AVX公司和卡瑞姆公司攻擊偵察直升機(jī)發(fā)展

于琦

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0. 引言

美陸軍希望“未來(lái)攻擊偵察直升機(jī)”（FARA）能夠緊跟地面作戰(zhàn)部隊(duì)，在地面作戰(zhàn)部隊(duì)的上方飛行。當(dāng)進(jìn)攻撕裂敵防御系統(tǒng)后，美陸軍的“未來(lái)垂直起降飛行器”將運(yùn)輸?shù)孛孀鲬?zhàn)部隊(duì)至作戰(zhàn)區(qū)域。未來(lái)攻擊直升機(jī)將使用革命性的技術(shù)，其飛行速度為常規(guī)直升機(jī)的兩倍，可在敵恢復(fù)防空系統(tǒng)前抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域和快速撤離。

1. 未來(lái)攻擊偵察飛行器的作戰(zhàn)能力要求

FARA作戰(zhàn)概念緊扣美國(guó)防部的多域作戰(zhàn)行動(dòng)（Multidomain Operations）概念，多域作戰(zhàn)行動(dòng)要求地面與空中、有人和無(wú)人、目視可見(jiàn)和網(wǎng)絡(luò)/電磁等域密切協(xié)同，以粉碎敵方由遠(yuǎn)程精確制導(dǎo)武器組成的多層次防御體系。從美軍的要求可以看出，美軍對(duì)“未來(lái)攻擊偵察攻擊飛行器”的要求很高，除了常規(guī)的空中偵察、對(duì)地攻擊作戰(zhàn)、與武裝直升機(jī)和通用直升機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)以外，還突出以下幾個(gè)重點(diǎn)。

1.1 外形尺寸較小，敏捷性好

首先，F(xiàn)ARA自身外形尺寸較小，敏捷性好，善于利用山地和建筑物進(jìn)行隱藏，F(xiàn)ARA旋翼旋轉(zhuǎn)時(shí)最大直徑不超過(guò)12.2m，甚至可以沿街道飛行。

1.2 可作為控制無(wú)人機(jī)的控制機(jī)

FARA主要作為控制無(wú)人機(jī)的控制機(jī)，雖然FARA也可選為無(wú)人駕駛，但通常有1名或2名機(jī)組人員，可與各種無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)?，F(xiàn)代無(wú)人機(jī)的自主性在增加，能夠按人員設(shè)定的目標(biāo)自主飛行，不需要地面人員遠(yuǎn)程控制。但無(wú)人機(jī)還需要人通過(guò)數(shù)據(jù)鏈來(lái)指揮，指揮人員可在靠近前沿的高機(jī)動(dòng)飛機(jī)上，而不是在后方指揮所，這樣可更加緊密與前方無(wú)人機(jī)的聯(lián)系，同時(shí)可以縮短指令的延遲時(shí)間、提高抗干擾性，減輕了對(duì)衛(wèi)星通信的依賴。

（1）可消耗的空中投放微型無(wú)人機(jī)，可攜帶傳感器、誘餌、干擾裝置、爆炸物等各種載荷。（2）取代當(dāng)前的RQ-7B“影子”無(wú)人機(jī)的小尺寸、不依賴跑道的戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)，“影子”無(wú)人機(jī)需要跑道，并且外形尺寸太大，不能被CH-47搭載。（3）取代MQ-1C“灰鷹”的生存能力更強(qiáng)的大型無(wú)人機(jī)，“灰鷹”是“捕食者”無(wú)人機(jī)的改進(jìn)型，需要兩名地面人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，且無(wú)法穿透先進(jìn)的防空系統(tǒng)。

1.3 與地面部隊(duì)密切協(xié)同

FARA與地面部隊(duì)密切協(xié)同，步兵和裝甲車(chē)將在地面摧毀敵防空，而FARA及伴隨的無(wú)人機(jī)可利用高度優(yōu)勢(shì)看得更遠(yuǎn)。例如，定位威脅目標(biāo)并將目標(biāo)信息傳給地面遠(yuǎn)程火炮，遠(yuǎn)程火炮攻擊目標(biāo)。當(dāng)FARA指揮無(wú)人機(jī)時(shí)，獲取的信息可通過(guò)可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳給其他作戰(zhàn)力量。美陸軍的多域作戰(zhàn)行動(dòng)概念有縱深攻擊的內(nèi)容，但主要由無(wú)人機(jī)、遠(yuǎn)程火炮和導(dǎo)彈承擔(dān)，而不是有人機(jī)。對(duì)于FARA，則不會(huì)承擔(dān)縱深攻擊的任務(wù)。

1.4 突出高速性

美軍要求未來(lái)攻擊偵察直升機(jī)最大飛行速度為378km/h，當(dāng)前武裝直升機(jī)最大飛行速度都在350km/h以內(nèi)，偵察直升機(jī)普遍不超過(guò)300km/h，美國(guó)AH-64D “阿帕奇”最大飛行速度293km/h，俄羅斯的卡-52“短吻鱷”最大飛行速度300km/h，俄羅斯米-28NE最大飛行速度也僅有300km/h。

1.5 人工智能和無(wú)人駕駛

美軍對(duì)未來(lái)多個(gè)平臺(tái)提出了采用人工智能技術(shù)和無(wú)人駕駛的要求，從陸地的步兵戰(zhàn)車(chē)到空中的新一代直升機(jī)，因?yàn)榘殡S著人工智能技術(shù)的發(fā)展，用于作戰(zhàn)將是必然的趨勢(shì)，可以有效減少人員工作強(qiáng)度和反應(yīng)速度。

1.6 發(fā)現(xiàn)和摧毀敵方無(wú)人機(jī)的能力

畢竟當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)各種類型的無(wú)人機(jī)使用廣泛，尤其是各類小型任務(wù)機(jī)逐漸成為步兵作戰(zhàn)的協(xié)同力量，發(fā)現(xiàn)難，攔截難，所以打擊敵方無(wú)人機(jī)是非常重要的。

1.7 與己方無(wú)人機(jī)聯(lián)合作戰(zhàn)的能力

在打擊敵方無(wú)人機(jī)的同時(shí)，要求專用安全網(wǎng)絡(luò)控制己方無(wú)人機(jī)，這就要求可以控制己方的無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察、打擊、巡邏等多種任務(wù)，進(jìn)一步擴(kuò)大了偵察和打擊的范圍。

2.AVX和L3Technologies公司聯(lián)合推出復(fù)合共軸的AVX-L3 CCH

2.1 研發(fā)概況

美國(guó)陸軍推動(dòng)FARA項(xiàng)目的目的是為了尋求一種輕型攻擊偵察直升機(jī)，用于代替已經(jīng)退役的OH-58D直升機(jī)。AVX飛機(jī)公司和L3 Technologies公司的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型高速攻擊偵察直升機(jī)AVX-L3 CCH，用于參加美國(guó)陸軍未來(lái)攻擊偵察機(jī)（FARA）競(jìng)爭(zhēng)性原型計(jì)劃競(jìng)賽的第一階段。其總體布局與AVX早期參與美國(guó)陸軍聯(lián)合多任務(wù)演示驗(yàn)證計(jì)劃JMR-TD的旋翼飛行器很像，但細(xì)節(jié)上做了改進(jìn)。AVX-L3 CCH（Coaxial Compound Helicopter）直升機(jī)創(chuàng)新地采用了復(fù)合共軸布局，是一種帶有共軸雙旋翼和兩副涵道風(fēng)扇推進(jìn)螺旋槳的復(fù)合直升機(jī)。從作戰(zhàn)應(yīng)用角度講，這種聯(lián)合多用途直升機(jī)能夠執(zhí)行火力打擊、武裝偵察、搜索救援等多種任務(wù)，是美軍直升機(jī)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向，僅用于搜救任務(wù)，就能適合各種戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，保存在戰(zhàn)斗中受損失部隊(duì)的有生力量，對(duì)于人道主義救援等非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)也具有重要意義。早期的AVX-L3 CCH直升機(jī)設(shè)計(jì)效果如圖1所示。

L3公司表示，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)解決方案將超越FARA提出的偵察和輕型攻擊任務(wù)指標(biāo)要求，是一種同時(shí)兼具高性能和高生存能力的作戰(zhàn)平臺(tái)。AVX-L3 CCH原型機(jī)概念如圖2所示。

AVX公司表示，因?yàn)锳VX-L3 CCH直升機(jī)采用復(fù)合共軸設(shè)計(jì)方案，將100%滿足美國(guó)陸軍未來(lái)攻擊偵察飛行器的指標(biāo)要求門(mén)檻，并且超過(guò)70%，CCH直升機(jī)設(shè)計(jì)與嚴(yán)格的工程和生產(chǎn)流程及認(rèn)證相結(jié)合，將提供安全、性能優(yōu)異、價(jià)格合理的新型旋翼飛行器，能夠在高度危險(xiǎn)的空域和惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)。AVX-L3 CCH執(zhí)行任務(wù)示意圖如圖3所示。

2.2 早期研究的成果

AVX公司在2009年就已經(jīng)開(kāi)始了共軸式復(fù)合直升機(jī)（CCH）的研發(fā)，其可運(yùn)載14名士兵，其包括帶有尾艙門(mén)，兩側(cè)滑動(dòng)門(mén)既能滿足士兵迅速登機(jī)與撤離的要求，也能滿足貨運(yùn)要求，并設(shè)計(jì)有3個(gè)外吊掛貨鉤。AVX飛機(jī)公司的JMR目標(biāo)機(jī)全面適應(yīng)艦載需求，著艦面積比“黑鷹”“阿帕奇”都要小。

共軸式復(fù)合直升機(jī)（CCH）在機(jī)身兩側(cè)設(shè)計(jì)有兩個(gè)7片槳葉涵道風(fēng)扇，為共軸布置的兩副旋翼卸載，采用可收放起落架，突擊型采用內(nèi)置武器，機(jī)身阻力小，而且在通用運(yùn)輸型與突擊型之間的通用程度達(dá)到90%。

AVX早期完成的主要工作有：在低速風(fēng)洞中進(jìn)行了1/10縮比模型的吹風(fēng)測(cè)試；進(jìn)行了CCH性能和操穩(wěn)性研究；在大型風(fēng)洞中進(jìn)行了1/2縮比模型吹風(fēng)試驗(yàn)。

2.2.1 氣動(dòng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

AVX已經(jīng)采用多種方式建立了CCH的空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，其中包括使用CHARM軟件建立的氣動(dòng)干擾模型。這種模型快速、高效，置信度也能滿足工程設(shè)計(jì)需求，能夠模擬旋翼、涵道螺旋槳、機(jī)翼和機(jī)身之間的干擾，并對(duì)其氣動(dòng)特性進(jìn)行分析并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠設(shè)計(jì)的參數(shù)包括旋翼的翼型、扭轉(zhuǎn)分布以及涵道螺旋槳和機(jī)翼的氣動(dòng)布局。氣動(dòng)干擾模型建模如圖4所示。

2.2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)

AVX公司采用旋翼飛行器綜合分析系統(tǒng)（Rotorcraft Comprehensive Analysis System）來(lái)探索CCH直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，并分析了上下旋翼軸間距對(duì)整體動(dòng)力學(xué)特性的影響。動(dòng)力學(xué)特性研究如圖5所示。

2.2.3 模型風(fēng)洞試驗(yàn)

AVX公司按照早期的方案制造了縮比機(jī)身模型，并進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)?，F(xiàn)有的風(fēng)洞試驗(yàn)中，CCH方案都只有機(jī)身、機(jī)翼和涵道參與了吹風(fēng)測(cè)試，旋翼、涵道中的螺旋槳尚未進(jìn)行試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)如圖6所示。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）AVX-L3 CCH直升機(jī)采用單發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，復(fù)合共軸雙旋翼搭配升力機(jī)翼，具有更高的飛行速度，全機(jī)的質(zhì)量更輕，在整個(gè)生命周期內(nèi)需要更少的維護(hù)。融入創(chuàng)新的方法和技術(shù)如圖7所示。（2）采用共軸雙旋翼+機(jī)翼+ 兩副涵道風(fēng)扇推進(jìn)螺旋槳的復(fù)合式布局，旋翼都是鉸接式旋翼。揮舞鉸和擺振鉸如圖8所示。（3）橫列式駕駛艙，采用電傳操縱，針對(duì)飛行員的任務(wù)執(zhí)行效率進(jìn)行了優(yōu)化，兩個(gè)橫列布局的涵道風(fēng)扇，為高速飛行和機(jī)動(dòng)性提供前進(jìn)和后退的推力。（4）先進(jìn)的現(xiàn)代開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)（MOSA）的數(shù)字架構(gòu)和航空電子系統(tǒng)。（5）機(jī)體后側(cè)下方有2個(gè)小短翼，裝備4枚“地獄火”反坦克導(dǎo)彈，機(jī)頭下方有一座3管機(jī)關(guān)炮炮塔，光電搜索偵察設(shè)備位于機(jī)鼻上方。AVX-L3 CCH直升機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈如圖9所示。（6）旋翼槳葉和機(jī)翼可折疊，能滿足C-17裝載和海軍DDG級(jí)艦艇存放尺寸限制。（7）模塊化設(shè)計(jì)，為所有美國(guó)陸軍多個(gè)飛行器能力集提供組件，重復(fù)利用和高度系統(tǒng)通用性。

2.4 技術(shù)參數(shù)

按照FARA的要求，AVX-L3 CCH達(dá)到379.66km/h的最低速度，旋翼直徑12m。

3. 卡瑞姆飛機(jī)公司推出魔幻感極強(qiáng)的AR-40

3.1 研發(fā)概況

卡瑞姆（Karem）公司在2019年美國(guó)陸軍協(xié)會(huì)論壇（AUSA 2019）展出了AR-40復(fù)合直升機(jī)概念模型，參與美國(guó)陸軍未來(lái)武裝偵察直升機(jī)競(jìng)標(biāo)，直面西科斯基共軸雙剛性旋翼+尾部推進(jìn)螺旋槳的“Raider”X和采用傳統(tǒng)直升機(jī)設(shè)計(jì)的貝爾360 Invictus的競(jìng)爭(zhēng)。AR-40在低速下以傳統(tǒng)直升機(jī)模式飛行，在高速下以復(fù)合直升機(jī)模式飛行，要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)全靠該機(jī)的可側(cè)轉(zhuǎn)尾部推進(jìn)螺旋槳。從設(shè)計(jì)角度看，AR-40 直升機(jī)由剛性旋翼、機(jī)翼和尾部螺旋槳構(gòu)成，這種設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)直升機(jī)低速飛行時(shí)產(chǎn)生的反扭矩，而直升機(jī)以更高速度起飛時(shí)，可產(chǎn)生推力。這是目前為止最符合FARA要求的設(shè)計(jì)想法，在直升機(jī)高速飛行時(shí)，可實(shí)現(xiàn)低阻力。旋翼槳葉單獨(dú)受電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，盡可能提高直升機(jī)飛行性能，將阻力和振動(dòng)最小化。AR-40直升機(jī)還采用雙人駕駛艙設(shè)計(jì)，不僅提升了整個(gè)機(jī)組的配合效率，還為駕駛艙的設(shè)備和人員提供了足夠的可用空間。

AR-40的合作與分工：卡瑞姆負(fù)責(zé)核心的旋翼和傳動(dòng)技術(shù)，諾斯羅普提供生產(chǎn)和產(chǎn)品支持以及航空電子專業(yè)知識(shí)，雷神則負(fù)責(zé)任務(wù)系統(tǒng)集成和設(shè)計(jì)模塊化開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，所以該機(jī)在FARA競(jìng)標(biāo)中具有較強(qiáng)實(shí)力?？ㄈ鹉稟R-40概念如圖10所示。

3.2 設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

（1）擺動(dòng)尾槳?？ㄈ鹉饭驹贏R-40上采用“擺動(dòng)尾槳”，能在3s內(nèi)完成90°旋轉(zhuǎn)，既能在低速下作為反扭尾槳使用，又能在高速下作為推進(jìn)螺旋槳使用，此時(shí)隨著飛行速度的提高，旋翼扭矩已經(jīng)能被垂尾產(chǎn)生的偏航力矩完全抵消?？ㄈ鹉稟R-40可側(cè)轉(zhuǎn)尾槳如圖11所示。

（2）速度優(yōu)化旋翼。AR-40 采用三片槳葉的“速度優(yōu)化旋翼”，能根據(jù)垂直起降和水平飛行情況主動(dòng)調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)速，保持旋翼葉片始終處于最佳負(fù)載狀態(tài)，最大程度上提高推進(jìn)效率。此外，這種旋翼系統(tǒng)并沒(méi)有采用傳統(tǒng)直升機(jī)的總距和周期變距控制系統(tǒng)，能單獨(dú)控制每一個(gè)葉片的槳距，通過(guò)微操作進(jìn)一步優(yōu)化旋翼氣動(dòng)性能。

（3）大翼展機(jī)翼。AR-40采用長(zhǎng)機(jī)翼，該機(jī)翼能在水平飛行提供大部分升力，為旋翼大幅卸載，并且外翼段在上升和下降過(guò)程中可以傾轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)，降低對(duì)旋翼下洗氣流的干擾。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

（1）采用旋翼+機(jī)翼+可側(cè)轉(zhuǎn)尾槳的復(fù)合式布局，機(jī)身非常圓潤(rùn)，整體流線布局有利于隱身，可運(yùn)載4名士兵。（2）采用并列雙座座艙布局，機(jī)身中部安裝一臺(tái)軍方指定的通用電氣T901渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率3000馬力。（3）駕駛艙之后設(shè)置有一個(gè)小客艙，可容納4名乘客。例如，運(yùn)輸特種作戰(zhàn)部隊(duì)執(zhí)行潛入任務(wù)，之后是內(nèi)部彈艙。由于機(jī)翼傾轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，AR-40擁有一個(gè)巨大的武器艙，所有武器都內(nèi)置于彈艙，可以容納多種武器，沒(méi)有設(shè)置翼下掛架。

旋翼槳葉具備單獨(dú)控制功能，可以使其在聲學(xué)和可靠性方面獲得最佳效果，從而降低飛行噪音并提升飛行效率。卡瑞姆AR-40原型機(jī)模型如圖12所示。

3.4 AR-40技術(shù)參數(shù)

旋翼直徑為11m，機(jī)翼翼展為12.2m，機(jī)身長(zhǎng)為14m，最大平飛速度約為407km/h，遠(yuǎn)超軍方規(guī)定的333km/h底線，能在1219m/35℃條件下完成懸停。

4. 結(jié)語(yǔ)

美國(guó)直升機(jī)競(jìng)標(biāo)的最終目的，是要研發(fā)一款性能優(yōu)異、價(jià)格便宜還要符合未來(lái)作戰(zhàn)要求的直升機(jī)，隱身直升機(jī)成為極佳的選擇。美國(guó)陸軍正在朝著規(guī)模更小、更加機(jī)動(dòng)靈活的方向發(fā)展，同時(shí)面臨著財(cái)政緊縮的問(wèn)題，因此需要一種新型攻擊偵察直升機(jī)。美國(guó)陸軍的作戰(zhàn)原則支持攻擊與偵察任務(wù)的合理結(jié)合，此外，未來(lái)的攻擊偵察直升機(jī)應(yīng)該體現(xiàn)技術(shù)的飛躍，而不應(yīng)該用新的形式表現(xiàn)舊的內(nèi)容。用于實(shí)施攻擊任務(wù)的解決方案是研制一種新型直升機(jī)，這種直升機(jī)的任務(wù)首先是偵察、防衛(wèi)和近距離攻擊；其次，這種直升機(jī)必須能夠?qū)嵤?duì)傳統(tǒng)威脅的攻擊。

總之，AVX公司希望從易用性和性價(jià)比方面來(lái)體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)所在。CCH的設(shè)計(jì)意圖更多是面向高速飛行，所以設(shè)計(jì)了前置升力面、兩側(cè)為大尺寸機(jī)翼，并加裝了輔助推進(jìn)裝置。在大速度前飛情況下，全機(jī)所有的前飛拉力由涵道推進(jìn)螺旋槳提供，旋翼系統(tǒng)僅需要提供前飛升力，而在高速飛行時(shí)，機(jī)翼和平尾將產(chǎn)生可觀的升力，旋翼最后需要提供升力的比例占懸?？偵Φ?0%以下，因此，旋翼系統(tǒng)的拉力得以卸載，從而避免了高速飛行狀態(tài)下振動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題。L3公司在航電系統(tǒng)等飛行器配套設(shè)施方面有極強(qiáng)的實(shí)力，是一家真正能讓AVX創(chuàng)新構(gòu)型落到實(shí)地的最佳合作伙伴?？ㄈ鹉饭镜目苹米髌稟R-40復(fù)合直升機(jī)安裝有先進(jìn)主動(dòng)適應(yīng)旋翼，每個(gè)槳葉能都能根據(jù)情況獨(dú)立調(diào)整槳距，尾部還安裝了可旋轉(zhuǎn)尾槳，在高速時(shí)作為推進(jìn)螺旋槳使用，其性能和復(fù)雜性介于貝爾360和“Raider”X之間，屬于折中方案。