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美空軍低成本可消耗無人作戰飛機分析

時間:2019-06-08 11:26來源:空天防務觀察 作者:中國航空

 

2019年3月5日,美國克拉托斯安全防務解決方案公司設計制造的XQ-58A技術驗證機完成了76分鐘的首飛。該機是美空軍研究實驗室低成本可消耗飛機技術(LCAAT)的驗證機(LCASD),其成功首飛標志著美空軍在研究和驗證有限壽命/架次的低成本無人作戰飛機技術和裝備取得了階段性進展,為未來構建質量與數量并優的空中優勢能力奠定了基礎。

 

2019年3月5日,首飛中的首架XQ-58A驗證機(美空軍圖片)

一、項目基本情況

1.發展背景

美空軍認為當前空中戰場的威脅日趨多變,高性能作戰飛機的價格不斷攀升,國防預算壓力日益增大。美空軍難以通過大規模更新換代解決作戰能力與預算壓力的矛盾,必須創新裝備解決方案,在保證性能可接受前提下,顯著降低采辦和使用成本,重塑美空軍的數量優勢。另一方面,現有航空武器裝備嚴格的裝備采購標準和研制規范,雖然確保了武器裝備的性能和質量,但也導致了研制、鑒定和生產新型航空武器裝備的成本和時間大增,需要探索裝備研制的新途徑,以降低裝備采辦成本、縮短研發和生產周期,靈活應對新興威脅。

為解決上述挑戰,美空軍希望利用無人機的特點,創新飛機設計概念和流程,在保證一定性能前提下,顯著降低采辦和使用成本。美空軍認為,可執行打擊、情報監視偵察等任務的遠程、高性能、低成本無人作戰飛機將帶來改變游戲規則的能力,在未來空中對抗中將同時形成規模和成本優勢。XQ-58A項目軍方主管認為,未來美空軍機隊很可能由相比現在更少的高端作戰飛機和大量的低成本可消耗無人機構成。為此,美空軍實施了低成本可消耗飛機技術項目,目標是通過開發更好的設計工具以更快的速度設計和制造無人機系統,并推動制造流程的改變和成熟,以減少制造時間和成本。

2. 發展歷程

2015年,美空軍宣布啟動低成本可消耗飛機技術項目;同年9月,美空軍研究實驗室宣布開展為期27個月的低成本可消耗無人作戰飛機演示驗證項目,開發滿足特定任務能力需求的低成本無人作戰飛機系統概念,完成驗證機制造和試飛試驗,驗證裝備概念與制造技術的可行性,包括洛克希德·馬丁公司、克拉托斯安全防衛解決方案公司(原為靶機制造商)、波音公司在內的6家美國航空航天企業參與了項目競標。 

 

洛馬公司的一種低成本可消耗無人機概念方案與F-35戰斗機編組想象圖(美國洛馬公司圖片)

2016年7月,美空軍研究實驗室選定克拉托斯安全防務解決方案公司并授出演示驗證項目合同,美空軍先期投資730萬美元,公司自投3350萬美元,研制和制造3架技術驗證機。美空軍研究實驗室還規劃了近1億美元的追加投資計劃,用于技術成熟和深化發展。2017年6月,克拉托斯安全防務解決方案公司在巴黎航展展示了編號XQ-222的驗證機模型,同年7月,美空軍賦予該機XQ-58A的正式編號。該驗證機的主要任務是:驗證低成本設計和制造概念、識別滿足性能需求的低成本飛機所需的技術鴻溝和主要成本驅動因素、建立有限壽命可消耗飛機的指南等。

 

 XQ-222驗證機模型(美國克拉托斯公司圖片)

2019年3月,XQ-58A首架驗證機完成首飛,根據目前透露的試飛計劃,后續還將完成兩個階段4次試飛,剩余試飛工作的重點是評估系統工程、氣動力性能和發射/回收系統,同時初步建立面向有限壽命需求的剪裁設計和制造標準,獲取可消耗飛機成本模型相關數據。此外,XQ-58A在完成低成本可消耗飛機技術驗證項目后,還有可能參與美空軍“忠誠僚機”等項目的飛行演示驗證。

 

二、XQ-58A無人機的主要特點

XQ-58A是一型低成本、遠程、高亞聲速、隱身無人作戰飛機,代表了新一代高任務彈性、低成本無人作戰飛機概念。

1. 遠程、高性能、低成本、隱身無人作戰飛機

XQ-58A采用中等后掠角中單翼、V型尾翼、背負式進氣道、扁平機身的隱身化布局,配裝單臺威廉姆斯公司FJ33-5型渦扇發動機(推力746.6千克力),機長8.84米,翼展6.7米,整機尺寸相當于F-16C戰斗機的2/3。最大飛行高度13716米,最小飛行高度15米,最大飛行馬赫數0.85,航程不小于3400千米,有效載重不少于230千克,2個內埋式武器艙可各掛載1枚GBU-39型制導炸彈或AIM-120型中程空空導彈,并可擴展翼下外掛能力。該機采用開放式任務系統架構,具備不依賴跑道的起降能力(可采用火箭助推、導軌發射模式),可重復使用,但按有限使用壽命/架次設計。 

 

XQ-58A無人機集群作戰想象圖,可見該機正在從內埋彈艙投放“小直徑炸彈”GBU-39(美國克拉托斯公司圖片)

2. 聚焦低成本的特色設計

美空軍對XQ-58A最核心的要求是實現滿足有限功能的低成本無人機系統概念,因此提出了相對苛刻的價格目標:采購數量為100架以內時,包含基本航電和推進系統的飛機出廠單價不超過300萬美元;采購數量超過(含)100架時,出廠單價不超過200萬美元。為此,XQ-58A在設計上采取了多種創新手段:一是建立基于使用特點的低成本設計規范和標準體系,建立與使用需求和性能要求相適應的權衡模型和經濟性評價模型,如基于有限使用壽命,大幅降低發動機使用壽命要求,甚至提出考慮配裝二手發動機;二是根據使用環境選擇性配置系統,如因僅需在限制空域內飛行,不考慮配備空管相關設備;三是采用模塊化任務載荷,根據任務需求快速換裝對應任務載荷和武器系統,有效降低單機復雜性和成本;四是采用現貨產品,美空軍研究實驗室明確要求該機應盡可能應用商用貨架產品和軍用常備件,并要求確定此設計模式可能產生的影響;五是采用先進低成本制造技術,探索應用彈性制造技術、自動裝配工藝等低成本制造技術的可行性,并探索在滿足低成本前提下,實現平時按需生產、戰時快速大量制造的可實現性。 

 

美空軍正在推進“天空博格人”(Skyborg)人工智能飛行員研發,設想將該軟件用于有人機,不斷記錄和學習人類飛行員的操作,然后用于低成本可消耗無人機等無人機。圖為未來低成本無可消耗無人機想象圖(美空軍圖片)

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