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從彩虹-10看艦載預警機的發展

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彩虹-10無人機

彩虹-10被稱為“中國魚鷹”,其實這要和貝爾MV-22“魚鷹”掛鉤,也應該是第二代“魚鷹”了。“魚鷹”無疑是革命性的,但也因為幾次惡性事故,差點革了自己的命。魚鷹最大的特點是翼尖可傾轉發動機-旋翼組合,這即是“魚鷹”的奧妙之所在,也是“魚鷹”的麻煩之所在。

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“魚鷹”優點和缺點都來自翼尖發動機-旋翼組合

翼尖傾轉旋翼使得“魚鷹”可以在螺旋槳飛機和直升機之間無縫切換,但旋翼尺寸也把飛機的基本設計限制死了。要作為直升機用,旋翼直徑應該更大,但這樣翼展就太長了,不可能橫轉過來與機體平行摺疊,在艦上佔地太大。作為螺旋槳飛機,旋翼尺寸應該更小,降低巡航阻力,但作為直升機使用就不行了。最後是兩頭不討好的折中。

另一個問題是沉重的發動機在翼尖,還要傾轉,機械上很不友好,而且噴口朝下時,熾熱噴流要燒融甲板,或者使得水泥地面烤裂,碎片在氣流衝擊下四處崩飛,很危險。

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第二代傾轉旋翼用傘齒輪,只傾轉旋翼,不傾轉發動機,解決了第二個問題

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同時參加競爭的Karem方案則解決了第一個問題,這也是彩虹-10的方案,只是Karem僅僅是紙面方案,彩虹做出來了

在美國陸軍的FVL直升機競標中,貝爾用傾轉旋翼但不傾轉發動機的V-280競標,解決了“魚鷹”必須連發動機也一起傾轉的問題。Karem則在傾轉的發動機外再接一段固定翼,與發動機一起傾轉,使得旋翼尺寸與翼展“脫鉤”,在巡航時可用較大的翼展換取更高的升阻比和航程。這也是彩虹-10的技術路線,只是Karem只有紙面方案,彩虹做出來了。

這樣,翼展可以大於旋翼半徑,提高巡航升阻比,增加航程,而不影響垂直起落,因為增加的固定翼段在發動機和旋翼傾轉的時候不形成遮擋。

這個設計容許旋翼直徑縮小,偏向於最佳化巡航效率,而不是垂直起落,特別有利於只要能垂直-短距起落就行,而不要求懸停和直升機特殊機動的設計。這正好是艦載預警機的定位。

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空警600在氣動佈局上與E-2系列高度相像,這只是最最佳化後趨同的結果,談不上抄襲

艦載預警機裡,最成功的是E-2系列。歷史上還有過其他嘗試,但最終都向E-2趨同,不是抄襲或者抄近路,而是在相似的要求下,最最佳化後就是這個趨同的結果。中國的空警600將成為003上最重要的新質艦載機,極大地提升中國航母編隊的戰鬥力。

問題是,這個最最佳化實際上只是最不壞的。作為預警機,平臺需要長航時,高升限,這就需要很大的翼展,但航母上翼展沒法大,太大了就要掃過飛行甲板了,如果不是直接撞上艦橋的話。

另一個問題是:E-2、空警600還是“預警機越大越好”的思路。預警機越大,雷達天線越大,探測距離越遠,機組人員的空間也越寬鬆,機載裝置也越多、越強大。問題是,成本也越高,也越容易成為敵人的目標,越需要遠離戰場,在一定程度上成為進三步退兩步的遊戲,抵消了探測距離的優勢。

隨著無人機和人工智慧、資料鏈的發展,用較小的無人機取代大型有人平臺,將預警機相對靠前部署,用縮短的距離補償降低的雷達天線尺寸和功率,用人工智慧進行機上資料預處理,提取特徵資訊後用資料鏈下傳到航母,可以在很大程度上用靠前、網路化的若干架無人預警機替換孤零零的有人預警機。

有人預警機是因為空情複雜,而雷達的資料量太大,直接下傳到地面站的話,通訊負擔太大,也太不可靠。另一個問題是,資料下傳有視線內通訊的問題,預警機和地面站必須互相在視線以內,使用太受侷限。透過衛星中繼不僅有通訊頻寬的問題,還有滯後問題。這還只是預警機到地面站,地面站到空中作戰機群也有問題,但問題小得多,因為這不需要太大的資料量,只要簡潔的作戰指令。

人工智慧有能力把雷達資料凝聚為少量有用的關鍵資訊,下傳的頻寬要求就低多了。視線內的問題可以透過中繼解決,空中預警機組網預警恰好可以互相中繼。

組網預警的另一個好處是增加部署的靈活性。艦載預警機與航母的相對位置是個麻煩事,太遠了,覆蓋不利,航母背離預警機一側的預警範圍大幅度縮小;太近了,容易暴露航母位置。組網的話,與航母的相對位置就模糊多了,有利於在戰術靈活性和航母保護之間綜合平衡。

無人預警機對損失的承受力相對提高。無人預警機也不是沒有空中戰鬥機保護的,網路化的預警機降低被偷襲的可能性,也大大增強預警的穩定性和可持續性。無人預警機還可透過空中加油而大幅度延長留空時間,而不受飛行員生理極限的限制。較小的無人預警機則是的增加航母搭載數量成為可能。

無人預警機倒是不必垂直起落,但航母上彈射和攔阻索作業花費的時間長,能有垂直起落能力分擔出動和回收負擔是很大的加成,尤其是在效能不受影響的情況下。彩虹-10這樣帶外翼的傾轉旋翼佈局恰好提供了一個非但不影響效能而且得到加成的機會。

單純帶外翼加大了翼展,還是不解決甲板上掃過面積太大的問題。但艦載機常用摺疊翼,E-2的摺疊翼還是很特別的扭轉-後折。

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常規的摺疊翼就是從外向內、從下向上摺疊,但E-2由於雷達罩的存在,只能這樣擰一下再向後摺疊

對於固定翼飛機來說,E-2這樣的摺疊方式只能縮小甲板上的佔地面積,對於飛行效能沒有影響,不可能在起飛後再開啟。但帶外翼的傾轉旋翼就不一樣了,起飛和著陸並不依賴機翼的氣動升力,可以把外翼摺疊起來,在空中再開啟,然後才轉入螺旋槳狀態的平飛。這可以大大增加翼展,提高航程和留空時間。在降落時,帶轉入直升機狀態後,先將外翼摺疊,然後再垂直降落。

由於外翼的展開和摺疊是在直升機狀態下進行,外翼垂直向上,不提供升力,所以沒有升力機制轉換的問題。在展開和轉入平飛是,外翼從垂直轉向大迎角,最後轉向水平。在此過程中提供低速飛行時格外需要的額外升力,幫助在過渡階段直接轉入爬升。在平飛轉入摺疊過程中,在提供氣動減速的同時,提供額外升力,也為旋翼解除安裝,幫助穩定降落。

更加激進一點,發動機也是固定的,就像貝爾V-280那樣,只有旋翼傾轉。外翼繼續像E-2一樣,在艦上扭轉、後折,只有在空中才展開和收起。這樣在結構上更加接近E-2,只是螺旋槳改成透過之字形傘齒輪帶動的傾轉旋翼。在旋翼槳葉摺疊後,還可把內側固定翼段向上摺疊,降低艦上佔地。當然,這對結構的複雜性和剛度的要求更高。

直升機狀態下旋翼和雷達罩避免衝突是一個問題,但這是有辦法解決的。在極端情況下,起落架重新安排,雷達罩放在機身下都是可以的,還避免了對機翼的氣動影響,也簡化了垂尾設計,還避免了機體對雷達的遮擋作用。

這也是垂直起落後的特殊加成。對艦載固定翼飛機來說,雷達放在機體之下是不可能的。起落架在艦上高下稱率著艦時受到強烈衝擊,必須安裝在機體最堅固的部位。機體下再弄一個大大的雷達罩,不僅要加長起落架,還佔用了結構受力最有利的部位,這是不行的。

垂直起落的起落架設計就簡單多了,從設計時就考慮的話,甚至用不著像“墨林”AEW或者卡-31那樣,需要用機械升降和偏轉,那是從有人直升機改裝的,起落架和機體都是現成的,要大改不容易。在主動電掃時代,用固定的機腹雷達罩就行了,寬度超過機體也沒關係,只要和起落架不衝突就行。

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“墨林”AEW這樣彆扭的設計是受到直升機原設計的限制

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卡-31這樣也不是個事

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E-2的雙發短艙也是起落架艙

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帶外翼的傾轉旋翼也可以把起落架與發動機短艙整合到一起,大大增加機下安裝雷達罩的空間。如果發動機固定而只有旋翼傾轉,起落架和機腹雷達罩的問題更加容易解決

這樣的帶外翼的傾轉旋翼大型無人機不僅是艦載預警機的理想構型,也是艦載加油機、反潛機、運輸機、偵察巡邏機等的理想構型。在理想情況下,可以共用基本平臺,研發出不同的改型。甚至用更換嵌入式任務模組的辦法,在出動前掛裝相應的任務模組,就可作為預警機、加油機、反潛機或、運輸機、偵察巡邏機等出動。

由於垂直起落效能以“能在艦上垂直起落就行”為設計基點,對懸停和直升機特殊機動沒有要求,更沒有突擊機降才有的速降要求(這是使得“魚鷹”進入渦流環的大問題),旋翼直徑可以減小,縮短雙發之間的距離,轉速也可以加快,降低巡航阻力,也更加便於氣動上的最佳化。

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任務模組化的設計其實在60年代就有了,西科斯基S-64是按照空中吊車設計的,沒有固定的機艙,在使用中吊掛不同的模組或者集裝箱,就可以幹不同的活,從運輸重物到消防,很靈活

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現代無人機更是有嵌入式貨物模組的做法

無人預警機其實已經有了。俄羅斯在2021年8月的莫斯科軍展中,展出了Gelios無人預警機,採用大型刀狀機腹天線。這還是固定翼的,需要較大的掃過面積才能上艦使用。刀狀天線也只有側向雷達視界,對飛機的回形針航跡的限制較多,還是不夠理想。中國的主動電掃天線技術已經很成熟了,與帶摺疊外翼的傾轉旋翼相結合,可以提供更為理想的艦載無人預警機。

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俄羅斯的Gelios無人預警機

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在某種程度上,設想的無人預警機就是把機背雷達天線翻到機腹,再結合帶摺疊外翼的傾轉旋翼

這樣的艦載無人預警機也可供空軍和陸軍使用,不需要機場跑道而又能實現長航時,對什麼軍種都是有用的。更是可以在具有足夠大直升機甲板的水面戰艦上起飛,自帶無人預警機的055編隊的海上控制能力可以頂半個航母編隊了。

中國在趕超中,必須重視外國的先進經驗,也切莫忽視新質科技提供的彎道超車的機會。

分類: 歷史
時間: 2021-12-21

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