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科技支持未来美国陆军航空
2018-02-02
[据《防务宇航》网站2018年2月1日报道]未来,陆军航空系统将需要在反介入/区域拒止(A2AD)空域内对付拥有先进能力的对手,这些能力可以限制机动自由。为了在反介入/区域拒止环境中有效作战,未来航空系统将需要更大的航程、更强的态势感和更高的速度,以便能够进入优势阵地、存活下来并与敌方进行交战,还需要增加使用无人系统突防对抗空域。
在航空系统科学与技术(S&T)方面进行组合投资,致力于产品的发明、创新和过渡,从而使美国在当前和未来垂直起降(FVL)系统方面保持技术优势并赢得战争,投资包括五大研究领域:
平台设计和结构,着重于扩大垂直起降系统的航程和速度。
动力装置,以确保系统能够实现更高的速度并提高效率,以实现更大的航程。
任务系统技术,确保平台一旦进入作战环境就可以提供所期望的杀伤力和生存能力。
无人机的自主性和协同能力,拓展到达能力和致命性,同时提供穿透A2/AD环境的能力。
可维修性和可持续性,以确保平台能够在降低后勤要求的同时实现高作战率。
平台设计和结构
最终,平台无论是在攻击、起降、侦察还是医疗撤离方面都可以在战场上为航空系统提供预期的效果。平台根据任务和环境可能是有人,也可能是可选有人或无人。科学技术在平台设计中的重点是支持FVL。该领域的科学技术包括通过系统研发与演示进行概念研发和设计分析。这包括当前项目(如联合多任务技术演示(JMR-TD))和未来项目(如下一代战术无人机系统(NGTUAS))。JMR-TD正在演示支持FVL的平台和任务系统技术。NGTUAS的重点是研发和演示可提高飞行性能、生存性和可靠性的无人机的技术可行和经济可承受性,长期侧重于研发同时实现高速和高效盘旋的垂直起降技术。
动力
动力系统是支配未来作战环境所需要的最重要的技术领域之一。该领域包括提高涡轮发动机和传动系统能力的先进技术。目前用于垂直起降航空器的涡轮发动机和传动系被设计成以固定的速度和升力运转;前进运动是通过调整直升机转子叶片的倾斜度。涡轮发动机和传动系统针对这种固定速度进行了优化,但受限于效率和功率。
为了实现航程和速度效率最高,正在研发变速涡轮发动机和多速变速器相关技术。为了制造未来动力系统,新型涡轮发动机设计、材料和部件研发需要借助创新制造能力,如增材制造。此外,未来作战环境要求出动速度快、飞机维护时间间隔比现有飞机更长,为了满足未来作战环境要求,发动机设计要求具有很高的可靠性。混合动力系统等跨越式技术也正处于研发之中。与目前的混合动力电动车不同,这些技术结合了电动机和发动机效率,为了使FVL飞机能够满足未来所有作战要求,将需要综合各种新技术和能力。
任务系统
任务系统领域的目标是使人机任务设备的软硬件技术成熟,并对其进行验证,以便在未来作战环境中具备超强的生存能力。如果飞机、发动机、变速箱和转子是FVL的主体,那么任务系统可以被看作是眼睛、耳朵和大脑。为了对任务系统的开发和使用提供一个全面的方法,需要采用开放式系统架构,允许士兵通过“即插即用”使系统实现侦察、生存能力和杀伤力的升级。目前传感器和有效载荷是相关联的,这意味着它们不能进行太多的互操作。为了安装升级后的有效载荷设备,有可能需要对飞机进行升级,这将增加成本和飞机停飞时间。陆军的空中系统科技研究组合正在进行多功能传感器的研究,以免超过飞机的尺寸、重量和功率,态势感知和目标定位能力综合就是该类型传感器。
任务系统设计也需要像FVL飞机那样满足随时随地、全天候环境下作战的要求。这需要系统增加态势感知能力和生存能力,同时也要减少因先进传感器数据过大给飞行员所带来的认知负担。正在研发用于人工智能的新型算法,以创建被称为“有监管的自治”新型飞行模式,由飞行员监管而不是执行低级飞行功能。在美国陆军协会2017年9月7日举行的航空论坛上,美国陆军阿拉巴马州立大学陆军航空中心指挥官比尔•盖勒(Bill Gayler)少将表示,“有监管的自治”将帮助人类在循环中增加了飞行员,而不是取代飞行员。所有这些新型先进功能都将改变FVL的作战方式,并将在快节奏、变化多端的未来作战环境中实现生存能力。
自主性和协同
未来,无人机系统(UAS)可用于拓展有人系统的到达能力,同时将士兵从危险情况中解放出来。潜在的应用包括侦察、攻击、补给和伤员撤离。该领域的研究重点是下一代无人机系统技术,以支持联合陆军作战中的有人/无人协同。这包括从控制界面到先进自主等方面的研究。为了实现无人系统的潜力,这些领域的研究需要同时进行。人机界面的研究侧重于人机界面设计,以提高空降作战中的任务效能。调查领域包括提示、控制和显示的先进驾驶舱设计。在自主协同方面的重点是开发自主算法和认知决策,前者允许一个飞行员控制UAS,后者可以帮助士兵减少直接控制UAS的时间。长远目标是将UAS能力从远程控制或远程操作扩展到真正的自主能力,通过系统适应不断变化的战场环境,允许在对抗环境中联合有人-无人平台。
可维修性和可持续性
可维修性和可持续性的重点是研发可以提高设计可靠性、预测部件故障,以及减少维护和后勤负担的相关技术和方法,这是陆军航空最大的成本动因之一。具体研究领域包括综合健康管理,为优化可靠性的高效部件设计,材料失效模式以及热机械和电磁加载影响。迭代目标是从基于时间的维修转向基于状态的维修,并最终转向预测性的维修。
结束语
航空系统科方面的科技投资定位是提供下一波能力,确保我们的垂直起降飞机和无人机能够提供近距离空中支援,并保持美国在战场上的统治地位。(航空工业发展研究中心 张斌)

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