立式起降

溫杰

2015年12月24日，美國國防部先進研究項目局（DARPA）和美國海軍研究辦公室（ONR）宣布，將價值9 310萬美元的“戰術拓展偵察節點”（TERN）計劃的第三階段合同正式授予諾格公司，由航空航天系統分部負責設計、制造和測試一架全尺寸無人駕駛原型機，旨在驗證這種全新設計的垂直起降（VTOL）飛行器具備在“阿利·伯克”級驅逐艦或瀕海戰斗艦等小型艦船上自由起降的能力。

從裝備發展來看，DARPA和美國海軍正在通過概念定義、技術成熟和系統驗證等三個階段，致力于打造出一種“捕食者”級別的中空長航時艦載無人機，嘗試將現役小型軍艦變身為無人機航母，從而極大地拓展美國海軍的空中偵察與打擊能力。如果研制工作順利，最終投入生產的無人機將陸續裝備到美國海軍的各種軍艦上，承擔起情報、監視和偵察（ISR）任務，并可以對敵方小型目標實施有效打擊。

垂直起降成為夢想

長期以來，美國海軍一直渴望將垂直起降飛機部署到更多的軍艦上，然而復雜的關鍵技術和高昂的采購成本一直成為這種作戰平臺無法研制成功的“攔路虎”。從第二次世界大戰結束到冷戰時期，美國海軍先后嘗試過多種垂直起降技術，但大都半途而廢。

20世紀50年代初，美國海軍曾經雄心勃勃地認為，可以在貨船上配備一種立式垂直起降戰斗機執行護航任務，并選擇康維爾公司和洛克希德公司分別制造了XFY-1和XFV-1垂直起降原型機。然而，試飛結果表明，推進裝置和控制系統在技術上都不夠成熟，甚至近乎于危險，最終不得不放棄。其后20年間，美國海軍還提出了V/STOL-A和V/STOL-B的設想，甚至還貿然研制過XFV-12A超音速垂直起降艦載戰斗機，最后都無果而終。

在此期間，美國海軍曾經在60年代研制出遙控的QH-50無人反潛直升機（DASH），并將其部署在驅逐艦上，但是性能無法達到預期。1970年，美國海軍無奈取消了無人機隊的部署計劃。80年代，美國海軍仍然沒有放棄讓高性能作戰飛機從小型軍艦的甲板上自由起降的夢想，但是經過數十年間摸索和努力，意識到當前技術的局限性，只好將垂直起降的一部分能力賦予了艦載直升機。

時光跨入21世紀，無人駕駛技術的逐步成熟促使美國海軍再一次審視昔日的垂直起降飛機想法。當無人直升機再次成為美國軍艦上的一員時，時間已經過去了30年，而這次的主角是諾格公司的MQ-8B“火力偵察兵”戰術無人機系統。然而，隨著海上作戰需求的不斷變化，MQ-8B逐漸暴露出在總體尺寸方面的不足，促使諾格公司通過工程改進途徑發展出MQ-8C無人直升機，以滿足美國海軍對于海基中程監視平臺的迫切需求。新一代“火力偵察兵”極大地增加了作戰半徑和續航時間，執行任務時間達到原有的3倍，而且可以搭載更多的任務載荷，具有更強的情報搜集能力。

盡管如此，當前的各項技術依舊存在著諸多局限，無法滿足美國海軍在任何時間、任何地點實施機載ISR和空中打擊移動目標的作戰需求。比如，直升機存在著相對有限的飛行距離和續航時間，固定翼飛機和無人機可以飛得更遠和在空中持續飛行更長時間，但是需要依賴于航空母艦或陸上基地。建立這些基地或部署航空母艦需要具有實力的財政、外交和安全等承諾，無法與實施快速反應協調一致。

研制計劃正式啟動

為了應對這些挑戰和擴大美國國防部的作戰選項，DARPA的科學家們開始拓寬思路，積極探索一些創新設計，嘗試為美國海軍發展出一種類似“捕食者”的中空長航時偵察與打擊平臺。這項計劃的目的是將無人機在海上甲板和陸上基地上作戰使用的優勢有效地結合起來，設想采用較小的艦船作為中空長航時固定翼無人機實現起飛和降落的機動平臺，為國防部提供可以在世界上任何一處海面上更容易部署和更快速地實施ISR和打擊的能力。

在這樣一種需求背景下，一項稱之為“戰術拓展偵察節點”的預研計劃正式浮出水面。盡管譯名頗有些拗口，但是DARPA在命名這項計劃時也頗費思量，意在將英文縮寫TERN與每年長途遷徙數千英里的“燕鷗”（Tern）的名稱有機聯系起來，從而更加直觀地反映出艦載長航時無人機的特點。

2013年3月20日，DARPA在位于弗吉尼亞州阿靈頓會議中心專門舉辦了一次提案者見面會，以進一步確定“燕鷗”計劃的技術目標和了解潛在的參與者。針對未來的作戰需求，DARPA尋求設計、研制和驗證一種中空長航時無人機及其相關自主發射和回收系統的各種方案。其中，無人機必須能攜帶272千克載荷，作戰半徑要達到1 110～1 660千米，而發射和回收系統必須適合于瀕海戰斗艦一類的軍艦和其它水面作戰艦船。

對此，DARPA負責此項計劃的經理丹尼爾·帕特表示，世界上大約98%的陸地區域處在距離海岸線1 700千米范圍內，小型艦船如果具備起降中空長航時無人機的能力，不僅將極大的拓展態勢感知能力，甚至還可以快速、靈活地在打擊陸地或水面上等熱點區域的目標。可見，“燕鷗”計劃如果能如期發展出一種可在多種艦船甲板上使用的艦載固定翼無人機，必將對未來的海上航空力量產生革命性影響。

根據安排，DARPA將分三個階段實施“燕鷗”計劃，預計在40個月時間內推出一架全尺寸原型機，最終完成艦上自主起飛和降落的驗證試飛。在此期間，這項計劃面臨的主要技術挑戰包括：為飛行器研制一種可靠的起降技術，即使在波濤洶涌的海面上，仍然可以實現較大的無人機在較小的軍艦上起降；設計一種飛行器，在航程、續航時間和有效載荷方面都與當前的陸基無人機相當，同時還可以滿足海洋環境的使用要求；必須實現系統的緊湊設計，以適合于艦上的有限空間。

2013年10月，DARPA分別授予了諾格公司、極光飛行科學公司、航空環境公司、卡特航空技術公司和海事應用物理公司等5家承包商價值220萬～280萬美元的研究合同，用于發展各自的“燕鷗”概念。其中，極光飛行科學公司考慮在軍艦上加裝一種“側臂”裝置，捕獲類似于“捕食者”的無人機；卡特航空技術公司則在SR/C旋翼機的基礎上，著手發展一種無人駕駛飛行器概念。

設計方案脫穎而出

“燕鷗”計劃剛一推出就立即引起了美國海軍的濃厚興趣。在此之前，ONR曾經資助AEROVEL公司發展了一種“彈性旋翼”（Flexrotor）遠程無人機，可以像直升機一樣垂直起飛與降落，但當時的技術尚不成熟，距離實用還存在一定距離。為了進一步推動海基遠程無人機的相關研制工作，美國海軍將目光轉向了尚處于概念定義階段的“燕鷗”計劃。

2014年6月12日，ONR與DARPA簽署了聯合研制“燕鷗”計劃的備忘錄，共同承擔“燕鷗”原型機的研制和測試資金，旨在探索可以在各型軍艦上廣泛使用的艦載中空長航時無人機關鍵技術，以便盡快發展出一種滿足性能要求的原型機。對此，帕特表示，DARPA與美國海軍簽署協議是達成一系列目標的最適當途徑，在理想情況下，與ONR之間的合作模式可擴展到其它DARPA計劃和其它軍種，有助于為軍方用戶提供突破性的作戰能力。

三個月后，DARPA在9月22日和24日分別將價值1 900萬美元的第二階段合同授予諾格公司和航空環境公司，用于技術成熟和風險降低方面的研究。從第二階段的設計方案來看，諾格公司當時已經提出了一個尾座式起降與水平飛行的組合構型方案，在保證氣動效率和穩定性的前提下，通過增大機翼上反角和減小尾翼下反角，設計出一種近似X翼面的布局，再借助機翼中部延伸出的長支撐和尾翼翼尖安裝的短支撐，形成一種四平八穩的支撐構型，初步解決了在有限空間的甲板上起降的問題。

諾格公司推出這一方案后，立即獲得了DARPA和ONR的青睞。于是，DARPA在2015年9月22日就提前告知航空環境公司，其提交的設計方案已經落選。但DARPA并未立即宣布諾格公司已經贏得了“燕鷗”計劃的第三階段合同，而是提出了更多的修改建議，要求諾格公司在初步方案的基礎上進一步優化構型設計，以便獲得更好的總體性能。

2015年12月11日，諾格公司在加利福尼亞州的帕姆代爾舉行了一個預研項目發布會，不僅透露了第六代戰斗機的全新設計概念，重點強調了使用激光武器摧毀目標的能力，同時還展示了“燕鷗”無人機的縮比模型，令到場的記者們聯想起上世紀50年代曾經曇花一現的XFY-1驗證機。

早在1950年，美國海軍基于二戰期間的經驗和教訓，發起了一種輕小型垂直起降戰斗機的設計競爭，希望設計一種尾部支架或者垂直升力器，這樣就不再需要跑道，可以直接在貨船上起飛和降落。在這一背景下，護航戰斗機計劃誕生了。經過初步評估，美國海軍決定由康維爾公司和洛克希德公司分別制造兩架原型機，以驗證尾座式垂直起降技術是否切實可行。但是，試飛結果表明這種垂直起降戰斗機存在較大的風險，最終停止了研制和試飛。盡管如此，XFY-1原型機的設計理念得以傳承，在時隔近70年后再次吸引了今天的設計師，有可能夢想成真。

總體構型初露端倪

從MQ-8B、MQ-8C到X-47B驗證機，諾格公司先后為美國海軍水面戰艦研制了不同類型的無人機，已經成為艦載無人機領域的“領頭羊”。從最新公開的想像圖來看，“燕鷗”無人機更是大膽創新，首次將飛翼與尾翼融為一體，構成一種“十字”型尾座，突破了最初方案中氣動性能方面的限制。

首先，諾格公司充分利用了自身積累的豐富經驗，在設計方案中采用了大展弦比飛翼構型，翼展大約12.2米。這種布局可以順其自然地充分利用空氣動力，從而實現氣動性能和隱身性能的最佳優化，是一個非常接近于完善設計的形狀。而且，飛翼布局不僅可以明顯降低飛行阻力，在內部燃油量一定的條件下，能大大增加飛機的航程，而且省去了相關的結構材料和操縱機構，使結構重量顯著減輕。

這種飛翼采用了中等后掠角的前緣，在后緣設計有超大面積的副翼和襟翼，不僅有效保證了基本的飛行控制能力，更重要的是在飛行模式轉換時可以產生更大的操縱力矩，安全、高效地實現姿態過渡。同時，兩個垂尾的后緣也設計有舵面，有助于更好地控制橫向穩定性。

其次，諾格公司為“燕鷗”選擇了垂直起降方式，以滿足小型軍艦的作戰使用要求。它的機頭裝有大型對轉螺旋槳，在垂直起飛和降落時提供升力，在水平飛行時提供拉力。這樣，該機可以像直升機一樣垂直起飛，然后過渡到水平飛行，再轉換到直升機模式，緩慢降落在軍艦甲板上。從圖中比例來看，螺旋槳的直徑幾乎達到了翼展的一半，估計超過6米。

仔細觀察可以發現，“燕鷗”只在飛翼右側前緣靠近螺旋槳槳彀的位置設計了一個進氣道，通過位置和尺寸來判斷，應該采用了一臺渦槳發動機，但具體型號尚未確定。據諾格公司介紹，通用電氣航空動力將為原型機提供優異的推進系統技術。

至關重要的是，“燕鷗”采用了全新設計的尾座式支撐方式。具體來看，該方案在飛翼后部的上、下表面分別設計了一個垂尾，形成了十字構型，通過在上下垂尾翼尖處及飛翼左右后緣的2/3翼展位置分別設計一個機輪，從而構成了一個四點式起落架。作為一架技術原型機，“燕鷗”采用了不可收放式機輪，在水平飛行時難免產生氣動阻力，勢必會影響到續航性能。因此，該型無人機如果能投入生產，應該會進一步優化起落裝置。

按照DARPA提出的設計要求，“燕鷗”必須在驅逐艦或更小的艦船上實現起降，同時，美國海軍還要求無人機系統可以在最低的軍艦改裝要求下投入使用。毫無疑問，“燕鷗”的龐大翼展在狹小的軍艦內部幾乎無容身之地，因此諾格公司在它的2/3翼展處設計了機翼折疊裝置，盡可能適應艦上的有限空間。

研制試飛尚需時日

根據合同條款，諾格公司領導的研制團隊還將自行投入3 900萬美元資金，使第三階段總經費達到1.32億美元。目前，憑借著日益精密的傳感器和計算機，固定翼無人機實現垂直起降是并非難事。從研制工作來看，“燕鷗”計劃能否獲得成功取決于垂直起降模式于水平飛行模式之間的順利過渡和可靠轉換。

據諾格公司的研究、技術和先進設計部門的副總裁克里斯·埃爾南德斯介紹，研制人員針對降落已經完成了指引、導航和控制等方面的多項仿真工作。從水平飛行模式轉換為垂直降落模式時，“燕鷗”將增大攻角并上仰，從而允許螺旋槳產生的拉力可以控制垂直降落的速度。從今年1月開始，諾格公司的研制團隊將著手“燕鷗”方案的風洞試驗，以獲得第一手的工程數據，以驗證此前有關這種設計概念的分析工作。

按照第三階段合同，諾格公司領導的研制團隊將制造完成一架“燕鷗”全尺寸原型機，用于技術驗證和性能測試。如果地面試驗獲得成功，2017年11月前，諾格公司將利用停泊于太平洋的一艘駁船或退役軍艦上驗證這種戰術無人機是否達到了預期設計性能。

具備突破技術能力的多用途艦載無人機一旦問世，將極大提高各型軍艦的感知、傳送和連通能力，為大洋上的艦隊指揮官提供實時的情報信息。特別值得注意的是，諾格公司在展出的縮比模型中，突出顯示了機翼下部外掛點上將攜帶最新型的“聯合空對地導彈”（JAGM），凸顯出其具有一定的精確打擊能力，將在定點清除目標時顯示威力。