【防务评论】创新发展的无人运输原型机
美国国防预研局（DARPA）可重构嵌入式航空系统（ARES）项目旨在发展具备模块化运输和垂直起降能力的无人运输原型机，它可根据不同任务，携带医疗救护、货物补给或情报、监视与侦察（ISR）等任务模块中的任意一种进行垂直起降和快速飞行，以提供灵活、不受地形限制的运输能力，有效地避开地面威胁，支持军队小型地面作战单元开展快速、高效和低成本作战。
项目背景和演变
根据在阿富汗的实战经验，一个战场前沿哨所平均每周需要45t的物资补给，同时还会有人员的补充和调动。地面轮式车辆不仅因山区地形复杂运输难度较大，还面临简易爆炸装置（俗称“路边炸弹”）和敌方伏击的威胁。自2001年阿富汗战争爆发以来，简易爆炸装置已导致1300多名美国士兵丧生；直升机虽可有效规避部分地面火力，但有些地处复杂地形的战场前沿哨所并不具备降落条件，而且直升机有时也无法满足运输补给和伤员后送等多种任务所需。有鉴于此，DARPA于2009年推出了ARES项目的前身——“变形者”项目。
AAI团队的“变形者”项目方案。
“变形者”项目旨在发展一种既可在道路行驶又具备垂直起降飞行能力的有人驾驶车辆原型，即“飞行悍马”。该车辆可搭载4名全副武装的作战人员或454kg的物资行驶/飞行463km。作战人员驾驶该车辆，可按需起飞，避开路障、简易爆炸装置和敌方伏击，在实现运输的同时，提高作战部队的生存力和执行任务的灵活性。2010年4月，DARPA发布的“变形者”项目信息征询书表示，其研发周期为5年，并分为3个阶段逐步实施。
第1阶段为概念设计。2010年年底，DARPA选择德士隆集团下属的AAI公司和洛克希德·马丁(洛马)公司为主承包商，卡内基梅隆大学和火箭动力公司为关键赋能技术发展商。在这一阶段，AAI公司和洛马公司研制团队分别开展了项目的需求确定和概念定义工作。
第2阶段为方案设计。2011年，AAI和洛马团队均入围。AAI团队在该阶段提出的设计方案为：车重3.4t，车尾装有涵道风扇，车顶安装可折叠的机翼和旋翼。其中涵道风扇直径1.42m，飞行时提供水平推力；旋翼直径15.24m，飞行时与机翼共同提供垂直升力;配装1台882kW的HTS900涡轴发动机，地面行驶时发动机发电以驱动电动车轮滚动；飞行时发动机为涵道风扇和旋翼提供动力，飞行速度为93～287km/h，最高飞行高度为3000m。洛马团队的设计方案为车重3.2t，车顶转塔左右两侧各安装1台倾转涵道风扇，涵道风扇的外部装有可折叠机翼。其中涵道风扇直径2.6m，飞行时提供垂直升力和水平推力；机翼翼展12.5m，飞行时提供升力，配装两台涡轴发动机，最大飞行速度可达240km/h。
第3阶段为详细设计、制造及演示验证。2012年下半年，洛马团队赢得第3阶段合同，开始详细设计。但是在2013年下半年，DARPA在对“变形者”项目进行关键设计评审时，军方表示目前倾向于使用小型、分散式的作战单元开展地面战，因此优先需要相应的运输和补给能力，而对有人驾驶的飞行车辆概念并不感兴趣。为了回应军方需求，DARPA迅速修改了“变形者”项目的目标，并重新命名为ARES项目。该项目放弃了地面行驶能力，聚焦于模块化垂直起降无人运输技术解决方案，通过运载不同类型、即插即用的任务模块，实现多种运输功能。
项目特点和进展
大量使用货架产品
鉴于“变形者”项目已发展到第3阶段，ARES项目没有必要一切从头开始。故洛马公司在“变形者”项目研究成果的基础上着手ARES原型机的详细设计，并大量使用货架产品以降低成本和风险，加快研发速度。ARES是在近似于扁长方体的机身内安装功率661.5kW级别的现役涡轴发动机、燃油系统、数字式飞控系统以及远程指挥和控制接口。在机身下方装有滑橇式起落架和适配板，以吊装2.6m宽的不同任务模块。机身左右两侧各安装一个直径仍为2.6m的涵道，其中的可变距风扇直径为2.3m。每个涵道的外壁与可折叠的外侧机翼相连，外侧机翼折叠时原型机宽9.1m，外侧机翼展开后宽13m。该原型机重1.8t，可吊挂1.4t的任务模块（相比于“变形者”项目要求的454kg有了大幅提升），总重仍保持为3.2t，飞行高度为4572～6096m，巡航飞行速度为240～280km/h，而最大速度进一步提高到370km/h。
ARES原型机飞行时，涡轴发动机通过减速器和传动轴驱动涵道风扇枢轴上的直角齿轮箱（源于CH-53直升机的尾翼传动系统），进而带动风扇旋转产生作用力。涵道由两个作动器（源于F-16战斗机平尾作动器）驱动，绕枢轴旋转，使原型机实现垂直起降和平飞状态的顺利转换。另外，ARES的飞控系统吸取了洛马公司在F-35战斗机数字式电传垂直起降控制系统以及在自主空中货运通用系统（AACUS）项目中积累的经验。目前ARES原型机为遥控驾驶，未来将具有半自主飞行能力，而且还将采用双余度作动器和3台飞控计算机，以达到运输人员所需的安全等级。
开展地面和飞行试验
ARES项目启动后，洛马公司很快便完成方案设计，并在2013年秋季和2014年夏季使用三分之一缩比尺寸的ARES有动力模型在风洞内进行试验，在全推力范围和全涵道风扇倾转角度的条件下测量了气动和推进效率，为全尺寸原型机确定了飞行控制率。风洞试验完成后，洛马公司开始制造全尺寸ARES原型机，先制造了涵道风扇传动系统、风扇以及涵道结构，之后安装了飞控和航电等各子系统。
ARES原型机示意图。
按照DARPA的计划，ARES原型机于今年1月在新墨西哥州尤马市进行了地面试验，测量推力、控制响应、受控环境中飞行软硬件的失效模式和应急程序。今年2－4月，ARES原型机将开展一系列飞行试验，测试垂直起降、悬停以及悬停与前飞状态的平滑转换等功能，并检验是否达到预期的飞行性能。如果达到预期性能将进行携带各类任务模块的测试。
飞行试验一旦获得成功，美国国防部希望各军种尽快确定需求，以便把其列入在册采办项目。目前，美国海军陆战队正在牵头需求的制订，并希望和其他军种一起为ARES项目组织后续的联合能力技术演示验证（JCTD）科研工作，为其在2～4年之内转入采办程序做好铺垫，实现为美国各军种研制一型灵活、不受地形限制、可执行各种运输任务的无人机装备。
几点看法
DARPA可根据实际军事需求灵活更改项目预期。DARPA的使命以满足军事需求为核心，全力追求技术质变，不断催化新质战斗力。因此在军方作战需求发生改变时，DARPA有能力迅速调整项目攻关方向，为一线部队提供真正所需的创新解决方案。例如，其“持久近距空中支援”（PCAS）项目原计划利用有人/无人A-10攻击机验证全新空地打击模式，但随着需求的变化，目前PCAS项目已取消无人A-10的研发，且研究成果可配装各类空中作战平台，全面提升空地打击能力；在ARES项目中，虽然“变形者”项目已开始详细设计，但随着最新军事需求的注入，DARPA迅速调整了项目目标，聚焦发展无人运输原型机，力求为军队小型地面作战单元提供强大的运输能力。目前来看，PCAS项目和ARES项目的研究成果不出意外很快都将向各军种转化。由此可见，灵活的项目管理机制是DARPA能够持续为军队提供变革性作战能力的重要原因之一。
强力支撑军队前线部队作战能力的提升。ARES原型机如能转化成实战装备，将在物资运输、伤员后撤、侦察监视等方面为地面作战部队提供更加灵活、高效的选择。在运载能力方面，ARES原型机可嵌入各类运输模块和侦察模块，灵活满足前线部队各种需求，而且相比“变形者”项目，其运载能力增加了1t左右，运输效率大幅提升；在飞行包线方面，DARPA认为ARES原型机的飞行参数可以媲美轻型固定翼飞机，满载最高飞行速度370km/h（“黑鹰”直升机仅为280km/h），能够更快抵达运输地点，满足部队急需；在成本方面，ARES原型机单价预计为100万美元（悍马吉普车约40万美元，轻型直升机约400万美元），适合大规模装备，以满足小型地面作战单元的需求；在战场适应能力方面，DARPA指出ARES原型机所需的着陆面积仅为相同级别直升机所需面积的一半（相同级别直升机大致需要直径30.5m的着陆场面积），因此可用着陆区域比相同级别直升机多10倍以上，可在更加严苛的作战环境中支持部队作战。另据DARPA预测，ARES原型机未来可能将向大型化发展，并配装其“自适应起落架”项目所发展的机械式起落架，以适应更加复杂的着陆环境，显著增强战场适应能力。
运输类无人机已成为无人机领域的重点发展方向之一。目前各国军用无人机主要用于执行ISR和有限的对地攻击任务，随着X-47B和“神经元”等无人机的出现，无人作战飞机已成为无人机领域的重点发展方向，而从目前开展的ARES等项目可以看出，在作战需求的牵引下，运输类无人机将成为另一个发展重点。例如，由洛马公司改装的K-MAX无人货运直升机已被海军陆战队用于阿富汗战争，并已运输超过1300t的物资，有效减轻了非战斗人员的损失；另外海军陆战队牵头的AACUS项目正在为无人运输机发展先进传感器和控制系统，以提供自主确认着陆地点、自主降落和自主避障等能力，并计划于2017年完成飞行试验；而ARES原型机虽可携带ISR任务模块执行侦察监视任务，但它是以运输类需求为牵引发展的，如果服役预计还将以运输类任务为主。值得注意的是，虽然ARES原型机是根据高原山区作战需求而研发的，但DARPA表示其灵活、高效的运输能力也可用于城市巷战和丛林作战等地形复杂的战场环境，实现作战保障和医疗救护能力的全面提升。
（本文转载于国际航空公众号，原文刊载于《国际航空》2016年第3期。作者：袁成，中航工业发展研究中心，工程师；王鹏，中航工业基础研究院，高级工程师；张洋，中航工业发展研究中心，高级工程师）
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