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标题: 模块化：无人机的新趋向 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2024-10-15 23:44
标题: 模块化：无人机的新趋向
无人机在航空世界还是新面孔，但通用原子（General Atomics）在无人机世界是老资格了。通用原子的MQ-1“捕食者”首先一炮打响，放大型MQ-9“死神”至今依然是西方中空长航时（MALE）无人机的标杆。尽管MALE没有HALE（高空长航时，比如“全球鹰”）那么炫，MALE才是“干活的”。
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) |8 `# t+ u4 @5 L  y0 D. }  c9 x“捕食者”和“死神”（也称“捕食者B”）都是侦察监视和情报收集（ISR）无人机，具有一定的察打一体能力。ISR依然是无人机的主要任务，但无人机的世界正在迅速扩大，通用原子与时俱进，但不局限于针对性地推出更多的专用无人机，而是打造模块化的无人机家族。2 v& T. _1 N% w; K9 f

" w6 j# Y  p$ |0 x. C  ?( s# w3 }+ x模块化飞机不是新概念。传统上，模块化飞机以“框架式”飞机为基本构架，但机腹为可拆卸的任务或者货运模块。在飞行时，货运模块与飞机连接成为整体；在机场，则可以脱开，像集装箱一样拖走，并重新连接。6 M  h1 ], E0 f4 u  O
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" o8 g) H1 K. I早期的模块化飞机概念  ^& o% O' I# z3 {5 E0 s1 s
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直升机更加容易实现模块化概念
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& K2 M, H* ~+ j. Q* y进入21世纪，英国空军的“隼”式教练机需要替换，Aeralis公司提出模块化设计，在基本机体的基础上，通过更换机翼，可以实现不同飞行性能。比如说，大翼展平直翼用于初教所需要的温和飞行性能，小翼展后掠翼用于高教所需要的先进飞行性能。腹下的进气道-发动机模块也可在大小推力单发甚至单双发之间更换，满足不同飞行性能的要求。机体可以加长以增加机内燃油量。座舱更是可以在教练机的双座和战斗机的单座之间更换，或者直接用无人机模块变身为无人机。- m6 z, K# j9 N/ }

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在基本架构下，座舱、机翼、发动机都模块化了，机体也可以加长、缩短" ]) Q  Y* v, C. d) I- K, ]

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: h% ?- P- Y4 d# ~7 c不同的排列组合导致不同的飞机) J" J4 C7 J: H# z% ?
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Aeralis的模块重组可在用户端进行。也就是说，用户拥有必要的模块后，可以按需要自由重组成不同的飞机。当然，这样的重组好比大修级的操作，并不是每天出动前的日常操作。但这依然提供了前所未有的灵活性。
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( l; V* [" Y7 {/ f. m& j- j/ g( B9 z通用原子的模块化更进一步。以核心机体为最基本的模块，通过不同的机翼、机体、发动机、尾翼，可以组合成侧重长航时的ISR飞机、侧重空战的战斗机、侧重高隐身侦察的无尾飞翼和先进靶机等完全不同的无人机。: F4 |1 r* U: }+ C/ T6 k
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6 f9 k9 U% Q& `, CGambit家族围绕着核心机体打造
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' A  W* q! e! O7 @; x$ g, a核心机体不仅提供受力最大部件，如中央翼盒和前起、主起，还提供了基本航电，包括基本飞控、通信和数据链。
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与核心机体搭接的机翼、机体、尾翼、发动机构成不同的飞机，还要带上任务航电。
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长航时ISR无人机1 P) m* S$ ^+ }0 \6 D" y3 ~

& |6 t' {2 p, `" S! b长航时ISR飞机达不到MALE、HALE无人机的长航时，不是做不到，而是任务定位不同。这是作为战斗机的“忠诚僚机”定位的，需要有一定的速度和机动性，才能与战斗机在同一战斗空间里展开，执行ISR任务。+ p, J7 N6 j% e2 W
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但这又不是战斗机，长航时和隐身的要求更高。相对较大翼展的人字形翼、V形尾翼和背部进气口提供了较好的折衷。必要的话，机腹依然有足够空间，可以容纳空空导弹和小直径炸弹。这还将用于电子侦察、电磁攻防、通信中继等任务。
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这一构型已经用于投标美国空军的“忠诚僚机”项目，与安杜里尔的“暴怒”相竞争。
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空战无人机/ r# C* k# N6 G
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与ISR无人机相比，空战无人机的速度、机动性要求更高，机翼相对较短、较粗壮，背部进气口也从单一改为两侧，有利于在侧滑机动中保持有效进气。较为粗大的“船形底”提供了内载空空导弹和小直径炸弹的空间，还也需要一定的雷达和火控设备。. p& `2 ?2 J% a+ T+ q
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这一构型与下列构型还在设计阶段，尚未形成具体产品。$ J7 X" u2 Z  H0 F" d; l' D

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5 Q1 a! R! A0 Z6 V9 ^1 j先进靶机
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很多无人机公司就是从做靶机开始的，无人机技术后发展反哺靶机顺理成章。4 l5 ]9 L' E+ v
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靶机技术说难不难，说简单也不简单。一般的训练靶机不难，但要模仿隐身、高机动甚至高超音速目标，这就不简单了。先进靶机还要求在电磁特征上模仿目标，不仅在雷达反射特征上有这个要求，在主动辐射（雷达、数据链等）方面也一样。- G/ r0 m2 G3 i3 L
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这样的靶机还有先进诱饵的作用。由于与忠诚僚机技术同源，出动伴随作战机群都“自带基因”。
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0 z' y" i- t* a( U' E* J$ T这也是V形尾翼，但机翼更加粗短，明显是奔超音速去的。机腹进气口也把“超音速”写在脑门上了。. F8 T) i* d5 L; b9 z

" q. k. ?/ h5 a. j# g5 a+ _在超音速时代的早春，大后掠翼、三角翼和短梯形翼同时出现。大后掠翼和三角翼在大后掠的前缘将超音速气流分解成沿翼展方向的分量和与前缘垂直的分量，只要垂直分量保持在音速以下，就不会出现局部激波和导致激波阻力。大后掠翼与三角翼有很多不同，但在超音速减阻机理上是一样的。
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短梯形翼不同，这是小后掠的，几乎可看成短短的平直翼。但因为翼展小，整体“躲”在机头引起的激波锥后，机头激波反正免不了，激波锋面对超音速来流有减速作用，躲在激波锥里的机翼就没有激波阻力的问题。$ Y! [, a0 J' a* L: ^. U
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在战斗机世界里，F-104、F-5、F-18、F-18E都是短梯形翼的例子，后掠翼和三角翼就太多了，不用举例了。0 p  E! O- k* F. }% G2 Y6 f
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在这里通用原子用短梯形翼，是看上了结构轻巧的好处，有利于实现高g机动。翼面积较小的缺点由气动效率更高补偿。
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长而尖锐的机头像F-16一样，起预压缩作用，帮进气道一把。进气口下唇前突，也是用于激波控制，与歼-10A进气口上唇前突的意思差不多，只是上下对调。歼-10A用上唇前突，是因为与附面层分离板整合到一起了。这里附面层分离采用DSI鼓包，和F-35的意思一样了。
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从气动外形就可以判断，先进靶机的超音速和机动性要求较高。ISR和空战无人机都是亚音速的，但ISR无人机的巡航高度较高，所以需要大翼展；空战无人机的机动性要求更高，所以机翼降低展弦比。. D  {3 _" L6 j! B2 Q

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隐身侦察机& }' j3 O" `. D4 H2 @

2 {0 H; d8 Y2 T+ O6 j0 S最特别的是隐身侦察机，采用无尾飞翼构型。
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要求深度穿透的隐身侦察机基本上都是无尾飞翼，这本身没有多少特别，特别之处在于通用原子将有尾构型和无尾飞翼整合到同一个核心机体，这对俯仰稳定性管理的要求很高，也说明了通用原子的气动设计功力已经达到相当高的水平。3 v, n! A5 O! ?1 N9 w
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但是，通用原子也不是超人，并没有做到不可能做到的事。! x! a4 s% O! f: |* i1 }- O" `/ J$ ?

8 j4 J/ C4 S7 G% K. b有尾构型的特点是纵长较长，较为靠后的尾翼提供给了充裕的俯仰控制力矩。作为平衡，从核心机体向前延伸的前机体提供了有用的载荷空间。4 \5 Q' f7 f2 p

' F, a7 J( n9 w6 Y无尾构型的纵长很短，机长基本上就是核心机体的长度。只要细长机翼形成的气动中心没有超过纵长内静稳定性的裕度范围内，俯仰稳定性的挑战就属于可以管理的。( H! l8 r- a4 ]/ F
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细长机翼决定了很高的升限，这决定了“飞得高、看得远”。在“距离为王”的隐身世界，飞得高也意味着相对于地面雷达具有天然的隐身加成。机动性较低则不是大问题。& \1 B( ^, B' \  W) H8 m: ^- d
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相对于ISR无人机，这才是HALE无人机。2 k3 ]8 z+ \: }9 V: p5 E

0 t. L2 y9 N! ?单独来看，通用原子的Gambit家族只是中规中矩而已，但模块化的思路很值得研究。这与Aeralis可在用户端重组的模块化不一样，只能在制造端重组，但共用的核心机体大大有利于规模经济。7 V: B& C. V% V2 j' T

' J$ [" K7 r) i飞机设计与制造已经发展了100多年了，但大体没有跳出针对性设计的老套，每一架飞机都是专门设计、使用专门工装的。
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在无人机时代，新要求、新思路会来的越来越多、越来越快。传统的针对性改装还能应付一阵子，但会越来越跟不上时代。模块化才是出路。" q6 C6 [" p: `6 a4 @8 T
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在汽车世界，这不叫模块化，叫平台化。比如说，大众集团在MLB平台上衍生出奥迪A6、A7、A8、Q7、Q8、Q8 e-tron、宾利Bentayga、、蓝宝基尼Urus、保时捷卡宴、大众途锐，从MSB平台则衍生出保时捷帕纳梅拉、宾利大陆、宾利飞驰。! t) b1 W( ?1 N! {- `' }, R

# U0 \/ o2 q5 }) m8 {+ b, G& ]平台化使得新型号的研发和生产成本大大降低，但巧妙的平台设计和型号管理也避免了同质化。
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这也是无人机世界的发展方向。
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