XQ-58A“女武神”無人機發(fā)展分析

2024年4月，XQ-58A“女武神”在美海軍陸戰(zhàn)隊開展的PAACK-P（Penetrating Affordable Autonomous Collaborative Killer-Portfolio）計劃中，成功與2架F-35戰(zhàn)斗機編組協(xié)同，并為后者提供電子攻擊能力。XQ-58A“女武神”無人機由美空軍研究實驗室“低成本可消耗飛機技術”項目孵化，其多次成功試飛標志著美軍在研究和驗證有限壽命/架次的低成本無人作戰(zhàn)飛機技術和裝備方面取得了重要進展，為未來構建質量與數(shù)量并優(yōu)的空中優(yōu)勢能力奠定了基礎。

研制背景

美空軍認為當前空中戰(zhàn)場的威脅日趨多變，高性能作戰(zhàn)飛機的價格不斷攀升，國防預算壓力日益增大。美空軍難以通過大規(guī)模更新?lián)Q代解決作戰(zhàn)能力與預算壓力的矛盾，必須創(chuàng)新裝備解決方案，在保證性能可接受前提下，顯著降低使用成本，重塑美空軍的數(shù)量優(yōu)勢。此外，現(xiàn)有航空武器裝備嚴格的采購標準和研制規(guī)范，雖確保了武器裝備的性能和質量，但也導致了研制、鑒定和生產新型航空武器裝備的成本高、周期長，需探索裝備研制的新途徑，以降低裝備采辦成本、縮短研發(fā)和生產周期，靈活應對新興威脅。

為解決上述挑戰(zhàn)，美空軍希望利用無人機研制周期較短、生產成本較低等特點，創(chuàng)新飛機設計概念和流程。美空軍認為，可執(zhí)行偵察監(jiān)視、火力打擊等任務的遠程、高性能、低成本無人作戰(zhàn)飛機將帶來改變游戲規(guī)則的能力，在未來空中對抗中將同時形成規(guī)模和性能優(yōu)勢。美軍XQ-58A項目主管認為，未來空軍機隊很可能由相比現(xiàn)在更少的高端作戰(zhàn)飛機和大量的低成本可消耗無人機構成。為此，美空軍實施了低成本可消耗飛機技術項目，目標是通過開發(fā)更好的設計工具以更快的速度設計和制造無人機系統(tǒng)，并推動制造流程的改變和成熟，以減少制造時間和成本。

發(fā)展歷程

項目競標階段

2015年，美空軍宣布啟動低成本可消耗飛機技術項目；同年9月，美空軍研究實驗室宣布開展為期27個月的低成本可消耗無人作戰(zhàn)飛機演示驗證項目，開發(fā)滿足特定任務能力需求的低成本無人作戰(zhàn)飛機系統(tǒng)概念，完成驗證機制造和試飛試驗，驗證裝備概念與制造技術的可行性，包括洛馬公司、克拉托斯公司、波音公司在內的6家美國航空航天企業(yè)參與了項目競標。

2016年7月，美空軍研究實驗室選定克拉托斯公司成為項目承包商并授予演示驗證項目合同，美空軍先期投資730萬美元，該公司自籌3350萬美元，研制3架技術驗證機。美空軍研究實驗室還規(guī)劃了近1億美元的追加投資計劃，用于技術成熟和深化發(fā)展。 2017年6月，克拉托斯公司在巴黎航展展示了編號XQ-222的驗證機模型，同年7月，美空軍賦予該機XQ-58A的正式編號。

演示驗證階段

XQ-58A驗證機的主要任務是驗證低成本設計和制造概念、識別滿足性能需求的低成本飛機所需的技術鴻溝和主要成本驅動因素、建立有限壽命可消耗飛機的使用指南等。

自2019年3月，XQ-58A首架驗證機首飛后，美空軍與克拉托斯公司相繼開展了兩階段共計5次飛行測試，初步檢驗了低成本可消耗平臺性能，具體情況見下表。

2020年2月，克拉托斯公司宣布啟動XQ-58A批量生產程序，表明美軍低成本可消耗無人機正式進入生產階段，距離實戰(zhàn)化運用再進一步；2021年11月，該公司啟動XQ-58A第2生產批次生產工作，進一步加快該型無人機列裝。美空軍針對XQ-58A無人機平臺繼續(xù)開展多輪試驗，進一步拓展該平臺性能，初步探索其實戰(zhàn)化運用潛能。

主要特點

遠程、高性能、低成本、隱身無人作戰(zhàn)飛機

XQ-58A無人機采用中等后掠角中單翼、V形尾翼、背負式進氣道、扁平機身的隱身化布局，配裝單臺威廉姆斯公司FJ33-5型渦扇發(fā)動機（推力 746.6千克力），機長9.14米、翼展8.23米，實用升限13700米，最大飛行速度馬赫數(shù)0.85，最大航程5400千米，有效載重540千克（內埋載重270千克、外掛載重270千克）；2個內埋式武器艙可各掛載1枚GBU-39型制導炸彈或AIM-120型中程空空導彈，并可擴展翼下外掛能力。該機采用開放式任務系統(tǒng)架構，可采用火箭助推、導軌發(fā)射模式，具備不依賴跑道的起降能力；可重復使用，按有限使用壽命/架次設計。

聚焦低成本的特色設計

XQ-58A無人機具有“低成本”屬性，該機低產量生產單價約為650萬美元；若每年生產50架，成本約為400萬美元；該公司曾表示，若產量達100架，成本可低于200萬美元?？死兴构緸闈M足美軍對于低成本可消耗無人機的成本界定，在設計上采取了多種創(chuàng)新手段：一是建立基于使用特點的低成本設計規(guī)范和標準體系，建立與使用需求和性能要求相適應的權衡模型和經濟性評價模型，如基于有限使用壽命，大幅降低發(fā)動機使用壽命要求，甚至提出考慮配裝二手發(fā)動機；二是根據(jù)使用環(huán)境選擇性配置系統(tǒng)，如因僅需在限制空域內飛行，不考慮配備空管相關設備；三是采用模塊化任務載荷，根據(jù)任務需求快速換裝對應任務載荷和武器系統(tǒng)，有效降低單機復雜性和成本；四是采用現(xiàn)貨產品，美空軍研究實驗室明確要求該機應盡可能應用商用貨架產品和軍用常備件，并要求確定此設計模式可能產生的影響；五是采用先進低成本制造技術，探索應用彈性制造技術、自動裝配工藝等低成本制造技術的可行性，并探索在滿足低成本前提下，實現(xiàn)平時按需生產、戰(zhàn)時快速大量制造的可實現(xiàn)性。

靈活多樣的任務能力

隱身化設計的XQ-58A無人機既可獨立執(zhí)行作戰(zhàn)任務，又可多機以集群模式作戰(zhàn)，同時還可作為有人/無人編隊中的“忠誠僚機”，與F-22、F-35等隱身戰(zhàn)斗機協(xié)同作戰(zhàn)，構成全隱身化空中作戰(zhàn)編隊。通過換裝不同任務系統(tǒng)與載荷，可在強對抗的“反介入/區(qū)域拒止”環(huán)境下執(zhí)行偵察監(jiān)視、電磁對抗、火力打擊等任務。除美空軍外，美海軍已購買2架XQ-58A無人機，作為“穿透、經濟可承受合作式協(xié)同殺手”項目的一部分，探索可隱蔽滲透對手防空系統(tǒng)，與有人機協(xié)同遂行高自主作戰(zhàn)任務的無人系統(tǒng)；美海軍陸戰(zhàn)隊積極測試該型無人機，探索其與F-35B/C戰(zhàn)斗機協(xié)同作戰(zhàn)的潛能，以支撐“遠征前進基地作戰(zhàn)”概念落地。

關鍵技術

低成本設計、分析與集成技術

低成本可消耗無人機研制響應美空軍快速開發(fā)、快速迭代的整體發(fā)展思路，依托數(shù)字工程手段在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)全平臺設計，并進行結構強度、風洞等相關模擬測試，在數(shù)字環(huán)境中進行初步分析，迭代平臺設計，從而減少實物測試時間和人力成本。采用模塊化設計方法，滿足平臺可移植性、可擴展性等實際要求，一方面對獨立的有效載荷可實現(xiàn)邊研發(fā)邊測試，無需集成全部載荷再進行技術驗證，從而減小修正成本，同時隨著相關技術不斷發(fā)展，可持續(xù)升級載荷模塊，以提升平臺性能；另一方面，模塊化載荷采用開放、統(tǒng)一標準、政府擁有的接口，可打破單一系統(tǒng)結構，進一步提高魯棒性與互操作性，制造商也可使用成熟的商業(yè)現(xiàn)貨，減小自身研制成本。

XQ-58A無人機是克拉托斯公司充分利用其已有UTAP-22戰(zhàn)術無人機、BQM-167A靶機等技術研究基礎，全新設計的一型無人機。該無人機設計過程遵循美軍模塊化開放式系統(tǒng)架構理念，使用數(shù)字工程手段，首先在虛擬環(huán)境中對數(shù)字孿生體進行設計迭代，再分階段開展驗證機測試，評估其平臺性能與載荷能力。

低成本制造工藝

低成本可消耗無人機為滿足低成本、快速迭代等特點，機身結構等關鍵組件的使用壽命會顯著低于有人作戰(zhàn)飛機，采用增材制造、智能裝配等先進技術可減小關鍵部件生產時長，優(yōu)化結構設計，從而有效降低生產成本；在前沿戰(zhàn)場部署該技術可快速生產備用零件，減輕后勤保障壓力，同時提高戰(zhàn)場環(huán)境中裝備持續(xù)作戰(zhàn)的能力。

波音公司聯(lián)合美空軍研究實驗室使用大尺寸增材制造技術生產了XQ-58A無人機機身熱壓罐工裝驗證件，展示了可在數(shù)天開發(fā)復雜工裝的潛力；美國連續(xù)復合材料公司采用翼肋長纖維注射成型、增材制造工裝、蒙皮自動纖維鋪放、自動鉆孔和機器人裝配等制造工藝成功制造出低成本可消耗飛機的機翼，可承載160%的設計極限載荷，在縮短制造周期、減低制造成本的同時，有效維持平臺機械性能要求。

低成本動力系統(tǒng)

低成本可消耗無人機在滿足體系作戰(zhàn)需求的前提下，強調有限壽命/架次，從而降低對飛行器強度的要求。因此，現(xiàn)有無人機發(fā)動機對此類無人機存在“性能過?！钡那闆r，需發(fā)展新型低成本動力系統(tǒng)以實現(xiàn)成本與性能的平衡。美空軍研究實驗室計劃2018至2026財年通過“經濟可承受任務”中“先進渦輪技術”項目，投資7.25億美元研發(fā)一系列用于下一代高、中、低功率渦軸發(fā)動機和戰(zhàn)斗機發(fā)動機技術，以滿足未來發(fā)動機支撐更多電力系統(tǒng)、定向能武器、大功率傳感器等需求，提高推進效率及飛行器自身能量水平。

XQ-58A無人機目前選用FJ33-5現(xiàn)貨渦扇發(fā)動機，價格占總成本目標的40%，且該發(fā)動機大修時間間隔達3500小時，遠超200至300小時的飛行要求，暫時無法達到其壽命成本和目標。在此背景下，克拉托斯公司于2019年2月成立新的克拉托斯渦輪技術分部，加速推進小型發(fā)動機項目研發(fā)，發(fā)展用于下一代戰(zhàn)術武器和戰(zhàn)術無人機的小型發(fā)動機，擬定最大推力4.5千牛，采用3D打印技術制造獨特的軸承，減少渦輪增壓器對燃油量的需求，同時簡化發(fā)動機結構，使其更易維護且可降低故障發(fā)生率。目前，該公司新型發(fā)動機仍在研發(fā)中。

自主控制技術

無人機對平臺自主化、智能化提出了更高要求，對低成本可消耗無人機而言，分解任務能力必將導致對數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、高速處理以及人機協(xié)同的需求大幅提升，因此亟需人工智能技術維持體系內的正常運轉。人工智能技術可加速處理復雜數(shù)據(jù)集，提升態(tài)勢感知與決策分析能力；控制無人平臺完成自主飛行、頻譜管理、目標識別等任務，減少操作員/飛行員的認知負擔，使其專注于復雜任務，提升作戰(zhàn)效能。在此背景下，美空軍通過“天空博格人”項目研發(fā)智能化自主控制軟件套件，可集成于多類低成本可消耗無人機平臺；美國防部國防高級研究計劃局通過“空戰(zhàn)進化”項目發(fā)展空戰(zhàn)格斗自主算法和異構智能作戰(zhàn)管理算法。

XQ-58A無人機已搭載“天空博格人”自主核心系統(tǒng)進行試飛，成功測試其與有人飛機協(xié)同飛行的能力。2020年12月，搭載自主核心系統(tǒng)的XQ-58A無人機與F-22、F-35戰(zhàn)斗機協(xié)同飛行，并作為通信中繼和數(shù)據(jù)網關，成功實現(xiàn)兩型戰(zhàn)斗機的數(shù)據(jù)交換；2023年7月，美空軍研究實驗室使用“自主空中作戰(zhàn)行動”智能軟件控制XQ-58A無人機與F-15E戰(zhàn)斗機編組飛行。