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模塊化:無人機的新趨勢
送交者: 三把刀 2024年10月27日22:23:59 於 [軍事天地] 發送悄悄話

  無人機在航空世界還是新面孔,但通用原子(General Atomics)在無人機世界是老資格了。通用原子的MQ-1“捕食者”首先一炮打響,放大型MQ-9“死神”至今依然是西方中空長航時(MALE)無人機的標杆。儘管MALE沒有HALE(高空長航時,比如“全球鷹”)那麼炫,MALE才是“幹活的”。

  “捕食者”和“死神”(也稱“捕食者B”)都是偵察監視和情報收集(ISR)無人機,具有一定的察打一體能力。ISR依然是無人機的主要任務,但無人機的世界正在迅速擴大,通用原子與時俱進,但不局限於針對性地推出更多的專用無人機,而是打造模塊化的無人機家族。

  模塊化飛機不是新概念。傳統上,模塊化飛機以“框架式”飛機為基本構架,但機腹為可拆卸的任務或者貨運模塊。在飛行時,貨運模塊與飛機連接成為整體;在機場,則可以脫開,像集裝箱一樣拖走,並重新連接。

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  早期的模塊化飛機概念

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  直升機更加容易實現模塊化概念

  進入21世紀,英國空軍的“隼”式教練機需要替換,Aeralis公司提出模塊化設計,在基本機體的基礎上,通過更換機翼,可以實現不同飛行性能。比如說,大翼展平直翼用於初教所需要的溫和飛行性能,小翼展後掠翼用於高教所需要的先進飛行性能。腹下的進氣道-發動機模塊也可在大小推力單發甚至單雙發之間更換,滿足不同飛行性能的要求。機體可以加長以增加機內燃油量。座艙更是可以在教練機的雙座和戰鬥機的單座之間更換,或者直接用無人機模塊變身為無人機。

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  在基本架構下,座艙、機翼、發動機都模塊化了,機體也可以加長、縮短

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  不同的排列組合導致不同的飛機

  Aeralis的模塊重組可在用戶端進行。也就是說,用戶擁有必要的模塊後,可以按需要自由重組成不同的飛機。當然,這樣的重組好比大修級的操作,並不是每天出動前的日常操作。但這依然提供了前所未有的靈活性。

  通用原子的模塊化更進一步。以核心機體為最基本的模塊,通過不同的機翼、機體、發動機、尾翼,可以組合成側重長航時的ISR飛機、側重空戰的戰鬥機、側重高隱身偵察的無尾飛翼和先進靶機等完全不同的無人機。

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  Gambit家族圍繞着核心機體打造

  核心機體不僅提供受力最大部件,如中央翼盒和前起、主起,還提供了基本航電,包括基本飛控、通信和數據鏈。

  與核心機體搭接的機翼、機體、尾翼、發動機構成不同的飛機,還要帶上任務航電。

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  長航時ISR無人機

  長航時ISR飛機達不到MALE、HALE無人機的長航時,不是做不到,而是任務定位不同。這是作為戰鬥機的“忠誠僚機”定位的,需要有一定的速度和機動性,才能與戰鬥機在同一戰鬥空間裡展開,執行ISR任務。

  但這又不是戰鬥機,長航時和隱身的要求更高。相對較大翼展的人字形翼、V形尾翼和背部進氣口提供了較好的折衷。必要的話,機腹依然有足夠空間,可以容納空空導彈和小直徑炸彈。這還將用於電子偵察、電磁攻防、通信中繼等任務。

  這一構型已經用於投標美國空軍的“忠誠僚機”項目,與安杜里爾的“暴怒”相競爭。

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  空戰無人機

  與ISR無人機相比,空戰無人機的速度、機動性要求更高,機翼相對較短、較粗壯,背部進氣口也從單一改為兩側,有利於在側滑機動中保持有效進氣。較為粗大的“船形底”提供了內載空空導彈和小直徑炸彈的空間,還也需要一定的雷達和火控設備。

  這一構型與下列構型還在設計階段,尚未形成具體產品。

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  先進靶機

  很多無人機公司就是從做靶機開始的,無人機技術後發展反哺靶機順理成章。

  靶機技術說難不難,說簡單也不簡單。一般的訓練靶機不難,但要模仿隱身、高機動甚至高超音速目標,這就不簡單了。先進靶機還要求在電磁特徵上模仿目標,不僅在雷達反射特徵上有這個要求,在主動輻射(雷達、數據鏈等)方面也一樣。

  這樣的靶機還有先進誘餌的作用。由於與忠誠僚機技術同源,出動伴隨作戰機群都“自帶基因”。

  這也是V形尾翼,但機翼更加粗短,明顯是奔超音速去的。機腹進氣口也把“超音速”寫在腦門上了。

  在超音速時代的早春,大後掠翼、三角翼和短梯形翼同時出現。大後掠翼和三角翼在大後掠的前緣將超音速氣流分解成沿翼展方向的分量和與前緣垂直的分量,只要垂直分量保持在音速以下,就不會出現局部激波和導致激波阻力。大後掠翼與三角翼有很多不同,但在超音速減阻機理上是一樣的。

  短梯形翼不同,這是小後掠的,幾乎可看成短短的平直翼。但因為翼展小,整體“躲”在機頭引起的激波錐後,機頭激波反正免不了,激波鋒面對超音速來流有減速作用,躲在激波錐里的機翼就沒有激波阻力的問題。

  在戰鬥機世界裡,F-104、F-5、F-18、F-18E都是短梯形翼的例子,後掠翼和三角翼就太多了,不用舉例了。

  在這裡通用原子用短梯形翼,是看上了結構輕巧的好處,有利於實現高g機動。翼面積較小的缺點由氣動效率更高補償。

  長而尖銳的機頭像F-16一樣,起預壓縮作用,幫進氣道一把。進氣口下唇前突,也是用於激波控制,與殲-10A進氣口上唇前突的意思差不多,只是上下對調。殲-10A用上唇前突,是因為與附面層分離板整合到一起了。這裡附面層分離採用DSI鼓包,和F-35的意思一樣了。

  從氣動外形就可以判斷,先進靶機的超音速和機動性要求較高。ISR和空戰無人機都是亞音速的,但ISR無人機的巡航高度較高,所以需要大翼展;空戰無人機的機動性要求更高,所以機翼降低展弦比。

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  隱身偵察機

  最特別的是隱身偵察機,採用無尾飛翼構型。

  要求深度穿透的隱身偵察機基本上都是無尾飛翼,這本身沒有多少特別,特別之處在於通用原子將有尾構型和無尾飛翼整合到同一個核心機體,這對俯仰穩定性管理的要求很高,也說明了通用原子的氣動設計功力已經達到相當高的水平。

  但是,通用原子也不是超人,並沒有做到不可能做到的事。

  有尾構型的特點是縱長較長,較為靠後的尾翼提供給了充裕的俯仰控制力矩。作為平衡,從核心機體向前延伸的前機體提供了有用的載荷空間。

  無尾構型的縱長很短,機長基本上就是核心機體的長度。只要細長機翼形成的氣動中心沒有超過縱長內靜穩定性的裕度範圍內,俯仰穩定性的挑戰就屬於可以管理的。

  細長機翼決定了很高的升限,這決定了“飛得高、看得遠”。在“距離為王”的隱身世界,飛得高也意味着相對於地面雷達具有天然的隱身加成。機動性較低則不是大問題。

  相對於ISR無人機,這才是HALE無人機。

  單獨來看,通用原子的Gambit家族只是中規中矩而已,但模塊化的思路很值得研究。這與Aeralis可在用戶端重組的模塊化不一樣,只能在製造端重組,但共用的核心機體大大有利於規模經濟。

  飛機設計與製造已經發展了100多年了,但大體沒有跳出針對性設計的老套,每一架飛機都是專門設計、使用專門工裝的。

  在無人機時代,新要求、新思路會來的越來越多、越來越快。傳統的針對性改裝還能應付一陣子,但會越來越跟不上時代。模塊化才是出路。

  在汽車世界,這不叫模塊化,叫平台化。比如說,大眾集團在MLB平台上衍生出奧迪A6、A7、A8、Q7、Q8、Q8 e-tron、賓利Bentayga、、藍寶基尼Urus、保時捷卡宴、大眾途銳,從MSB平台則衍生出保時捷帕納梅拉、賓利大陸、賓利飛馳。

  平台化使得新型號的研發和生產成本大大降低,但巧妙的平台設計和型號管理也避免了同質化。

  這也是無人機世界的發展方向。

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