【深度】无人机研究报告（六）美国：无人战斗武装旋翼机，X-51A，潜射无人机

美国陆军承诺为转型期间的未来部队提供一款更致命的侦察机，可以单独搜索或与有人或无人驾驶小队一起执行任务。这种无人战斗武装旋翼机（Unmanned Combat Armed Rotorcraft）称为UCAR。美国国防预研局的项目经理唐纳德•伍德伯里说：“我们已经像开发卡车一样开发了无人机（UAV），UCAR正开发成为一个体系性的远景。”

伍德伯里先生解释道：“无论是白天还是晚上，或是在不利的气象条件下，UCAR系统同它的模块化载荷都是设计为发现最困难的目标——徒步进行、伪装的作战人员，和其他隐藏在地面混乱中的其他目标。陆军未来战斗系统的单独一名操作人员或是在AH-64D“阿帕奇”或A2C2（陆军空域指挥可控制，译者注）系统“黑鹰”上机载的单独操作人员，最终都能指挥一架或多架无人机，仅仅通过少数几句口语词汇。该项目的目的就是可以使用操作指令，近似于发送给有人系统的指令命令他们。”

“实际使用中的UCAR概念是与‘影子’、‘捕食者’以及其他实际使用的UAV有很大不同的”，诺斯洛普•格鲁曼公司UCAR的项目经理戈雷格•祖温纳曼解释说，“替代一个人控制一架UAV的是，你可能用一个人控制一个小队。一名忙于同其他职责的操作员可能为协作小组发出最高级的指令，仅为了勘察一列树行，还得忙于注意同野战炮火重叠在一起的枪弹威胁。而自动驾驶无人机在他们小队之间分派任务和资源，顺应空气动力情况改变队形，对那些偏离命令的需要授权。”

伍德伯里先生承认：“在网络中心战领域，无人直升机可能从有人驾驶攻击直升机、战术喷气式飞机或者未来战斗系统的非直瞄火箭系统（FCS Non Line Of Sight Launch System，FCS NLOS-LS）召唤火力。或是它可以履行通信中继、排雷或其他任务。诺斯洛普•格鲁曼公司得到卡曼授权的UCAR曾装有一个腹钩，用于掉运货物。我不能确定发抖的原因是否有关UCAR只能运送单件载荷；但当你谈到多用途飞行器时，你要有能力提供后勤支援作为核心使命。”

多功能的UCAR将可在阴暗、恶劣的天气下，执行危险任务，而不用将人的生命置于险地。不像其他无人机（UAV）使用单位，陆军航空兵需要高度自理的飞行器，才能找到低空下自己航路上的障碍物，以及最接近防空火力危险下的生存性。但UCAR概念因此称作“低空观测直升机”，具有对人类指挥官口语指令产生反应的足够的机敏，同机载成员无缝协作，以及在动力学环境再次执行任务的能力。它是非常灵活的平台，将可以同先进的传感器和武器系统整合，用于发现、识别，并同敌人交战。伍德伯里先生承认，UCAR从开始就确定为一款雄心勃勃的机型。

X-51A

X-51A是美国高超音速导弹研制计划的名称，其关键在于研制出一种能以6.5马赫（即6.5倍音速）的极高速度携带弹头飞行的高超音速冲压喷气发动机。与需要携带大量氧气的传统导弹不同，这种新式导弹的发动机能够以极快的速度将自带燃料和空气中的氧气进行混合，从而产生出极高的速度。而且这种可重复使用的高超声速导弹外形尺寸比同类导弹要小得多，只有后者的一半大小，但却具备攻击500千米外目标的能力。研发中的这种高超声速导弹在投下弹药后可飞回基地，因此更像是一架飞机。X-51图示和特性如下：

2004年1月，AFRL选择波音公司与普惠公司共同制造SED-WR的验证机，由波音公司制造机身，普惠公司生产发动机。2005年9月，美国空军正式将该计划编号为X-51A。
2010年5月26日，美国在加利福尼亚州南部太平洋海岸的军事基地，成功试飞了X-51A飞行试验机。

按照最初试飞计划，B-52飞机在大约15000米高空投放整个X-51A试验系统。首先，助推器持续燃烧30秒钟，将整个系统加速到马赫数4.6～4.8。在助推过程中，空气将进入X-51A验证机的超燃冲压发动机内，通过级间段流出，以便起动进气道，开始逐渐加热发动机及其燃油。在助推器分离后，X-51A验证机将借助惯性继续滑行数秒钟，然后在发动机内部依次点燃乙烯和燃油，达到热平衡后，仅利用JP-7燃料的燃烧实现不断加速。整个动力飞行过程大约300秒，预期飞行速度达到马赫数6.5。随着全部燃料消耗殆尽，X-51A验证机将开始减速，接着是500秒的无动力飞行，逐渐下滑，最后坠落进太平洋。

然而，首次试飞并非按照设想顺利进行，尽管取得了成功，但还是出现了令人意想不到的一些情况。

5月26日，美国空军实施了X-51A验证机的首次飞行试验。当搭载X-51A的B-52H载机爬升到预定高度后，在马赫数0.8的飞行速度下，释放了由助推器和验证机组成的X-51A试验系统。大约4秒后，助推器按照预定程序点火，将X-51A验证机助推到马赫数4.8。随后，X-51A验证机与助推器、级间段分离，按照预定程序，成功地完成了一个平缓的180度滚转机动。这一过程中，X-51A验证机将进气口从上方位置改变为腹部位置，飞行速度略微降低到马赫数4.73。

随后，SJY61超燃冲压发动机先点燃乙烯，然后过渡到JP-7碳氢燃料的点火、燃烧。接着，X-51A验证机开始逐步加速，但是遥测数据表明，加速度略低于设计值，而且发动机舱后部的温度明显高于设计值。靶场安全官员通过监测数据发现，X-51A验证机开始减速，并且遥测信号丢失，于是下令终止试飞，飞行器启动了自毁程序。

结果，SJY61超燃冲压发动机只工作了140秒，并未达到预期的300秒时间，飞行器的飞行速度达到了马赫数5，尚未加速到马赫数6以上。PWR公司表示，有关数据初步表明，SJY61发动机完全按照设计要求工作，在第一次试飞中就实现了最关键的一些事情：点燃乙烯，过渡到乙烯与JP-7燃料的混合燃烧，达到JP-7燃料燃烧的条件，仅用JP-7燃料继续燃烧，并持续工作140秒。X-51A验证机在自毁前，机内仍然剩余一部分燃料。

由此可见，PWR公司已经完全掌握了一系列关键技术，可以很快制造出更长燃烧时间的超燃冲压发动机。设计的5分钟飞行时间并不是推进系统的限制，只是局限于在油箱内装有燃料的容量。如果改进设计一种更大容量的燃料箱，X-51A改进型可以进一步增加飞行时间。

尽管飞行时间没有达到预期目标，但测试组仍然对结果感到满意。AFRL发言人表示，首次飞行得分为B，下一次将得到A。AFRL负责X-51计划的经理布林克表示，此次试飞取得了95%的成功，飞行控制软件完美无缺，尚不清楚加速过程减慢和飞行时间短暂的具体原因，初步推测可能是密封问题或作动器故障，同时也认为，有可能是错误地估算了X-51A验证机在低马赫数飞行时的阻力。

2011年6月13日进行的X-51”乘波者”高超声速飞行器第二次飞行试验中，由于超燃冲压发动机的进气道未启动，X-51第二次飞行过早终止。在操作人员的控制下，飞行器溅落加利福尼亚沿海。

波音公司B-52飞机携带X-51飞行器完美地飞至发射点后，火箭推进器成功将X-51推进至马赫数5，由普惠·洛克达因公司建造的超燃冲压发动机以乙烯为初始燃料，成功点火。在随后转而使用JP-7常规燃料时，进气道未能启动。之后工作人员重启、恢复最佳条件的努力失败。

按照NASA的说法，进气道不启动的原因多为激波速度过快，越过进气口前端，导致发动机气流的气压骤减。超燃冲压发动机的工作依赖着极度精确的激波运动和发动机气流。没有风洞能使空气以高超声速运动，因此高超声速试验极端困难。

空军项目经理查理·布林克（Charlie Brink）表示：“显然，我们很失望，原本我们期待着更好的结果。但是我们仍对此次飞行收集到的数据感到满意。我们将继续检查这些数据，了解更多关于这项新技术的知识。每一次对这项令人振奋的新技术进行试验，就距离成功更近一步。”

2012年8月16日，美军进行了X-51A的第三次发射。按计划，用于测试的X-51A先是在位于加利福尼亚州的爱德华兹空军基地进行测试，待一切妥当之后被挂到B-52轰炸机翼下；接着B-52从爱德华兹空军基地起飞，在飞到接近莫古角导弹靶场的太平洋上空时，从5万英尺高空将X-51A放飞；然后X-51A打开自身动力，加速到6倍音速并爬升到7万英尺高空，在持续飞行300秒后最终坠入太平洋。而6倍音速相当于从纽约飞到伦敦只需短短不到一小时。发射后，无人的X-51A乘波者飞行器按计划与其载机B-52堡垒轰炸机实现了分离，助推火箭也实现了点火。但是一个控制翼发生故障导致X-51A“乘波者”飞行器在飞行了仅仅16秒后就垂直坠进了太平洋。

2013年5月3日，美国空军宣布，已研制近10年的无人驾驶飞行器X－51A“乘波者”在第四次，也是最后一次测试中一度以5倍多音速飞行，“任务圆满成功”。

美国空军当天发表声明说，“乘波者”5月1日在太平洋上空进行了最后一次测试飞行，在约6分钟的时间里飞行了约230海里，这也是”乘波者”在四次飞行测试中飞行距离最长的一次。

美国空军公布的视频画面显示，一架B－52型轰炸机从爱德华兹空军基地起飞后，将“乘波者”运载至太平洋上空约1.5万米处将其释放。然后，“乘波者”依靠固体火箭推进器在26秒时间内加速至4.8倍音速。与推进器分离后，“乘波者”启动超燃冲压发动机，冲上约1.8万米的高空，速度达到5.1倍音速，飞行了约3分半钟。

按照设计，“乘波者”不可重复使用，因此发动机燃料耗尽后，“乘波者”坠入太平洋并按计划自毁。

这一次飞行并没有达到6倍音速的设计飞行速度，但美国军方依然表示满意，美国空军X－51A项目主管查利·布林克在一份声明中说：“任务圆满成功。我相信，从X－51A项目中获得的经验和教训将有助于将来的高超音速研究以及最终的高超音速飞行的实践应用。”参与制造的波音公司则发表声明说，这是“一项历史性成就”。

潜射无人机

美军认为，海军潜艇将在联合远征作战中发挥更重要的作用，潜艇若要在战争中取得优势，就必须将各种传感器置于潜艇以外，潜艇发射使用无人驾驶飞行器将成为下一代潜艇发展的焦点之一。无人机从潜艇上发射升空，可以进行实时的侦察、监视、预警等，为潜艇提供近空支援，抢占信息优势，将提高潜艇平台的战斗能力，并有效地将潜艇融入海陆空天“网络中心战”信息大系统之中，提升联合打击能力。潜射无人机的使用可有效隐蔽己方潜艇的位置，同时还能扩大对海、对空搜索范围，延长预警时间，并能确定目标攻击参数，为水面舰艇和三叉戟核动力弹道导弹潜艇提供近距空中支援、中继制导和攻击战果评估，对于潜艇准确地选择、追踪、瞄准目标进而实施打击具有重要意义，被认为是“网络中心战”的重要组成部分，将显著提高三叉戟潜艇平台的作战能力，使“空优潜劣”的格局出现新的变化。配有深弹、反潜鱼雷等攻击武器的无人机对在水面及潜望深度航行的潜艇能够直接实施攻击，对敌方潜艇行动构成巨大威胁。

美军从20世纪90年代至今已经先后研究和试验了多款潜载无人机，如通过潜艇鱼雷发射管发射的能执行侦察、监视和目标搜索的海上搜索者潜载无人机；通过三叉戟潜艇的弹道导弹发射筒发射的配有低成本自主攻击系统和轻型炸弹无人机和可重复使用的鸬鹚无人机。

美国鸬鹚潜射无人机

潜射无人机发射过程