淺析諾斯羅普·格魯曼“火鳥”無人機

2009年，諾斯羅普·格魯曼公司開始發(fā)展“火鳥”（Firebird）可選有人駕駛飛機。有消息稱，有未公開客戶曾訂購1批共10架生產型機，但迄今仍無后續(xù)可確認報道。該型號的設計思路上有值得分析之處，故筆者根據公開資料對其進行初步分析。

項目概述

項目主要節(jié)點

2009年初期簡氏消息來源報道：諾·格公司指示其子公司比例復材公司（Scaled Composites）啟動自費研制項目，研制一種可選有人駕駛飛機的驗證機，比例復材公司給它的編號是Model 355。

以比例復材一貫的高研制速度，2010年2月，“火鳥”驗證機（注冊號N355SX）在位于美國莫哈維的比例復材試飛機場完成首飛。同年10月，該機就在加州向美國國防部官員進行了飛行演示。演示期間展示了同時搭載并使用視頻拍攝設備、光電/紅外成像設備、合成孔徑雷達（SAR）等多種傳感器。此后該機陸續(xù)參加多個演習和試飛測試項目，期間測試使用了很多種類的有效載荷。

2012年11月，第二架火鳥首飛。與第一架不同，它被稱之為“生產就緒”（Production-Ready Firebird，PRF）構型，在概念上類似于預生產型飛機，在總體布局、細節(jié)設計等方面都有所調整。

搭載各種有效載荷的試飛一直持續(xù)到至少2022年。2020年在“大型天空”無人機公園（Grand Sky Drone Park），“火鳥”曾表演了在38小時周期內以無人構型飛行36小時（其中首次飛行持續(xù)25.6小時）；而同年在加州莫哈維進行的有人飛行表演期間，4個飛行日內飛行45小時。2021年，“火鳥”在美國本土飛了一次約14484km（約9000mi）的巡回飛行。期間曾在多個地點逗留，以便向潛在客戶進行現場演示，包括以有人駕駛構型飛到任務地點，之后在2小時內快速切換傳感器包配置（在一天內安裝上全套傳感器，并在30分鐘內調整傳感器組成）并開始以無人構型執(zhí)行持續(xù)情報、偵察和監(jiān)視（ISR）任務。

不過，盡管從項目初期就在持續(xù)推銷，從2020年8月就開始和一個未公開國際客戶會談（甚至一度有消息稱可望獲得一個10架訂單），但均沒有產生訂單。最終，2022年4月，諾斯羅普·格魯曼確認擱置“火鳥”批生產計劃。

生產數量和技術狀態(tài)

關于已經生產的飛機數量，諾·格公司并未明確公開。而互聯網開源資料則存在一些相互沖突之處。

根據互聯網照片，至少存在5架注冊號不同的火鳥。N355SX是最先首飛的單座驗證機。N326JG是2022年出現的最新一架，是并列雙座的可選有人機。而兩者之間是N241PR和N518DF。N241PR可以確認是第一架批生產狀態(tài)原型機；從外觀分析N518DF的技術狀態(tài)與N241PR相同。

按照互聯網查詢的注冊號信息：N355SX是最先首飛的單座驗證機，注冊在比例復材公司。另外有5個注冊號注冊在諾·格系統公司。這些注冊號包括：R02型2架，N241PR和N412DB，但后者已經在2018年取消；R03型2架，N518DF和N716BE；H03型1架，N326JG?！盎瘌B”可查詢到的注冊號信息詳見表1。

筆者初步判斷：N412DB未找到照片，且注冊號已經取消，很可能該注冊號并未生產對應實體飛機。因此“火鳥”實際生產一架單座機和4架雙座機。

類似的，根據互聯網照片判斷：單座驗證機N355SX、雙座機N518DF、雙座機N326JG均已經進行過有人模式飛行和無人模式飛行，N241PR進行過有人模式飛行。這表明“火鳥”確實具備了無人駕駛和可選有人駕駛能力。

火鳥的總體/氣動布局設計分析

如果只考慮常規(guī)的中空長航時ISR任務，MQ-9采用的單機身+細長單機身布局是最成熟的一種。但“火鳥”的設計重點是強調能同時搭載多種傳感器且能在每次任務之間快速更換傳感器，以及可選有人駕駛，這就意味著需要在全機氣動布局方面進行針對性設計。

受大型有效載荷艙驅動而選擇的全機氣動布局。

按照設計要求，“火鳥”要求能同時搭載并使用4套有效載荷。這些載荷并不要求空對空用途，所以集中布置在機腹是最為合理的。這里不但在地面作業(yè)時可達性好、便于傳感器安裝和拆卸，而且其視野位于全機下半球，不容易被機體遮擋。因此，“火鳥”的有效載荷艙被設計得盡量長，從前起后方開始向后延伸到機翼下方位置，大尺寸也為未來大型傳感器預留了足夠空間。此外，“火鳥”還在傳感器艙位置的機身兩側都設計了大尺寸維護口蓋，便于任務間隔期間在地面根據任務對傳感器重構構型。

但大尺寸有效載荷艙意味著機身沒有空間布置主起落架。所以順理成章地，機身被設計為短艙式，其后端只延伸到機翼后緣處，末端布置發(fā)動機和螺旋槳。機身兩側的機翼上布置雙尾梁。尾梁前段設計為主起落架艙，容納向前收回的主起落架；尾梁后端則向后延伸到推進式螺旋槳后方很遠處，末端的雙垂尾的頂部由高置平尾/升降舵連接。

選用雙尾梁布局，既是必需也帶來額外收益。機頭布置有衛(wèi)通天線等較重設備，有效載荷艙在機身的位置也相當靠前，為了縱向平衡，需要將垂直安定面和水平安定面布置到盡量靠后位置來平衡前部重量。當然，兩個尾梁的最前端，也可以根據需要用于布置前向天線，這個位置的天線在正面的俯仰方位上幾乎沒有遮擋。

有人/無人駕駛模式切換的工程設計

可選有人駕駛，既是“火鳥”的“賣點”，也是需要仔細進行權衡的設計難點?？蛇x有人駕駛，允許無人機在美國境內能相對不受約束地飛行到任務地點，之后切換為以無人模式執(zhí)行任務。這樣就規(guī)避了當時美國的國內相關規(guī)定。這也是當時諾·格公司認為存在的一個細分市場。

但相應的，有人駕駛也對飛機設計有所約束。首先是要解決有人駕駛起飛降落時如何觀察外部。具體的解決方法是采用專用的、帶多塊透明件的薄壁整流罩作為駕駛艙殼體。這個整流罩與常規(guī)衛(wèi)星通信整流罩有相同的機身安裝接口?？梢愿鶕蝿招枰惭b其中一塊而無需修改或調整機身。同時，飛行員座椅和儀表板等有人駕駛所需的設備，可以快速拆除，之后換成衛(wèi)星通信天線。

但這種工程簡化手法，也會帶來相應的使用限制。生產商并未公開有人駕駛用整流罩的結構和強度數據，但從照片分析，它不具備耐受座艙余壓的能力。而具備座艙增壓功能的飛機，通常最多在5000米（約1.5萬英尺）高度以下不增壓。換言之，在有人駕駛模式中，如果飛行員不使用氧氣面罩、代償背心（或全身式代償服），就很難駕駛飛機長時間在5000米以上高度飛行。所以可以合理推測：有人模式只適合不能無人執(zhí)行的轉場任務，而不適合執(zhí)行持續(xù)ISR任務。

各個構型的細節(jié)設計分析

5架已經確認存在的“火鳥”包含了多種構型，且因為其用途不同，這5架火鳥彼此之間又存在一些差異。因此有必要進行細節(jié)分析。

N355SX號單座驗證機

N355SX號機是驗證機，其功能集中于驗證全機氣動布局、同時搭載多個有效載荷、可選有人駕駛能力等重點技術，并不用作原型機，所以其設計更多體現在快速驗證方面。與此同時，它驗證的多項成熟技術也沿用到后續(xù)各架“火鳥”上。

N355SX奠定了整個家族的基本氣動構型。短艙機身整個前段布置衛(wèi)星通信天線艙/駕駛艙和有效載荷艙，末端布置發(fā)動機和螺旋槳。適應中空長航時需求的大展弦比機翼實際上分為三段，兩尾梁之間的翼段略有下反，尾梁外側的翼段明顯上反，而翼尖又有明顯下反，機翼前緣有很小的前掠角。收放式前三點起落架，前起落架轉軸位于座艙下方，向前收回；主起落架向前收回尾梁前段內的主起艙；起落架的布局為機身騰出了大型有效載荷艙的空間。尾梁向后延伸很遠，末端為一體化垂尾/方向舵，垂尾頂端則用非金屬轉接部件圓滑向內延伸對接、形成平尾/升降舵。

短艙機身后端布置動力裝置?！盎瘌B”家族系列型號都裝一臺TEO-540E活塞發(fā)動機，發(fā)動機裝有雙渦輪增壓器和中冷，排量8.9L，額定功率大于261kw。據稱這種發(fā)動機能使用航空汽油或汽車用汽油，筆者猜測這也是該型號發(fā)動機被選用的原因之一。搭配三葉推進螺旋槳。

類似的，平尾和垂尾用外形圓滑的轉角連接件連接，也很符合“比例復材公司擅長用低價工藝少量生產外形復雜的結構件”的傳統。這種工藝手段不適合大批量生產，但很適合驗證機的定位。盡管不顯眼，但該機的前起落架艙和主起落架艙均沒有艙門，這種做法在驗證機上也是合理的。

在有人駕駛模式下，機頭安裝一個薄壁“鼓包”，這個“鼓包”上有一塊正面、兩側各一塊透明件，供飛行員觀察外界。將“鼓包”整體取下，飛行員就能出入座艙。飛行員前方儀表板配備有至少4個顯示器。切換為無人駕駛模式時，需要拆除飛行員座椅和儀表板，安裝衛(wèi)星通信設備并更換為外形相同的衛(wèi)星通信整流罩。有人駕駛用“鼓包”和無人駕駛用衛(wèi)星通信整流罩的外形一致，就不會在構型切換時改變外形，適合驗證機的任務定位。不利之處就是“鼓包”外形要兼顧有人/無人駕駛，因此“鼓包”最高點位置相當靠前，以適應飛行員駕駛的視野需求。

機腹有效載荷艙曾多次驗證單架次搭載最多4套有效載荷、且這些載荷由位于地面不同地點的操作員同時操作（如2011年在亞利桑那州進行的Empire Challenge 2011演習期間，它就驗證了同時掛載SIGINT/DF傳感器、EO/IR成像裝置、雷達、通訊中繼設備）。此外，簡氏資料稱“預留有一個機身中心線掛點和兩個機翼掛點”，也確實曾在中心線外掛多種有效載荷吊艙進行過試飛，但尚未有照片證實“兩個機翼掛點”的存在。

“火鳥”雙座機

N241PR是第一架雙座型“火鳥”（如圖2所示），2011年開始發(fā)展。它被稱之為“生產就緒配置”（Production- ready Firebird Configuration）。按照字面意思，即該機按照批生產標準來設計，因此顯著淡化了驗證機色彩，更接近于批生產實用型號。此外，已知存在的“火鳥”雙座機至少有4架，含3個不同型號，每個型號都存在少量細節(jié)差異，但基本布局、用途和發(fā)動機基本不變。

以單座型火鳥為基礎并保留基本構型，雙座型針對實際使用進行了相應的優(yōu)化：

（1）重點優(yōu)化9754m（32000英尺）高度續(xù)航力。為此機身加長（從10.36m加長到10.8m），翼展加大（從19.81m增加到22.01m），提高升阻比。簡氏資料稱：機翼具備折疊能力，折疊后翼展16.2m。但筆者認為此處存疑，因為即使這樣折疊后，全機仍然難以進行公路/海運/空運，沒有獲得折疊設計應有的“收益”。

（2）按照批生產標準，重新設計了平尾（優(yōu)化尺寸，改為更常規(guī)的、與垂尾不進行一體化的常規(guī)平尾），改用五葉螺旋槳。

（3）尾梁前段加深，最前端扁平化。

雙座型“火鳥”變化最大的部位在衛(wèi)星通信艙/駕駛艙段。該艙段的寬度按照布置并列雙座來設計，衛(wèi)星通信艙整流罩和駕駛艙整流罩也不再采用相同外形。衛(wèi)星通信艙整流罩的形狀比單座型更圓滑光順、頂點后移。駕駛艙整流罩則完全按照有人駕駛時對視野的需求來設計，布置有正面風擋和兩側帶大面積透明件的側門，不拆卸整流罩空勤就可以直接出入駕駛艙。

駕駛艙布置并列雙座，均配備提高舒適性、適應長航時任務的座椅。駕駛艙內配裝1套Garmin G3000電子飛行信息系統/EFIS，這套系統配備了3個14.1英寸多功能顯示器和2個5.7英寸飛行管理用觸摸屏。而且駕駛艙允許安裝多個ISR任務顯示器，用于配套最多3個機載傳感器使用。

圖5展示了“火鳥”如何從有人駕駛切換為無人駕駛：拆除整個駕駛艙整流罩，拆除儀表板和座椅，安裝衛(wèi)通天線，換裝衛(wèi)星通信整流罩。

雙座型“火鳥”各個型號之間也有細微區(qū)別，如發(fā)動機進氣罩的形狀不同（也有說法認為“H3等構型雙座機可能更換了發(fā)動機”）、起落架艙增加了艙門等。

總結

從啟動自費研制到最終擱置批生產項目，“火鳥”家族各型號的發(fā)展持續(xù)了超過13年。長期試飛和使用驗證都證明“火鳥”達到了其設計要求，但盡管公司長期推銷，“火鳥”在被擱置之前仍然未獲得任何確認訂單。作為一個技術成熟但商業(yè)失敗的項目，其中的經驗教訓值得吸取。

從某種意義說，“火鳥”的商業(yè)失敗是必然的。其最大特點是可選有人駕駛，目的是為了規(guī)避當時美國國內的空域管理制度。但在空域管理制度發(fā)生變化、放松了對無人飛行的管制后，這個特點就成了可有可無的“雞肋”。

從作戰(zhàn)使用場景來看，“火鳥”的適應范圍也過于局限。其最大軍用價值是同時搭載多個傳感器、并允許多個地面操作員在不同地點操縱機載傳感器。但10000m升限、370km/h的最大速度都決定了它只適應于沒有空中威脅的低烈度戰(zhàn)場。而沒有武器攜帶能力，更意味著它無法直接打擊被它發(fā)現的時間敏感目標。相比之下，雖然只能攜帶一個傳感器轉塔、續(xù)航力也低于“火鳥”，但MQ-9系列均有較高的武器掛載能力，能直接打擊被發(fā)現的目標，顯然更能適應戰(zhàn)場需要。在美軍將作戰(zhàn)樣式從低烈度治安戰(zhàn)轉向對強敵高烈度作戰(zhàn)后，“火鳥”這類幾乎沒有對空自衛(wèi)能力的ISR無人機便徹底沒有用武之地。

因此筆者認為：在飛行器發(fā)展過程中，特別是總體設計時不能過于劍走偏鋒、預定設計任務范圍過于狹窄，還需要在重量、飛行性能、能源供應等諸多方面均留出足夠的發(fā)展余量，才能確保其有足夠的生命力。