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美国防预先研究计划局推出新型地效飞行器“自由起降机”

2022-08-27 21:08:59 7632

摘要:苏联“花尾鸽”地效飞行器Aerocon Dash 1.6地效飞行器概念图具有两栖能力的MC-130J的艺术想象图 DARPA视频显示,作为海滩袭击的一部分,“自由起降机”将装甲车放下船 与“自由起降机”项目相关的概念图 美国防部国防预先研究...

苏联“花尾鸽”地效飞行器

Aerocon Dash 1.6地效飞行器概念图

具有两栖能力的MC-130J的艺术想象图

DARPA视频显示,作为海滩袭击的一部分,“自由起降机”将装甲车放下船

与“自由起降机”项目相关的概念图

美国防部国防预先研究计划局(DARPA)在2021年发出新型地效飞行器的研发构想征求书后,经过一段时间的设计评估,2022年5月19日公布了新型飞机概念影片。该型概念机被命名为“自由起降机”(Liberty Lifter),名称应是参考美军在二战期间,为了快速补充遭德军潜舰击沉的商船,所推出的“自由轮”(Liberty Ship)。“自由轮”在1941~1945年期间,以标准化规格降低成本,总共生产了2751艘,快速提高了美军战略运输能力,并租借给英国等欧洲盟军,成为美国在二战期间工业制造能力的象征之一。

“自由起降机”项目背景当飞行器的飞行高度不超过其翼展长度时,就会产生地面效应,也称翼地效应(WIG)。在这个高度下,诱导阻力减小,在一定速度下机翼产生的升力增加。机翼下方的气压相对较大,从而形成一种“气垫”。飞机产生的气动升力显著增加,油耗降低,能够装载大量货物。根据地面效应设计的飞行器可以在海洋、河流、湖泊等相对平坦的区域航行,其载货量接近于货船,而速度接近于飞机。

冷战时期,美苏双方都进行了地效飞行器相关试验。苏联在20世纪60年代由阿列克谢耶夫设计局(Alekseyev Central Hydrofoil Design Bureau)设计出“花尾鸽”地效飞行器试验机。该地效飞行器翼展为44米,由8台涡轮喷气发动机提供动力。它以每小时550千米的速度在水面上飞行,可以运送近100吨的货物航程2000千米,被称为“里海怪物”。

美国于20世纪40年代测试了休斯H-4“大力神”(Hughs H-4 Hercules)水上飞机。20世纪90年代初期,DARPA研究了可搭载2000名乘客或1400吨货物的Aerocon Dash 1.6地效飞行器概念,该概念以“里海怪物”为模型,重4500吨,长175米,翼展100米,由20台喷气发动机提供动力,速度超过700千米/时,航程近20000千米。本世纪初期,波音公司还表示曾与DARPA共同研究“鹈鹕”地效飞行器,翼展为152米,有效载荷为1200吨。“鹈鹕”地效飞行器利用地面效应来提高水上运输时的效率,但除此之外,它还可以像普通飞机一样使用跑道,能够达到7500米的飞行高度。作为传统飞机运行时,鹈鹕的航程约为12000千米。然而,在利用地面效应时,航程将增加到18500千米。“鹈鹕”地效飞行器设计概念于2005年被取消。

任何军事组织的主要工作都是尽可能快速有效地将大量东西从一个地方转移到另一个地方。其中一些东西是武器装备,但绝大多数是支持这种武器装备的东西——燃料、备件、人员,等等。目前,美国军方运输大量有效载荷有两种选择:海运和空运。

正如DARPA所指出的那样,虽然目前的海运在运输大量装备方面非常有效,但它容易受到威胁,需要功能性港口,并导致运输时间长。传统的空运速度要快得多,但支持海上行动的能力有限。此外,飞机受到有效载荷限制并且需要跑道。

为了解决这个问题,DARPA希望将传统的海运和空运相结合,旨在“设计,建造和测试一种负担得起的,创新的和颠覆性的水上飞机”“以远远超过现有海运平台的速度实现大型有效载荷的高效战区范围运输”。

所有这些想法显然都是基于未来在亚太地区发生冲突的可能性。可能的突发事件将受到海洋环境的影响,将涉及货物和人员的远距离运输,并且常规机场从一开始就将受到强大的远程打击的威胁。2017年兰德公司的一份报告指出,冲突一旦爆发,对手的导弹可以让美国空军基地40多天不能使用,即使对这些基地进行持续抢修也不能改变局面。目前,美国最大的担忧是战略海运问题。2019年美国战略与预算评估中心一份研究报告警示:“虽然后勤保障在传统上是美国的优势,但它现在可能成为一个主要弱点,可能导致美国输掉对中国或俄罗斯的战争。”

这些担忧导致整个美国军方未来可能参与战争的方式发生了重大变化,空中运输,特别是在亚太地区的海洋领域,一直是这一新思维的一部分。

美国特种作战司令部(SOCOM)公布了MC-130J两栖能力艺术想象图,本质上是一种两栖C-130“大力神”变体,可在沿海地区作战以支持特种作战部队。这种运输方式解决一些问题,但DARPA显然已经在考虑更激进的方法来满足更广泛的要求。美国需要一种新的方式跨越海洋,运送军队和物资。新型地效飞行器不需要固定机场和跑道,与传统飞机相比燃油消耗更少,装载货物更多,而飞行速度几乎相同,能够显著提高太平洋远征军的战区内机动能力,并提高美国和盟国的补给能力,同时给对手的目标定位造成极大困难。

因此,DARPA推出“自由起降机”地效飞行器概念,将具备快速灵活的起降能力,更大的负载能力,以及在水中起飞/降落的能力。它将可以在湍流水面附近飞行,还可在空中持续飞行。此外,该飞行器将以低成本理念设计和制造。

“自由起降机”概念设计DARPA推出的“自由起降机”构型,属于双体机身的地效飞行器构型。双体机身在海上航行时,可有较强的抗风浪能力,运输量也较大,而地效飞行器与一般飞行器不同的地方,在于贴近地面或水面飞行,气流通过机翼向后下方流动,撞击地面或水面时,会比在高空中产生更大的升力,使机身阻力减少,获得比高空飞行更高的升阻比。

设计使用平直翼,以结合两个机身,每个机身都有一个驾驶舱,并且具有小型鸭翼前翼。动力装置为沿机翼安装的十个螺旋桨单元,有概念图显示这些螺旋桨采用推进配置。每个机身都带有一个略微后掠的尾翼,顶部安装有一个水平稳定器。

在公布的概念影片中给出了“自由起降机”货物卸载过程,该过程通过向上打开的门实现,允许车辆从水面直接驶上海滩。

“自由起降机”不仅能够掠过水面飞行,而且能够在高达3000米的“中海拔”上飞行,这表明,该飞行器实际上将地效飞行器的关键优势与传统固定翼飞机的卓越性能属性和灵活性相结合。

“自由起降机”概念不需要固定机场和跑道,可在水面自由起降,并在需要时在水面上低空移动,但随后可以到更高高度飞行。通过掠过水面,“自由起降机”可以快速有效地移动负载。然而,其低空飞行剖面和有限的机动性使其面临碰撞受损的风险。同时由于操作受到高浪的阻碍,目前起飞仅限于平静的水域,这是传统水上飞机共有的缺点。

目前,该项目处于初始阶段,涉及定义“独特的水上飞机的航程、有效载荷和其他参数”。在公布机体设计概念后,DARPA接下来将要规划“自由起降机”的各项性能指标。“为了提高美军将来在大洋作战的范围和机动性,我们将继续研究新机型的航程、筹载量和飞行性能等细节。”DARPA战术科技研究室计划经理表示,“自由起降机”最小承载量应为100吨,并能装下多种两栖载具。

“自由起降机”未来关注重点

为了解决现有地效飞行器的缺点,“自由起降机”项目未来将重点关注三个主要领域:

一是海上操作的扩展。重点将放在湍流海况下作业,在低速下创造高升力能力,以减少起飞/着陆期间的波浪冲击负荷,以及吸收波浪力的创新设计解决方案。此外,该项目还将解决在拥挤环境中,高速运行期间碰撞风险问题。目标是使飞行器一次在海上运行数周,无需进行陆基维护活动。

二是合理的生产成本。项目将优先考虑低成本、易于制造的设计,而不是精致、轻量化的概念。材料应该比传统飞机制造中的材料更实惠,并且可以大量购买。

三是复杂的飞行控制。项目将开发先进的传感器和控制方案,以减小海浪影响,并在起飞/着陆期间处理动态空气和水的相互作用。

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