由彩虹-10看舰载预警机

晨枫

彩虹-10无人机
, R- i& z0 J* p2 _* t2 Z' J
彩虹-10被称为“中国鱼鹰”，其实这要和贝尔MV-22“鱼鹰”挂钩，也应该是第二代“鱼鹰”了。“鱼鹰”无疑是革命性的，但也因为几次恶性事故，差点革了自己的命。鱼鹰最大的特点是翼尖可倾转发动机-旋翼组合，这即是“鱼鹰”的奥妙之所在，也是“鱼鹰”的麻烦之所在。
# d; Y- q; R6 X# q4 |# y
  @! D. K$ u# d$ G, }
- F/ t$ V+ l$ D) p( _1 B“鱼鹰”优点和缺点都来自翼尖发动机-旋翼组合
4 }2 p9 T; C) n. L1 e( A: k* J
翼尖倾转旋翼使得“鱼鹰”可以在螺旋桨飞机和直升机之间无缝切换，但旋翼尺寸也把飞机的基本设计限制死了。要作为直升机用，旋翼直径应该更大，但这样翼展就太长了，不可能横转过来与机体平行折叠，在舰上占地太大。作为螺旋桨飞机，旋翼尺寸应该更小，降低巡航阻力，但作为直升机使用就不行了。最后是两头不讨好的折中。
# N0 d' v1 m! P! ~8 ?
- X6 e; r5 b/ k另一个问题是沉重的发动机在翼尖，还要倾转，机械上很不友好，而且喷口朝下时，炽热喷流要烧融甲板，或者使得水泥地面烤裂，碎片在气流冲击下四处崩飞，很危险。
2 i% A, t/ h1 a; V

第二代倾转旋翼用伞齿轮，只倾转旋翼，不倾转发动机，解决了第二个问题


4 C4 |$ F7 Q" Q# @2 W8 ?1 W同时参加竞争的Karem方案则解决了第一个问题，这也是彩虹-10的方案，只是Karem仅仅是纸面方案，彩虹做出来了

在美国陆军的FVL直升机竞标中，贝尔用倾转旋翼但不倾转发动机的V-280竞标，解决了“鱼鹰”必须连发动机也一起倾转的问题。Karem则在倾转的发动机外再接一段固定翼，与发动机一起倾转，使得旋翼尺寸与翼展“脱钩”，在巡航时可用较大的翼展换取更高的升阻比和航程。这也是彩虹-10的技术路线，只是Karem只有纸面方案，彩虹做出来了。
; b" P0 A) Z) d( ?5 e0 l& x
( I) |3 Q6 x" y1 G/ K0 C+ i这样，翼展可以大于旋翼半径，提高巡航升阻比，增加航程，而不影响垂直起落，因为增加的固定翼段在发动机和旋翼倾转的时候不形成遮挡。
/ t4 L( X* m$ {7 l" f# H( J8 b
这个设计容许旋翼直径缩小，偏向于优化巡航效率，而不是垂直起落，特别有利于只要能垂直-短距起落就行，而不要求悬停和直升机特殊机动的设计。这正好是舰载预警机的定位。

- ^/ H5 {1 _# ~2 Q) D6 E
. k7 M( o# W( m+ ^4 B; ~2 O空警600在气动布局上与E-2系列高度相像，这只是最优化后趋同的结果，谈不上抄袭

舰载预警机里，最成功的是E-2系列。历史上还有过其他尝试，但最终都向E-2趋同，不是抄袭或者抄近路，而是在相似的要求下，最优化后就是这个趋同的结果。中国的空警600将成为003上最重要的新质舰载机，极大地提升中国航母编队的战斗力。
9 l" K3 M( A4 F/ \7 ?
问题是，这个最优化实际上只是最不坏的。作为预警机，平台需要长航时，高升限，这就需要很大的翼展，但航母上翼展没法大，太大了就要扫过飞行甲板了，如果不是直接撞上舰桥的话。
- P  p- F/ c8 q  j+ O8 Y$ I
另一个问题是：E-2、空警600还是“预警机越大越好”的思路。预警机越大，雷达天线越大，探测距离越远，机组人员的空间也越宽松，机载设备也越多、越强大。问题是，成本也越高，也越容易成为敌人的目标，越需要远离战场，在一定程度上成为进三步退两步的游戏，抵消了探测距离的优势。
7 V& Z# C5 P4 H; Z- H
! N/ [) D1 ~) v0 r$ O随着无人机和人工智能、数据链的发展，用较小的无人机取代大型有人平台，将预警机相对靠前部署，用缩短的距离补偿降低的雷达天线尺寸和功率，用人工智能进行机上数据预处理，提取特征信息后用数据链下传到航母，可以在很大程度上用靠前、网络化的若干架无人预警机替换孤零零的有人预警机。

有人预警机是因为空情复杂，而雷达的数据量太大，直接下传到地面站的话，通信负担太大，也太不可靠。另一个问题是，数据下传有视线内通信的问题，预警机和地面站必须互相在视线以内，使用太受局限。通过卫星中继不仅有通信带宽的问题，还有滞后问题。这还只是预警机到地面站，地面站到空中作战机群也有问题，但问题小得多，因为这不需要太大的数据量，只要简洁的作战指令。
  q$ M( A4 M9 J$ J0 n
人工智能有能力把雷达数据凝聚为少量有用的关键信息，下传的带宽要求就低多了。视线内的问题可以通过中继解决，空中预警机组网预警恰好可以互相中继。
' m" b/ F; q3 E; c: O8 n
组网预警的另一个好处是增加部署的灵活性。舰载预警机与航母的相对位置是个麻烦事，太远了，覆盖不利，航母背离预警机一侧的预警范围大幅度缩小；太近了，容易暴露航母位置。组网的话，与航母的相对位置就模糊多了，有利于在战术灵活性和航母保护之间综合平衡。

2 H3 J! D* M! a, y8 T; w无人预警机对损失的承受力相对提高。无人预警机也不是没有空中战斗机保护的，网络化的预警机降低被偷袭的可能性，也大大增强预警的稳定性和可持续性。无人预警机还可通过空中加油而大幅度延长留空时间，而不受飞行员生理极限的限制。较小的无人预警机则是的增加航母搭载数量成为可能。

2 @& t% L& B% k, b- M无人预警机倒是不必垂直起落，但航母上弹射和拦阻索作业花费的时间长，能有垂直起落能力分担出动和回收负担是很大的加成，尤其是在性能不受影响的情况下。彩虹-10这样带外翼的倾转旋翼布局恰好提供了一个非但不影响性能而且得到加成的机会。

% }, K7 [% R: h; e: h9 d单纯带外翼加大了翼展，还是不解决甲板上扫过面积太大的问题。但舰载机常用折叠翼，E-2的折叠翼还是很特别的扭转-后折。
+ }" u( y1 ~5 C- u3 k* J& `' Q
% w* l, }8 `  Y5 f
常规的折叠翼就是从外向内、从下向上折叠，但E-2由于雷达罩的存在，只能这样拧一下再向后折叠
% i& _* l$ v& W8 p
对于固定翼飞机来说，E-2这样的折叠方式只能缩小甲板上的占地面积，对于飞行性能没有影响，不可能在起飞后再打开。但带外翼的倾转旋翼就不一样了，起飞和着陆并不依赖机翼的气动升力，可以把外翼折叠起来，在空中再打开，然后才转入螺旋桨状态的平飞。这可以大大增加翼展，提高航程和留空时间。在降落时，带转入直升机状态后，先将外翼折叠，然后再垂直降落。
* i2 L+ T6 c& P8 a
6 t+ J% u4 m5 ~" |- f. N) t# M由于外翼的展开和折叠是在直升机状态下进行，外翼垂直向上，不提供升力，所以没有升力机制转换的问题。在展开和转入平飞是，外翼从垂直转向大迎角，最后转向水平。在此过程中提供低速飞行时格外需要的额外升力，帮助在过渡阶段直接转入爬升。在平飞转入折叠过程中，在提供气动减速的同时，提供额外升力，也为旋翼卸载，帮助稳定降落。
+ P$ c, ]! d9 r9 W5 {
5 A6 u# X4 X1 H, W更加激进一点，发动机也是固定的，就像贝尔V-280那样，只有旋翼倾转。外翼继续像E-2一样，在舰上扭转、后折，只有在空中才展开和收起。这样在结构上更加接近E-2，只是螺旋桨改成通过之字形伞齿轮带动的倾转旋翼。在旋翼桨叶折叠后，还可把内侧固定翼段向上折叠，降低舰上占地。当然，这对结构的复杂性和刚度的要求更高。
, j; s% m1 [1 [. {6 W+ f- ]& V# p
直升机状态下旋翼和雷达罩避免冲突是一个问题，但这是有办法解决的。在极端情况下，起落架重新安排，雷达罩放在机身下都是可以的，还避免了对机翼的气动影响，也简化了垂尾设计，还避免了机体对雷达的遮挡作用。
0 Q+ L$ P* @% n" P- r1 G3 n
9 O, F" N$ D) [) A  y这也是垂直起落后的特殊加成。对舰载固定翼飞机来说，雷达放在机体之下是不可能的。起落架在舰上高下称率着舰时受到强烈冲击，必须安装在机体最坚固的部位。机体下再弄一个大大的雷达罩，不仅要加长起落架，还占用了结构受力最有利的部位，这是不行的。

垂直起落的起落架设计就简单多了，从设计时就考虑的话，甚至用不着像“墨林”AEW或者卡-31那样，需要用机械升降和偏转，那是从有人直升机改装的，起落架和机体都是现成的，要大改不容易。在主动电扫时代，用固定的机腹雷达罩就行了，宽度超过机体也没关系，只要和起落架不冲突就行。

  p% S$ j, x8 F7 _0 n
8 I3 d2 U' L2 a# V4 P“墨林”AEW这样别扭的设计是受到直升机原设计的限制

8 _# K+ g3 A1 [: B9 H% Q0 r  E
卡-31这样也不是个事
% ?4 U: V2 O4 d8 G
3 B- A! r7 ?" y2 l$ a" C$ `; K) Z
E-2的双发短舱也是起落架舱


带外翼的倾转旋翼也可以把起落架与发动机短舱整合到一起，大大增加机下安装雷达罩的空间。如果发动机固定而只有旋翼倾转，起落架和机腹雷达罩的问题更加容易解决

这样的带外翼的倾转旋翼大型无人机不仅是舰载预警机的理想构型，也是舰载加油机、反潜机、运输机、侦察巡逻机等的理想构型。在理想情况下，可以共用基本平台，研发出不同的改型。甚至用更换嵌入式任务模块的办法，在出动前挂装相应的任务模块，就可作为预警机、加油机、反潜机或、运输机、侦察巡逻机等出动。
5 F6 ?1 T% l2 P5 X
: j; k! t  H  t; r9 y1 V6 w& P2 ^由于垂直起落性能以“能在舰上垂直起落就行”为设计基点，对悬停和直升机特殊机动没有要求，更没有突击机降才有的速降要求（这是使得“鱼鹰”进入涡流环的大问题），旋翼直径可以减小，缩短双发之间的距离，转速也可以加快，降低巡航阻力，也更加便于气动上的优化。
" g! j4 U5 a' L* j2 ?- G

# F8 B  w+ n7 ]# M% `: h任务模块化的设计其实在60年代就有了，西科斯基S-64是按照空中吊车设计的，没有固定的机舱，在使用中吊挂不同的模块或者集装箱，就可以干不同的活，从运输重物到消防，很灵活

* {7 Z: b; [9 ~: h3 r* v$ p
现代无人机更是有嵌入式货物模块的做法
+ n0 |/ Y! [* w# D2 M
% |0 L. J- j  T: l) U无人预警机其实已经有了。俄罗斯在2021年8月的莫斯科军展中，展出了Gelios无人预警机，采用大型刀状机腹天线。这还是固定翼的，需要较大的扫过面积才能上舰使用。刀状天线也只有侧向雷达视界，对飞机的回形针航迹的限制较多，还是不够理想。中国的主动电扫天线技术已经很成熟了，与带折叠外翼的倾转旋翼相结合，可以提供更为理想的舰载无人预警机。

6 |* {. A$ ^( i; S. q) I1 J
俄罗斯的Gelios无人预警机


在某种程度上，设想的无人预警机就是把机背雷达天线翻到机腹，再结合带折叠外翼的倾转旋翼

这样的舰载无人预警机也可供空军和陆军使用，不需要机场跑道而又能实现长航时，对什么军种都是有用的。更是可以在具有足够大直升机甲板的水面战舰上起飞，自带无人预警机的055编队的海上控制能力可以顶半个航母编队了。
0 u$ X; w: Q* c0 H% i3 ~
中国在赶超中，必须重视外国的先进经验，也切莫忽视新质科技提供的弯道超车的机会。

MacArthur

昨天研究Fluidic vectoring时刚看到一篇论文，今年三月发表，北航跟南航合作研究如何在高空慢速飞行器上应用射流体飞控，设定高度两万米 -- 搞不好就是威无人预警机做准备。
7 H0 D. E) \/ |1 n8 |
7 \; {7 }! }3 L  S6 c( I0 l/ P如果能抛弃“垂直起降”这个刚性要求的话，只要求有限度地短距起降，那么是否可以设想一种翼面+发动机有限倾转的构架？相当于鱼鹰整个翼面（内、外翼）连同发动机短舱一起上扬一个角度？反正翼面在低速情况下对于升力贡献有限，速度越高翼面越正，最后彻底转为螺旋桨+平直翼飞行

另外鱼鹰没搞喷气版本吗？ 像HALO Pelican那样。。。 虽然起降时对地面燃气冲击很厉害，但是可以解决问题一啊
' ^3 |1 t- c. P$ n' s( K


9 w: Y6 @% ?* C6 u7 g# z3 \

晨枫

MacArthur 发表于 2021-9-29 12:25
昨天研究Fluidic vectoring时刚看到一篇论文，今年三月发表，北航跟南航合作研究如何在高空慢速飞行器上应 ...

: i$ w+ ?9 V  S" j


7 e* ~# F2 ^5 E6 V9 H: ~/ [/ ]( j) E早有人试过啦
# Y# S4 T6 X+ L+ ^  P0 i8 w
作为STOL是可以的，比倾转旋翼转动惯量更大，而且翼内不再能当油箱用。
* Y; D& w' h2 C6 b, P
/ ]2 A' v. C. I# _% {& |/ v. N8 S最大的问题还是翼展，不折叠就无法上舰。

高空慢速用fluidic是有好处的，因为控制力更加来自射流，而不是本身的气动速度。不过我还是觉得这东西离实用化还有距离，在高价值飞机上应用更加遥远。

沉宝

补充一个组网预警的好处：更容易反隐身。隐身飞机并不是把所有照射来的电磁波都吸收掉，而是将其大部分能量集中在几个方向上辐射出去，使得原路返回的很少。组网后可以做多发多收，电磁波并不一定需要返回原发射点，这样隐身飞机被看见的几率大大提高。

晨枫

沉宝 发表于 2021-9-29 12:51
' N# k# ?4 A4 _3 n: L: Z3 p  Z5 V补充一个组网预警的好处：更容易反隐身。隐身飞机并不是把所有照射来的电磁波都吸收掉，而是将其大部分能量 ...

是的，这一点很重要。多谢补充。

法乎其上

也许，彩虹10只是前导，有人的机型或者你说的无人应用就是后面的进一步计划。
无人机的战场体系化应用是方向，也是兔子最可能领先大漂亮的地方，或者说已经比大漂亮快半个身位。