定性。

　　其次，诺格公司为“燕鸥”选择了垂直起降方式，以满足小型军舰的作战使用要求。它的机头装有大型对转螺旋桨，在垂直起飞和降落时提供升力，在水平飞行时提供拉力。这样，该机可以像直升机一样垂直起飞，然后过渡到水平飞行，再转换到直升机模式，缓慢降落在军舰甲板上。从图中比例来看，螺旋桨的直径几乎达到了翼展的一半，估计超过6米。

　　仔细观察可以发现，“燕鸥”只在飞翼右侧前缘靠近螺旋桨桨彀的位置设计了一个进气道，通过位置和尺寸来判断，应该采用了一台涡桨发动机，但具体型号尚未确定。据诺格公司介绍，通用电气航空动力将为原型机提供优异的推进系统技术。

　　至关重要的是，“燕鸥”采用了全新设计的尾座式支撑方式。具体来看，该方案在飞翼后部的上、下表面分别设计了一个垂尾，形成了十字构型，通过在上下垂尾翼尖处及飞翼左右后缘的2/3翼展位置分别设计一个机轮，从而构成了一个四点式起落架。作为一架技术原型机，“燕鸥”采用了不可收放式机轮，在水平飞行时难免产生气动阻力，势必会影响到续航性能。因此，该型无人机如果能投入生产，应该会进一步优化起落装置。

　　按照DARPA提出的设计要求，“燕鸥”必须在驱逐舰或更小的舰船上实现起降，同时，美国海军还要求无人机系统可以在最低的军舰改装要求下投入使用。毫无疑问，“燕鸥”的庞大翼展在狭小的军舰内部几乎无容身之地，因此诺格公司在它的2/3翼展处设计了机翼折叠装置，尽可能适应舰上的有限空间。

　　研制试飞尚需时日

　　根据合同条款，诺格公司领导的研制团队还将自行投入3 900万美元资金，使第三阶段总经费达到1.32亿美元。目前，凭借着日益精密的传感器和计算机，固定翼无人机实现垂直起降是并非难事。从研制工作来看，“燕鸥”计划能否获得成功取决于垂直起降模式于水平飞行模式之间的顺利过渡和可靠转换。

　　据诺格公司的研究、技术和先进设计部门的副总裁克里斯·埃尔南德斯介绍，研制人员针对降落已经完成了指引、导航和控制等方面的多项仿真工作。从水平飞行模式转换为垂直降落模式时，“燕鸥”将增大攻角并上仰，从而允许螺旋桨产生的拉力可以控制垂直降落的速度。从今年1月开始，诺格公司的研制团队将着手“燕鸥”方案的风洞试验，以获得第一手的工程数据，以验证此前有关这种设计概念的分析工作。

　　按照第三阶段合同，诺格公司领导的研制团队将制造完成一架“燕鸥”全尺寸原型机，用于技术验证和性能测试。如果地面试验获得成功，2017年11月前，诺格公司将利用停泊于太平洋的一艘驳船或退役军舰上验证这种战术无人机是否达到了预期设计性能。

　　具备突破技术能力的多用途舰载无人机一旦问世，将极大提高各型军舰的感知、传送和连通能力，为大洋上的舰队指挥官提供实时的情报信息。特别值得注意的是，诺格公司在展出的缩比模型中，突出显示了机翼下部外挂点上将携带最新型的“联合空对地导弹”（JAGM），凸显出其具有一定的精确打击能力，将在定点清除目标时显示威力。

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