從ARES無(wú)人運(yùn)輸原型機(jī)項(xiàng)目下馬看DARPA技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)

袁成

中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京市 朝陽(yáng)區(qū) 100028

美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局是美國(guó)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開展技術(shù)創(chuàng)新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，其領(lǐng)導(dǎo)下的“可重構(gòu)嵌入式航空系統(tǒng)”項(xiàng)目，旨在發(fā)展具備模塊化運(yùn)輸和垂直起降能力的無(wú)人運(yùn)輸原型機(jī)，可根據(jù)不同任務(wù)，攜帶醫(yī)療救護(hù)、貨物補(bǔ)給或情報(bào)、監(jiān)視與偵察等任務(wù)模塊中的任意一種進(jìn)行垂直起降和快速飛行，以提供靈活、不受地形限制的運(yùn)輸能力，有效避免地面威脅，支持美軍小型地面作戰(zhàn)單元開展快速、高效和低成本作戰(zhàn)。但是，隨著成本的增加和戰(zhàn)略的變換，其技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到人工智能相關(guān)的算法、軟件領(lǐng)域以及大型航空平臺(tái)類項(xiàng)目領(lǐng)域。

2019年5月，美國(guó)防部預(yù)研局(DARPA) 和洛克希德·馬丁公司、皮亞斯基飛機(jī)公司表示，由于成本問題取消了其“可重構(gòu)嵌入式航空系統(tǒng)”(ARES) 項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在發(fā)展具備模塊化運(yùn)輸和垂直起降能力的無(wú)人運(yùn)輸原型機(jī)，可根據(jù)不同任務(wù)，攜帶醫(yī)療救護(hù)、貨物補(bǔ)給或情報(bào)、監(jiān)視與偵察(ISR)等任務(wù)模塊中的任意一種進(jìn)行垂直起降和快速飛行，以提供靈活、不受地形限制的運(yùn)輸能力，有效避免地面威脅，支持美軍小型地面作戰(zhàn)單元開展快速、高效和低成本作戰(zhàn)。近年來，隨著DARPA把關(guān)注重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)移到人工智能相關(guān)的算法、軟件領(lǐng)域，大型航空平臺(tái)類項(xiàng)目，例如ARES和XV-24A等紛紛下馬，該局航空技術(shù)的未來發(fā)展方向需密切觀察。

ARES項(xiàng)目的背景和演變

美軍需要增強(qiáng)向戰(zhàn)場(chǎng)前線運(yùn)輸人員和物資的能力

美軍根據(jù)在阿富汗的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為其戰(zhàn)場(chǎng)前沿哨所平均每周需要45t的人員和物資補(bǔ)給。地面輪式車輛不僅因山區(qū)地形復(fù)雜運(yùn)輸難度較大，還面臨簡(jiǎn)易爆炸裝置(俗稱“路邊炸彈”) 和敵方伏擊的威脅。例如自2001年阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)以來，簡(jiǎn)易爆炸裝置已導(dǎo)致1300多名美軍喪生；直升機(jī)雖可有效規(guī)避部分地面火力，但有些地處復(fù)雜地形的戰(zhàn)場(chǎng)前哨并不具備降落條件，而且直升機(jī)有時(shí)也無(wú)法滿足補(bǔ)給和傷員后送等多種任務(wù)所需?；诖耍珼ARPA于2009年推出了ARES項(xiàng)目的前身——“變形者”項(xiàng)目。

“變形者”項(xiàng)目為美軍發(fā)展“飛行悍馬”

“變形者”項(xiàng)目旨在發(fā)展一種可在道路行駛并具備垂直起降飛行能力的有人駕駛車輛原型，即“飛行悍馬”。該車輛可搭載4名全副武裝的作戰(zhàn)人員或454kg的物資行駛/飛行463km。作戰(zhàn)人員駕駛該車輛，可因需起飛，避開路障、簡(jiǎn)易爆炸裝置和敵方伏擊，在實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，提高作戰(zhàn)部隊(duì)的生存力和任務(wù)執(zhí)行的靈活性。

2010年4月，DARPA發(fā)布的“變形者”項(xiàng)目信息征詢書表示，其研發(fā)周期為5年，并分為3個(gè)階段逐步實(shí)施：

第1階段進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。2010年底，DARPA選擇德事隆集團(tuán)的AAI公司和洛克希德·馬丁公司為2家主承包商；卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、火箭動(dòng)力公司為關(guān)鍵賦能技術(shù)發(fā)展商。在該階段，AAI公司和洛克希德·馬丁公司的研制團(tuán)隊(duì)分別開展了項(xiàng)目的需求確定和概念定義工作。

第2階段開展方案設(shè)計(jì)。2011年，AAI和洛克希德·馬丁公司團(tuán)隊(duì)均入圍第2階段。AAI團(tuán)隊(duì)在該階段提出的設(shè)計(jì)方案為：車重3.4t，車尾配裝涵道風(fēng)扇，車頂安裝可折疊的機(jī)翼和旋翼。其中涵道風(fēng)扇直徑1.42m，飛行時(shí)提供水平推力；旋翼直徑15.24m，飛行時(shí)與機(jī)翼共同提垂直升力。該車配裝1臺(tái)1200hp(882kW)的霍尼韋爾公司HTS900渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，地面行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輪滾動(dòng)，地面最高行駛速度30km/h；飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為涵道風(fēng)扇及旋翼提供動(dòng)力，飛行速度范圍93～287km/h，最大飛行高度3000m。

洛克希德·馬丁公司團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)方案為：車重3.2t，車頂轉(zhuǎn)塔左右兩側(cè)各安裝1臺(tái)傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇，涵道風(fēng)扇的外部裝有可折疊機(jī)翼。其中涵道風(fēng)扇直徑2.6m，飛行時(shí)提供垂直升力和水平推力；機(jī)翼翼展12.5m，飛行時(shí)提供升力。該車計(jì)劃配裝2臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，最高飛行速度240km/h。

洛克希德·馬丁公司“變形者”項(xiàng)目方案

第3階段進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造及演示驗(yàn)證。2012年下半年，洛克希德·馬丁公司團(tuán)隊(duì)贏得第3階段合同，開始詳細(xì)設(shè)計(jì)。但是在2013年下半年，DARPA在對(duì)“變形者”項(xiàng)目進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審時(shí)，軍隊(duì)表示目前其傾向于使用小型、分散式的作戰(zhàn)單元開展地面戰(zhàn)，因此優(yōu)先需要相應(yīng)的運(yùn)輸和補(bǔ)給能力，而對(duì)有人駕駛的飛行車輛概念并不感興趣。為了回應(yīng)美軍需求，DARPA迅速修改了“變形者”項(xiàng)目的目標(biāo)，并重新命名為ARES項(xiàng)目。該項(xiàng)目放棄了地面行駛能力，聚焦于模塊化垂直起降無(wú)人運(yùn)輸技術(shù)解決方案，通過運(yùn)載不同類型、即插即用的任務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)輸功能。洛克希德·馬丁公司和皮亞斯基公司聯(lián)合團(tuán)隊(duì)獲得了7700萬(wàn)美元的合同。

ARES項(xiàng)目的特點(diǎn)和進(jìn)展

ARES項(xiàng)目繼承了“變形者”項(xiàng)目的研究成果并使用大量貨架產(chǎn)品

鑒于“變形者”項(xiàng)目已發(fā)展到第3階段，ARES項(xiàng)目沒有必要一切重新開始。故洛克希德·馬丁公司在前者研究成果的基礎(chǔ)上著手ARES原型機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并使用大量貨架產(chǎn)品以降低成本和風(fēng)險(xiǎn)，加快研發(fā)速度。ARES原型機(jī)的構(gòu)型為：在近似于扁長(zhǎng)方體的機(jī)身內(nèi)安裝功率900hp(661.5kW) 級(jí)別的現(xiàn)役渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油系統(tǒng)、數(shù)字式飛控系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程指揮和控制接口。在機(jī)身下方裝有滑撬式起落架和適配板，以吊裝寬2.6m的不同任務(wù)模塊。機(jī)身左右兩側(cè)各安裝一臺(tái)直徑仍為2.6m的涵道，其中的可變距風(fēng)扇直徑2.3m。每個(gè)涵道的外壁與可折疊的外側(cè)機(jī)翼相連，外側(cè)機(jī)翼折疊時(shí)原型機(jī)寬9.1m，外側(cè)機(jī)翼展開后寬13m。該原型機(jī)重1.8t，可吊掛1.4t的任務(wù)模塊(相比于“變形者”項(xiàng)目要求的454kg有了大幅提升) ，總重仍保持為3.2t，飛行高度4572～6096m，最佳飛行速度240～280km/h，而最大速度進(jìn)一步拓展到370km/h。

ARES原型機(jī)飛行時(shí)，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通過減速器和傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇樞軸上的直角齒輪箱(源于CH-53直升機(jī)的尾翼傳動(dòng)系統(tǒng)) ，進(jìn)而帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生作用力。涵道由2個(gè)作動(dòng)器(源于F-16戰(zhàn)斗機(jī)平尾作動(dòng)器) 驅(qū)動(dòng)，繞樞軸旋轉(zhuǎn)，使原型機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直起降和平飛狀態(tài)的順利轉(zhuǎn)換。另外，ARES的飛控系統(tǒng)吸取了洛克希德·馬丁公司在F-35戰(zhàn)斗機(jī)數(shù)字式電傳垂直起降控制系統(tǒng)以及在海軍陸戰(zhàn)隊(duì)“自主空中貨運(yùn)通用系統(tǒng)”(AACUS) 項(xiàng)目中積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。ARES原型機(jī)最初設(shè)計(jì)為遙控駕駛，隨著不斷發(fā)展還會(huì)具有半自主飛行能力，而且還計(jì)劃采用雙余度作動(dòng)器和3臺(tái)飛控計(jì)算機(jī)，以達(dá)到運(yùn)輸人員的安全等級(jí)。

首飛等待數(shù)年，最終遺憾下馬

ARES項(xiàng)目啟動(dòng)后，洛克希德·馬丁公司很快完成了方案設(shè)計(jì)，并在2013年秋和2014年夏使用三分之一縮比的ARES有動(dòng)力模型在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，在全推力范圍和全涵道風(fēng)扇傾轉(zhuǎn)角度的條件下測(cè)量了氣動(dòng)和推進(jìn)效率，為全尺寸原型機(jī)確定了飛行控制率。風(fēng)洞試驗(yàn)完成后，洛克希德·馬丁公司開始制造全尺寸的ARES原型機(jī)。

按照DARPA規(guī)劃，ARES原型機(jī)會(huì)在2016年1月在新墨西哥州尤馬市進(jìn)行地面試驗(yàn)，測(cè)量推力、控制響應(yīng)、受控環(huán)境中飛行軟硬件的失效模式和應(yīng)急程序。2016年2月至4月，ARES原型機(jī)會(huì)開展一系列飛行試驗(yàn)，測(cè)試垂直起降、懸停以及懸停與前飛狀態(tài)的平滑轉(zhuǎn)換等功能，并檢驗(yàn)是否達(dá)到了預(yù)期的飛行性能。如果達(dá)到，將會(huì)進(jìn)行攜帶各類任務(wù)模塊的測(cè)試。

然而，2016年各方并沒有公布ARES原型機(jī)首飛的消息。之后兩年只有在關(guān)于其他事件的報(bào)道中才能獲得項(xiàng)目零碎的信息，才能知道項(xiàng)目仍在研發(fā)過程中，并未首飛。

2017年1月，在美國(guó)“360電子網(wǎng)站”的一篇名為《DARPA 2017年工作展望》的動(dòng)態(tài)中，提到ARES原型機(jī)將在2017年9月首飛，而且軍方將在飛行試驗(yàn)開始后對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，但9月并沒有原型機(jī)首飛的報(bào)道。

2017年5月，美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的“海軍陸戰(zhàn)隊(duì)空地特遣部隊(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)遠(yuǎn)征裝備”(MUX) 大型無(wú)人垂直起降飛行器項(xiàng)目新增了2家競(jìng)標(biāo)方，其中之一就是皮亞斯基飛機(jī)公司，該公司的MUX方案生自ARES項(xiàng)目。

2018年6月，洛克希德·馬丁公司臭鼬工廠負(fù)責(zé)商業(yè)戰(zhàn)略和發(fā)展的主任克雷格·約翰遜在某次會(huì)議上展示了一張?jiān)摍C(jī)構(gòu)科研活動(dòng)的簡(jiǎn)明圖表，ARES原型機(jī)出現(xiàn)在了圖片中。約翰遜表示洛克希德·馬丁公司打算6月底在亞利桑那的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行ARES的飛行試驗(yàn)。這表明，ARES原型機(jī)的計(jì)劃首飛時(shí)間相比最初規(guī)劃已推遲2年多，但從約翰遜的表態(tài)中可看出，當(dāng)時(shí)洛克希德·馬丁公司仍在緊鑼密鼓地推進(jìn)ARES項(xiàng)目研發(fā)，并對(duì)首飛仍持有信心。

然而在2019年5月，ARES項(xiàng)目最終還是因?yàn)槌杀竞瓦M(jìn)度問題下馬。另外，報(bào)道中也提及了該項(xiàng)目曾得到美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的資助。這說明ARES項(xiàng)目已經(jīng)提前啟動(dòng)了技術(shù)轉(zhuǎn)化工作，軍種對(duì)其也十分感興趣，因此下馬的根本原因可能是研究團(tuán)隊(duì)對(duì)某些技術(shù)的研發(fā)難度預(yù)估不足。

關(guān)于項(xiàng)目取消，DARPA的相關(guān)人員表示：“在對(duì)ARES原型機(jī)進(jìn)行了大量的部件、系統(tǒng)集成和地面試驗(yàn)之后，由于成本嚴(yán)重增長(zhǎng)和進(jìn)度延期，DARPA和美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)決定不再為該項(xiàng)目提供資金。ARES項(xiàng)目是一個(gè)研究性的項(xiàng)目，揭露了未來垂直起降并轉(zhuǎn)換至固定翼飛行的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。通過研究管理復(fù)雜構(gòu)型的飛控軟件和獨(dú)一無(wú)二的涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)，將為美國(guó)防部未來的項(xiàng)目研發(fā)奠定基礎(chǔ)?！?/p>

幾點(diǎn)看法

ARES項(xiàng)目取消再次體現(xiàn)出DARPA敢于創(chuàng)新、容許失敗的特點(diǎn)

盡管該項(xiàng)目已下馬，但如DARPA所說，所發(fā)展的復(fù)雜構(gòu)型飛控軟件技術(shù)和新穎涵道風(fēng)扇推進(jìn)系統(tǒng)可移植到其他工作中。一般來說，探索性科研項(xiàng)目沒有失敗一說，只有在曲折的探索中不斷深化認(rèn)知、積累“跬步”，最終才能實(shí)現(xiàn)千里飛躍。自下而上、以大量的科技探索和研發(fā)為基礎(chǔ)，引導(dǎo)未來軍事需求，提供新的解決方案，是美軍作戰(zhàn)能力發(fā)展演進(jìn)的一個(gè)重要方式。在美軍由聚焦反恐戰(zhàn)向聚焦大國(guó)戰(zhàn)爭(zhēng)轉(zhuǎn)型的過程中，其高官也曾多次提出：要恢復(fù)以往敢于承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)、容許失敗、快速迭代科技進(jìn)步的創(chuàng)新文化。從近年來美軍科技項(xiàng)目看，在重視可能生成戰(zhàn)斗力導(dǎo)向的同時(shí)，也在不斷加大對(duì)密集異類場(chǎng)景、各種技術(shù)邊界的持續(xù)和拓展探索，追尋把科技應(yīng)用場(chǎng)景做得細(xì)致，把科技邊界摸得透徹，未見企圖“畢其功于一役”的躍進(jìn)式安排，以便形成能適應(yīng)各種實(shí)際應(yīng)用環(huán)境并最大化發(fā)揮效能的戰(zhàn)斗力。

ARES原型機(jī)示意圖(左上為用模塊化吊艙運(yùn)貨，右上為ISR，左下為傷員運(yùn)輸，右下為直接吊運(yùn)貨物)

DARPA將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向軟件算法，航空技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)變化

2015年前后，DARPA仍有若干大型航空平臺(tái)類項(xiàng)目。這些項(xiàng)目因要開展原型機(jī)的制造和演示驗(yàn)證，經(jīng)費(fèi)一般會(huì)突破1億美元。但是近些年，隨著XV-24A“垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)”(VTOL X-Plane) 和ARES項(xiàng)目的下馬，“戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點(diǎn)”(TERN) 項(xiàng)目的音信全無(wú)，該局大型平臺(tái)類項(xiàng)目的數(shù)量持續(xù)萎縮。DARPA曾表示，因取消大型平臺(tái)類項(xiàng)目而節(jié)省下來的經(jīng)費(fèi)將用來支持人工智能技術(shù)的發(fā)展，這也體現(xiàn)了該局發(fā)展方向的重大調(diào)整，即從發(fā)展硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)到研究軟件算法。可以預(yù)計(jì)，DARPA未來在仍然保留部分航空平臺(tái)類項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，將更加注重人工智能技術(shù)和航空應(yīng)用的結(jié)合，通過空戰(zhàn)決策、蜂群算法、人機(jī)協(xié)同、體系架構(gòu)等技術(shù)的研究，持續(xù)提升美軍未來的空中作戰(zhàn)能力。

運(yùn)輸類無(wú)人機(jī)已成為無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向之一

目前美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)對(duì)支持遠(yuǎn)征作戰(zhàn)的垂直起降飛機(jī)十分感興趣，而且特別關(guān)注垂直起降無(wú)人機(jī)，因?yàn)槠湔J(rèn)為貨運(yùn)車隊(duì)難以抵抗敵人的預(yù)設(shè)伏擊。因此，美軍在作戰(zhàn)需求的牽引下，運(yùn)輸類無(wú)人機(jī)已成為無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)。例如，在ARES項(xiàng)目取消的同時(shí)，美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)正在推動(dòng)其他若干無(wú)人貨運(yùn)飛機(jī)項(xiàng)目，例如和美陸軍共同實(shí)施的“聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)自主空中再補(bǔ)給系統(tǒng)”(JTAARS) 項(xiàng)目、重新啟動(dòng)的兩架無(wú)人K-MAX無(wú)人機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目。該軍種還希望借助美陸軍“未來遠(yuǎn)程突擊飛機(jī)機(jī)”(FLRAA) 項(xiàng)目購(gòu)買全新的通用旋翼機(jī)。另外，在2018年8月，美國(guó)陸軍發(fā)布中型運(yùn)輸無(wú)人機(jī)原型機(jī)征詢書，尋求運(yùn)輸彈藥、水及食物的電或燃油動(dòng)力無(wú)人原型機(jī)。而DARPA的“革命性創(chuàng)新空運(yùn)”項(xiàng)目正在發(fā)展LG-2K貨運(yùn)滑翔原型機(jī)，并在去年年底開展了飛行驗(yàn)證。 ■