赫爾墨斯900無人機總體設(shè)計與性能分析

赫爾墨斯900（Hermes 900）無人機是以色列埃爾比特系統(tǒng)公司（Elbit Systems Ltd.）發(fā)展的一種多用途中空長航時無人機，與尺寸、重量均更小的赫爾墨斯450無人機形成產(chǎn)品系列。目前赫爾墨斯 900已經(jīng)有多個國內(nèi)外用戶。在總體設(shè)計方面，有一些設(shè)計特點值得分析和借鑒。

赫爾墨斯450的能力短板

赫爾墨斯450是同一個產(chǎn)品系列中尺寸和重量更小的型號。作為ISR平臺，它的優(yōu)點和短板都相當(dāng)明顯。

為了實現(xiàn)長航時，它采用大展弦比平直機翼，而且用支柱架高到機身上方，整個機翼都能產(chǎn)生升力且減少了干擾阻力，翼尖向下彎曲并延伸以降低誘導(dǎo)阻力。動力裝置為常用的推進(jìn)式布局：后置活塞發(fā)動機和推進(jìn)式螺旋槳。主起落架和前起落架均為固定式，在兩者之間的機腹布置面向地面的任務(wù)載荷。

赫爾墨斯450翼展10.5m，全長6.4m，空重200kg，最大起飛重量450kg。它的尺寸不小，但重量并不大。

尺寸和重量帶來的影響，除了續(xù)航能力外，還對有效載荷有所約束。圖2（左）是配裝的衛(wèi)通天線系統(tǒng)，圖2（右）是機腹的對面雷達(dá)。顯然，因為機身最大直徑只有0.52m，導(dǎo)致難以在機頭等位置難以布置衛(wèi)通天線等大尺寸載荷，以至于衛(wèi)通天線不得不以支柱高架到機身上方。

赫爾墨斯900概述

赫爾墨斯450已經(jīng)證明—過于限制機體尺寸將直接限制無人機的飛行性能和任務(wù)能力。所以赫爾墨斯900實際上并不是一些資料所稱的“以赫爾墨斯450為基礎(chǔ)改進(jìn)設(shè)計”，而是進(jìn)行了完全的重新設(shè)計。

飛行器概況

赫爾墨斯900的設(shè)計用途是持久ISR。所以其氣動布局與通用原子成熟的MQ-1/9系列相當(dāng)相似。

為適應(yīng)中空長航時飛行，采用成熟的大展弦比平直機翼，幾乎等弦長。全翼展的后緣都是操縱面和襟翼。固定前緣。后部是V尾。類似MQ-1系列，活塞發(fā)動機和推進(jìn)式螺旋槳都布置在機身末端，也選用類似的Rotax活塞發(fā)動機并配備增壓器，以適應(yīng)1萬米左右的升限和使用高度。細(xì)長機身的截面尺寸大于赫爾墨斯450，但其機頭仍然在左右方向和高低方向都明顯加大，以布置大尺寸衛(wèi)星通信天線。

總體布局和有效載荷能力的相互折衷

赫爾墨斯900于2007年公開，2009年12月首飛。與通用原子公司的第一代實用無人機MQ-1B相比，兩者因為采用了幾乎相同的105馬力Rotax 914渦輪增壓四缸活塞發(fā)動機，兩者的外部尺寸和重量都相當(dāng)接近。從升限和續(xù)航能力等性能看，其飛行性能也差別不大。

類似的，因為任務(wù)有相近之處，總體氣動布局也相當(dāng)相似，均采用細(xì)長機身、大展弦比平直機翼和后置發(fā)動機/螺旋槳。但因為對有效載荷的需求差別比較大，其細(xì)節(jié)設(shè)計上存在明顯區(qū)別。

如圖4所示，左為MQ-1B，右為MQ-9B。從MQ-1系列開始就奠定了通用原子公司無人機的基本布局。細(xì)長機身前部、前起落架之前的底部布置傳感器轉(zhuǎn)塔，后部布置發(fā)動機和螺旋槳。而機身中段，用于布置機翼；在機翼-機身對接部位的機身底部兩側(cè)，布置以很大角度外張的機身主起落架，很長的主起支柱收回后與機身縱軸平行。

這種總體布局，對于MQ-1B這種察打一體無人機是合適的：

（1）只需要一套傳感器，就能夠滿足任務(wù)要求。因此可以將其布置在機頭盡可能靠前的位置，以獲得最無阻礙的視界，也能最大限度遠(yuǎn)離發(fā)動機及其振動。

（2）因為下反尾翼的存在，主起落架在放下后需要有足夠的高度，以確保起降時下反尾翼與地面保持足夠間距。主起落架收回后與機身縱軸線平行，可以盡量利用機身的縱向長度，來保證主起落架支柱所需的長度。

（3）機翼懸掛武器時，在武器單邊掛載和單邊發(fā)射時，存在較大的不對稱力矩，因此需要掛點盡量靠近機身對稱面。將主起布置在機身上，其收放過程中不掃掠到機翼下方，允許機翼武器掛點盡量靠近對稱面。

（4）機翼不考慮布置起落架，其主承力結(jié)構(gòu)可以設(shè)計得更簡單更完整，外形也更干凈，更適應(yīng)長航時需求。

當(dāng)然，相應(yīng)的代價就是機腹中心線不適合外掛有效載荷。如圖4所示，因為主起落架的布局，兩個主起放下后形成一個三角形約束，且兩個主起占用了一部分機腹空間。所以，如果要在機翼附近的全機重心區(qū)域外掛額外傳感器，就需要有意加長外掛物的掛架、降低外掛物的高度，才能適應(yīng)主起落架之間的空間限制。這就在一定程度上約束了可選擇的外掛物范圍，也限制了中心線外掛物的尺寸。

但對于赫爾墨斯900而言，因為設(shè)計任務(wù)不同，沿用MQ-1B的布局就并非最優(yōu)了。赫爾墨斯900的設(shè)計任務(wù)只是長航時ISR，基本不考慮攜帶武器完成攻擊任務(wù)，所以雖然確實設(shè)計有機翼掛點，但只考慮用于外掛傳感器吊艙。而傳感器吊艙在任務(wù)期間是無需發(fā)射的，幾乎不會導(dǎo)致單側(cè)拋棄所導(dǎo)致的載荷不對稱，所以掛點可以設(shè)計得更靠外側(cè)，從而可以騰出機翼內(nèi)側(cè)下表面空間。

與此同時，它在設(shè)計上還要求能同時攜帶多套傳感器。而第2套傳感器如果強行布置在機頭下方，不但可能讓兩套傳感器的工作相互干擾，而且也會導(dǎo)致重心前移。因此，在機翼下方（也就是全機重心附近）的機腹區(qū)域布置傳感器，不但有充足的空間，而且重構(gòu)機載傳感器構(gòu)型時也不會導(dǎo)致全機重心變化過大。

于是最終成型的赫爾墨斯900的布局就是這樣（如圖5所示）：主起落架連接點位于機翼下表面、靠近翼根處，向上、向外收回到機翼內(nèi)。主起支柱自帶艙門；機翼下表面機輪收回位置設(shè)計突出的整流罩，容納收回后的主輪（整流罩前端疑似布置著陸燈）。將主起落架布置到機翼，就可以將中機身機腹騰出來布置傳感器。如圖5（右）所示，這個全尺寸航展模型下方地面的物體，就是用于直觀展示內(nèi)埋有效載荷艙可用體積的參照物。以全機尺寸作為基準(zhǔn)，該內(nèi)部載荷艙長度約2.5m、寬度不低于0.5m，因此在必要時，這個載荷艙的有效容積和掛載能力均允許掛載一枚或多枚中小型空對面制導(dǎo)武器，用于攻擊高價值目標(biāo)。

從實際試飛看，赫爾墨斯900達(dá)到了其設(shè)計目標(biāo)。如圖6所示，因為機腹載荷艙的存在，除了機頭下方通常配備的光電轉(zhuǎn)塔，機腹還可以布置一臺體積顯著加大的傳感器。無論是體積大很多的多孔徑傳感器，還是光窗口徑明顯大于機頭轉(zhuǎn)塔、外觀類似阿帕奇直升機機頭類似傳感器的多窗口轉(zhuǎn)塔，都可以同時掛載在機腹。根據(jù)需要，還可以在機翼掛點掛載額外的ESM類吊艙。

結(jié)語

“戲法人人會變，各有巧妙不同”。作為后來者，如果基本借用MQ-1B的成熟經(jīng)驗，赫爾墨斯900并不是不可以用，但顯然對于其任務(wù)而言，并非最優(yōu)解。飛機設(shè)計的核心之一，就是根據(jù)用戶的需求，經(jīng)過折衷協(xié)調(diào)后找到最適合的總體布局。在這個過程中，一味沿用已有的成熟設(shè)計，很難得到真正最優(yōu)的設(shè)計方案。需要通過全面分析和合理取舍，才能找到綜合效果最優(yōu)的解決途徑，赫爾墨斯900就是個很好的例子。