溫杰

2014年12月5日至8日，“獵戶座”（Orion）無(wú)人駕駛技術(shù)驗(yàn)證機(jī)在第18次試飛中，持續(xù)飛行了3個(gè)晝夜，續(xù)航時(shí)間超過(guò)了80小時(shí)，打破了諾格公司的RQ-4A“全球鷹”在2001年創(chuàng)造的30.5小時(shí)的官方紀(jì)錄。2015年7月15日，國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)正式宣布，“獵戶座”無(wú)人機(jī)以80小時(shí)2分52秒的續(xù)航時(shí)間，創(chuàng)造了最長(zhǎng)持續(xù)飛行時(shí)間的新紀(jì)錄。

2016年3月3日，美國(guó)航空周刊集團(tuán)舉辦的第59屆“月桂獎(jiǎng)”在美國(guó)國(guó)家建筑博物館隆重舉行，在航空領(lǐng)域取得突出成就的團(tuán)隊(duì)和個(gè)人分別獲得了商用航空、防務(wù)、空間、創(chuàng)新、技術(shù)、公務(wù)航空等獎(jiǎng)項(xiàng)。其中，極光飛行科學(xué)公司（簡(jiǎn)稱極光公司）憑借著“獵戶座”中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)創(chuàng)紀(jì)錄的超長(zhǎng)續(xù)航飛行時(shí)間，從候選團(tuán)隊(duì)中脫穎而出，榮膺本年度的“創(chuàng)新”獎(jiǎng)。

研制發(fā)展過(guò)程

21世紀(jì)初，美國(guó)國(guó)防部與國(guó)土安全部等多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起了一項(xiàng)“聯(lián)合能力技術(shù)驗(yàn)證”（JCTD）計(jì)劃，驗(yàn)證一種能夠在19800米高空持續(xù)飛行5天以上的無(wú)人駕駛飛行器，考慮將其作為一種準(zhǔn)衛(wèi)星，為分散在阿富汗山區(qū)內(nèi)的作戰(zhàn)部隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)通信信號(hào)。正是在這樣一種作戰(zhàn)需求的牽引下，極光公司、航空環(huán)境公司、波音公司和諾格公司紛紛立足自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始發(fā)展一些關(guān)鍵技術(shù)。

2004年，極光公司在弗吉尼亞州馬納薩斯總部所在地的超高空試驗(yàn)設(shè)施上開(kāi)始測(cè)試氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，并在此基礎(chǔ)上著手研制“獵戶座”驗(yàn)證機(jī)，主要任務(wù)是作為先進(jìn)氫燃料推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)。研制過(guò)程中，極光公司發(fā)現(xiàn)，氫燃料用于高空長(zhǎng)航時(shí)飛行仍然需要突破一些關(guān)鍵技術(shù)，投入實(shí)用仍然尚需時(shí)日。

2007年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）在2007年發(fā)起了一項(xiàng)“超長(zhǎng)續(xù)航”（Ultra Long Endurance）研究計(jì)劃，旨在評(píng)估用可擔(dān)負(fù)得起的固定翼無(wú)人機(jī)替代監(jiān)視飛艇的可行性，然后開(kāi)始研究探索如何突破“捕食者”和“全球鷹”續(xù)航時(shí)間限制的相關(guān)技術(shù)。這項(xiàng)計(jì)劃的目標(biāo)是驗(yàn)證一種無(wú)人駕駛平臺(tái)在攜帶454千克情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）載荷的情況下，可以在6100米高度持續(xù)飛行5天（120小時(shí)），或者在攜帶226千克有效載荷的情況下，可以在4572米高度持續(xù)飛行155小時(shí)。

針對(duì)中空極限續(xù)航力的挑戰(zhàn)，極光公司從技術(shù)方面對(duì)常規(guī)機(jī)體和推進(jìn)系統(tǒng)的長(zhǎng)航時(shí)飛行進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)權(quán)衡，決定放棄此前采用昂貴的液態(tài)氫換取極限續(xù)航力的思路，而是采用標(biāo)準(zhǔn)的軍用航空燃油作為能源，在日漸縮小的有人和無(wú)人機(jī)市場(chǎng)空隙中，爭(zhēng)得了一席之地。2008年，極光公司向AFRL提交了一種“獵戶座”中空長(zhǎng)航時(shí)方案，最顯著變化是動(dòng)力裝置采用高性能活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。

2010年9月，AFRL最終選擇了“獵戶座”驗(yàn)證機(jī)作為其“中空全球ISR與通信”（MAGIC）聯(lián)合能力技術(shù)驗(yàn)證（JCTD）計(jì)劃第一階段的驗(yàn)證平臺(tái)，開(kāi)始為期3年的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試過(guò)程。同年11月22日，極光公司在密西西比州首次展示了“獵戶座”無(wú)人駕駛驗(yàn)證機(jī)。由于資金未能及時(shí)到位，這項(xiàng)計(jì)劃的研制進(jìn)度有所推遲。

在美國(guó)國(guó)防部管轄范圍內(nèi)，“獵戶座”計(jì)劃的隸屬關(guān)系曾經(jīng)幾經(jīng)易手。該公司在完成了MAGIC JCTD的早期階段后，移交給一個(gè)新的計(jì)劃辦公室，但是依舊保留著最初設(shè)定的目標(biāo)。極光公司拒絕透露目前的客戶，但有分析認(rèn)為它是美國(guó)空軍的“大游獵”（Big Safari）計(jì)劃辦公室，負(fù)責(zé)管理采購(gòu)和改進(jìn)特種任務(wù)平臺(tái)。

總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

從外觀看，“獵戶座”無(wú)人機(jī)采用了盒狀主機(jī)身，全部由復(fù)合材料制造，全長(zhǎng)17.37米，高度為6.40米。機(jī)身內(nèi)部除了設(shè)置有多個(gè)燃料箱外，還從前至后布置了前載荷艙、前起落架艙、航空電子設(shè)備艙、后載荷艙，其中包括一個(gè)整體油箱。

該機(jī)采用了可收放的前起落架和不可收放的主起落架，前者可以避免遮擋機(jī)頭下的傳感器轉(zhuǎn)塔，后者在機(jī)輪上加裝了整流罩來(lái)減小阻力。機(jī)身后部采用了尾撐，在末端保留了此前高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的水平尾翼和垂直尾翼，分別設(shè)有俯仰操縱面和方向舵。

“獵戶座”采用了大展弦比的單片式機(jī)翼，翼展達(dá)到40.23米，略低于“鬼怪眼”驗(yàn)證機(jī)的機(jī)翼，二者都是由該公司的產(chǎn)品發(fā)展中心設(shè)計(jì)和制造。機(jī)翼的翼梁和蒙皮均由復(fù)合材料制造，而加強(qiáng)肋由鋁合金和復(fù)合材料制成，具有結(jié)構(gòu)重量輕和氣動(dòng)阻力低的特點(diǎn)，確保了在中空飛行時(shí)延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，同時(shí)還降低了生產(chǎn)成本。

“獵戶座”的另一個(gè)特點(diǎn)是采用了高燃油效率的動(dòng)力裝置。它選用了兩臺(tái)Austro發(fā)動(dòng)機(jī)公司生產(chǎn)的AE 300渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，以航空煤油為燃料，具有較低的燃油消耗率和較好的中高空性能。它是一種液冷直列式4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)功率為123.5千瓦，通過(guò)傳動(dòng)比1.69的單級(jí)減速器，驅(qū)動(dòng)直徑4.8米的3葉螺旋槳。

AE 300發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體基于奔馳公司授權(quán)的在奔馳A級(jí)車上使用的車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用了頂置雙凸輪軸（DOHC），具有更好的性能。與采用頂置單凸輪軸（SOHC）的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這種發(fā)動(dòng)機(jī)不再需要?dú)忾T挺桿和搖臂，所以功率的損耗會(huì)比較小。另外，由于氣門重疊角度可以變化，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率會(huì)比較大，加上氣門可以油壓控制，無(wú)需調(diào)節(jié)氣門間隙，長(zhǎng)時(shí)間工作后也不會(huì)因?yàn)闅忾T間隙變化而出現(xiàn)動(dòng)力輸出遞減的情況。

AE 300發(fā)動(dòng)機(jī)可以在高空和較低大氣壓力下穩(wěn)定工作：從海平面到2895米高度，它能夠穩(wěn)定地輸出額定功率；隨著飛行高度不斷增加，它的輸出功率呈線性下降，但在5486米高度時(shí)的功率輸出依然可以達(dá)到99千瓦。因此，“獵戶座”的設(shè)計(jì)升限可達(dá)9144米。

“獵戶座”驗(yàn)證機(jī)的空重不到2350千克，最大起飛重量可達(dá)5070千克，因而在攜帶454千克任務(wù)載荷時(shí)，還可以攜帶2270千克燃料。它的最大速度為222千米/時(shí)，巡航速度為157千米/時(shí)，最大航程為24140千米。在空中保持24小時(shí)任務(wù)狀態(tài)下，作戰(zhàn)半徑為6440千米。

打破飛行紀(jì)錄

2013年8月24日，“獵戶座”驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行了首次飛行，在空中持續(xù)飛行了3小時(shí)31分鐘。無(wú)人機(jī)在飛行中以111千米/時(shí)的速度達(dá)到了約2500米的海拔高度。按照固定價(jià)格驗(yàn)證合同，極光公司需要在2014年12月19日之前滿足一項(xiàng)驗(yàn)證試飛要求，即能夠執(zhí)行80小時(shí)的飛行。

為此，該公司根據(jù)預(yù)算安排了3次（驗(yàn)證80小時(shí)續(xù)航時(shí)間）試飛，在第一次嘗試中，“獵戶座”無(wú)人機(jī)在空中飛行了3小時(shí)后不得不返回，以便重置它的飛行終止系統(tǒng)。2014年12月5日，這架無(wú)人機(jī)在美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心位于加利福尼亞州莫哈韋沙漠中的武器分部試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)施了第二次驗(yàn)證試飛，成功地打破了無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間紀(jì)錄，并將飛行時(shí)間累積到158小時(shí)，最大高度達(dá)到5486米。此次也是“獵戶座”無(wú)人機(jī)的第18次飛行。

美國(guó)航空協(xié)會(huì)的觀察人員、國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)的美方代表在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督了這次從12月5日至8日的飛行，并見(jiàn)證了“獵戶座”無(wú)人機(jī)在12月8日平穩(wěn)著陸。該機(jī)在試飛期間，由4名飛行器操作員輪流操縱，在海拔1370～3048米的高度飛行，攜帶了454千克配重來(lái)模擬計(jì)劃配備的任務(wù)載荷。

據(jù)報(bào)道，“獵戶座”在著陸后，機(jī)內(nèi)大約還剩余770千克燃料，足以繼續(xù)飛行37小時(shí)。極光公司表示，它的續(xù)航時(shí)間受到了試驗(yàn)場(chǎng)可用性的限制，從技術(shù)性能來(lái)看，該機(jī)具有持續(xù)飛行120小時(shí)的潛力。此項(xiàng)紀(jì)錄表明，美國(guó)空軍在中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)方面又邁出了重要一步。

根據(jù)MAGIC計(jì)劃，第三階段應(yīng)該是任務(wù)載荷演示飛行和部署海外的試用飛行。按照設(shè)計(jì)，“獵戶座”在攜帶454千克載荷的情況下可以持續(xù)飛行5天，如果配備更小的載荷，續(xù)航時(shí)間可以超過(guò)一周。與現(xiàn)役中空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)相比，這種無(wú)人機(jī)憑借著大幅度增強(qiáng)的續(xù)航能力，可以攜帶一個(gè)類似“捕食者”無(wú)人機(jī)的有效載荷，以更少的起飛和著陸時(shí)間提供連續(xù)監(jiān)視，大大減少了人力負(fù)擔(dān)和操作成本。