淺析美國(guó)空軍ULTRA長(zhǎng)航時(shí)戰(zhàn)術(shù)偵察無人機(jī)

據(jù)公開報(bào)道：今年5月，美國(guó)空軍在阿聯(lián)酋部署了ULTRA長(zhǎng)航時(shí)戰(zhàn)術(shù)偵察無人機(jī)。該無人機(jī)的發(fā)展由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室主管，基于成熟的民用動(dòng)力滑翔機(jī)，集成成熟的有效載荷，以較短發(fā)展周期獲得了一種低成本長(zhǎng)航時(shí)ISR平臺(tái)（據(jù)稱續(xù)航能力超過80小時(shí)）。對(duì)其發(fā)展進(jìn)行分析，有助于了解其特點(diǎn)，獲取有價(jià)值的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。

Stemme S10和S12

德國(guó)Stemme AG公司研制的S系列動(dòng)力滑翔機(jī)家族，包括了多個(gè)型號(hào)。第一種S10型號(hào)的原型機(jī)在1986年首飛，1990年首次取證。之后投產(chǎn)了各種型號(hào)，直到2016年停產(chǎn)。1995年曾交付美國(guó)空軍2架，分配給美國(guó)空軍學(xué)院下屬的第94航空訓(xùn)練中隊(duì)。

S10系列接近停產(chǎn)時(shí)，該公司又開始研制基于前者的S12型。S12型于2015年3月27日在德國(guó)首飛，4月首次公開原型機(jī)。2016年在歐洲取得適航證，2017年取得FAA適航證，之后批生產(chǎn)至今。

美國(guó)DZYNE Technologies公司曾先后用民用滑翔機(jī)改裝過LEAP和ULTRA兩種長(zhǎng)航時(shí)無人偵察機(jī)。在美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（即ULTRA項(xiàng)目管理部門）于2022年發(fā)布的視頻中，ULTRA已經(jīng)開始試飛。因此，對(duì)比S10系列和S12的系列的批生產(chǎn)狀況，筆者認(rèn)為ULTRA更可能用S12改裝。鑒于S12的公開資料不多，筆者將更多基于S10的資料進(jìn)行分析。

S10動(dòng)力滑翔機(jī)概況

不考慮自帶動(dòng)力系統(tǒng)，S10的外觀和布局都是典型的運(yùn)動(dòng)滑翔機(jī)。

為獲得高的升阻比，它選用的是高展弦比的無后掠機(jī)翼。內(nèi)翼段基本等弦長(zhǎng)，外翼段則有較為明顯的削尖，翼尖可選裝翼尖小翼，因此全機(jī)滑翔比高達(dá)50：1。此外，為方便運(yùn)輸，機(jī)翼外翼段還可以在地面折疊，將翼展從23m縮短到約11.4m。

高度流線型的機(jī)身，最前端為前整流罩和收放式螺旋槳。之后是低矮的座艙段，內(nèi)部并列布置兩個(gè)飛行員席位。駕駛艙段之后是全機(jī)的主要承力段，這里集中布置了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、收放式主起落架、機(jī)翼/機(jī)身對(duì)接承力結(jié)構(gòu)。再之后的圓形截面機(jī)身則逐漸收縮直徑，末端與單垂尾，方向舵融為一體，并布置固定式尾輪。平尾，升降舵采用T形尾翼布局位于垂尾頂端。

起落架系統(tǒng)有其特色。后三點(diǎn)布局，主起落架向內(nèi)收回，固定式尾輪帶整流罩。為了便于地面牽引，地面時(shí)可以臨時(shí)安裝輔助輪，不但將尾輪抬起離地，也是牽引桿的連接點(diǎn)。這個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)也沿用到后來的ULTRA無人機(jī)上。

為了盡量均衡地平衡有動(dòng)力飛行和無動(dòng)力滑翔，S10采用了很多設(shè)計(jì)折衷，值得詳細(xì)分析。

后置發(fā)動(dòng)機(jī)無疑是最主要的措施。發(fā)動(dòng)機(jī)布置在座艙之后，通過長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)軸和離合器去驅(qū)動(dòng)機(jī)頭螺旋槳。圖4為S6型的發(fā)動(dòng)機(jī)布置圖和S10上發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際安裝狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)后置，將起落架、機(jī)翼等部件的傳力機(jī)構(gòu)可以綜合，且都集中在重心周圍。這樣在整個(gè)飛行期間全機(jī)重心變化可以控制到最低限度。這段機(jī)身采用承載能力更好的鋼管骨架結(jié)構(gòu)。

動(dòng)力飛行時(shí)后置發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)氣冷卻和排氣，但發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)又不需要。為此，將發(fā)動(dòng)機(jī)艙的進(jìn)氣口（如圖5所示，位于左側(cè)翼根下的機(jī)身側(cè)面）和排氣口（如圖5所示，位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙下方的機(jī)身底部）設(shè)計(jì)為收放式；機(jī)頭螺旋槳設(shè)計(jì)為收放式。動(dòng)力飛行時(shí)，機(jī)頭整流罩前移，螺旋槳依靠離心力展開并開始工作，進(jìn)氣口和排氣口展開。轉(zhuǎn)八滑翔時(shí)，螺旋槳收回、機(jī)頭整流罩后退封閉，進(jìn)氣口和排氣口收回，此時(shí)全機(jī)保持非常干凈的氣動(dòng)外形，盡可能減少阻力、從而提高滑翔比。

油箱布置在中央翼段外端，左右各一個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)載油量為各45L，也可選裝更大的60L油箱。因此全機(jī)總油量為90L或120L。油箱布局讓油量消耗產(chǎn)生的重心變化最小化。

這些設(shè)計(jì)手段產(chǎn)生了積極的效果。在裝載90L內(nèi)油和120L內(nèi)油時(shí)，動(dòng)力航程分別為1289km和1718km，而放下襟翼時(shí)失速速度仍然保持了非常低的78km/h（約42kn），起飛滑跑也只需要205m。

S12動(dòng)力滑翔機(jī)概況

S12動(dòng)力滑翔機(jī)可以被視為S10的升級(jí)型，其氣動(dòng)布局基本類似S10，主要改進(jìn)包括重新設(shè)計(jì)機(jī)翼、加大垂尾，方向舵，同時(shí)升級(jí)座艙內(nèi)的顯示控制設(shè)備。

該型號(hào)于2015年首飛，同年4月在德國(guó)首次公開。截止到2018年4月，已經(jīng)完成約18架。已經(jīng)交付的的客戶包括俄羅斯和美國(guó)。

基本氣動(dòng)布局仍然不變：帶翼尖小翼的大展弦比平直機(jī)翼，T形尾翼，后三點(diǎn)起落架（主起落架向內(nèi)收回，固定式尾輪帶整流罩），起落架布置在駕駛艙之后。具體而言，變化最大的是機(jī)翼。翼展加長(zhǎng)至約25m，但機(jī)翼折疊后寬度仍然為11.4m。同時(shí)，也提供基本與S10相同的短翼展機(jī)翼（翼展約21.7m）。其他主要尺寸和重量也均略有增加。飛行性能基本保持不變，但最優(yōu)滑翔比略有增加一基本型機(jī)翼時(shí)能達(dá)到53：1。

對(duì)S10/S12的總體評(píng)價(jià)

從飛機(jī)設(shè)計(jì)的角度看，S10/S12動(dòng)力滑翔機(jī)是相當(dāng)優(yōu)秀的。自帶動(dòng)力裝置讓它們無需依靠外部設(shè)備就能從機(jī)場(chǎng)自行起降，可折疊的機(jī)翼不但降低了對(duì)機(jī)癢空間的需求，也允許一個(gè)人就能在拖車上完成整個(gè)機(jī)翼的全部安裝工作，良好的氣動(dòng)布局和動(dòng)力系統(tǒng)的精細(xì)設(shè)計(jì)讓它獲得了輕型飛機(jī)的航程。這也為日后改裝為無人機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。

ULTRA長(zhǎng)航時(shí)戰(zhàn)術(shù)偵察無人機(jī)

美國(guó)DZYNE Technologies公司的主要業(yè)務(wù)是為防務(wù)需求提供先進(jìn)無人系統(tǒng)。此前公司研制的LEAP無人機(jī)就是基于貨架民用滑翔機(jī)進(jìn)行改裝的，續(xù)航能力約40h。LEAP無人機(jī)和S6滑動(dòng)力滑翔機(jī)原型機(jī)如圖6所示。對(duì)比兩者的相似程度，筆者傾向于認(rèn)為是ULTRA無人機(jī)是基于Stemme公司產(chǎn)品研發(fā)而來。

截至2022年8月的進(jìn)展

ULTRA項(xiàng)目的啟動(dòng)時(shí)間和首飛時(shí)間，目前尚未查到。但可以明確：該項(xiàng)目的軍方管理單位是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL），研制方是美國(guó)DZYNETechnologies公司。

2022年8月，AFRL發(fā)布了一段視頻。視頻中給出了ULTRA的部分參數(shù)、照片，以及飛行和起降的視頻。將視頻及其數(shù)據(jù)與S10/S12滑翔機(jī)進(jìn)行對(duì)比，已經(jīng)可以進(jìn)行比較深入地分析。

外觀上，ULTRA和S10/S12基本相同，相對(duì)明顯的區(qū)別，除了翼尖小翼的形狀和布置有天線外，ULTRA保留了原有的雙座艙蓋外形，但中心線附近加高以容納衛(wèi)通天線。同時(shí)在前機(jī)身機(jī)腹增加鼓包，用于布置外置的光電球。

類似的，因?yàn)闊o需考慮無動(dòng)力滑翔，螺旋槳部分有較大變化。固定的機(jī)頭整流罩變?yōu)榕c螺旋槳同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的槳轂帽，螺旋槳本身也從收放式雙葉槳改為固定式三葉槳。此外，放棄滑翔能力后，收放式進(jìn)氣口和排氣口也改為固定式。

從數(shù)據(jù)對(duì)比上則能看到其他一些值得關(guān)注之處，見表1。

總體布局和尺寸基本不變而重量大幅度增加，對(duì)性能的影響是明顯的。最明顯的就是起飛性能，起飛距離增加數(shù)倍。但續(xù)航力增加后它可以在遠(yuǎn)離前線的正規(guī)機(jī)場(chǎng)起降，因此起降性能下降對(duì)使用影響不大。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口和排氣口改為固定式，“艙蓋”中心線區(qū)域加高以容納衛(wèi)通天線，機(jī)腹增加鼓包和光電球，這些因素導(dǎo)致ULTRA的氣動(dòng)外形沒有S10/S12“干凈”，阻力更高。此時(shí)如何實(shí)現(xiàn)續(xù)航力提高數(shù)倍？筆者認(rèn)為主要技術(shù)措施為以下兩點(diǎn)：

一是盡量?jī)?yōu)化機(jī)翼升阻比，同時(shí)盡量降低巡航速度。降低巡航速度能夠相應(yīng)降低巡航飛行阻力，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)所需輸出功率和單位時(shí)間內(nèi)耗油。也就是以降低巡航速度來換取增加巡航時(shí)間。

二是盡可能增加載油量。如果飛行員重量設(shè)定75kg，則滑翔機(jī)的有效載荷約150kg，這個(gè)重量與ULTRA的有效載荷204kg相比差別不大；全機(jī)增重后，機(jī)體和起落架需相應(yīng)加強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生少量增重。由此分析，從滑翔機(jī)的850kg最大起飛重量，增加到ULTRA的1362kg重量，增重的主要份額很可能是大幅度增加的載油量。

如果上述分析成立，那么ULTRA超過80h的續(xù)航能力，主要是依靠降低巡航飛行速度和大幅度增加載油量來獲得的。

近期實(shí)戰(zhàn)部署期間的進(jìn)展

近期，美軍公開消息稱“ULTRA無人偵察機(jī)已經(jīng)在中東使用布署”，并發(fā)布了少量照片。但對(duì)無人機(jī)本身并未給出細(xì)節(jié)信息。照片顯示：該機(jī)攜帶有光電吊艙等有效載荷，是在執(zhí)行使用任務(wù)而非試飛。

從照片分析，除了在機(jī)翼上表面增加疑似任務(wù)系統(tǒng)所需天線外，最明顯的外觀變化出現(xiàn)在螺旋槳處。

螺旋槳本身從2022年?duì)顟B(tài)的三葉槳再次改回雙葉，且螺旋槳軸線有明顯的向上偏轉(zhuǎn)。筆者推測(cè)：可能是因?yàn)榍皺C(jī)身機(jī)腹增加的傳感器導(dǎo)致全機(jī)重心前移，于是將螺旋槳軸線向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向上的分力來補(bǔ)償重心前移導(dǎo)致的低頭趨勢(shì)。

總結(jié)

以相對(duì)短的發(fā)展周期和相對(duì)低的發(fā)展費(fèi)用，美國(guó)DZYNE Technologies公司就以一種成熟的民用運(yùn)動(dòng)滑翔機(jī)發(fā)展出可供實(shí)戰(zhàn)使用的長(zhǎng)航時(shí)ISR無人機(jī)。從中筆者提出兩個(gè)觀點(diǎn)：

一是要善于利用現(xiàn)成的成熟平臺(tái)。ULTRA的研制成功，固然是因?yàn)樯a(chǎn)商進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，但S10/S12的優(yōu)秀基礎(chǔ)水平、尤其是對(duì)有動(dòng)力飛行/無動(dòng)力滑翔的精細(xì)權(quán)衡，更是取得成功的關(guān)鍵。如果沒有原始設(shè)計(jì)高達(dá)50：1的最優(yōu)滑翔比，ULTRA要達(dá)到超過80h續(xù)航您能力是不可能的。

二是有必要關(guān)注航空航天領(lǐng)域的美國(guó)曝光率不高的優(yōu)秀小型公司。獲得CCA階段1合同的安杜利爾公司1，甚至從未研制過噴氣動(dòng)力飛行器；全尺寸翼身融和體運(yùn)輸機(jī)全尺寸驗(yàn)證機(jī)的合同，授予給了JetZero這個(gè)初創(chuàng)公司；擅長(zhǎng)研制自主性平臺(tái)的DZYNETechnologies，在此次公開ULTRA無人機(jī)之前國(guó)內(nèi)幾乎沒有公開報(bào)道。近年美國(guó)空軍明顯強(qiáng)化了對(duì)有突出專長(zhǎng)的小公司的扶持，其原因不僅在于傳統(tǒng)大型防務(wù)公司的不佳表現(xiàn)，也在于這些小公司在個(gè)別重要領(lǐng)域的突出特長(zhǎng)和快速研制能力。因此，有必要對(duì)這些小公司持續(xù)關(guān)注。