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西科斯基开路之作,赛飞无人机

2022-08-26 18:03:52 6300

摘要:▲装配有传感器悬舱的西科斯基赛飞(Cypher)无人机模型起点——DARPA的一份“小合同”1986年7月份,美国国防先进项目研究局(DARPA。Defense Advanced Projects Research Agency)找到了西科。...

▲装配有传感器悬舱的西科斯基赛飞(Cypher)无人机模型

起点——DARPA的一份“小合同”

1986年7月份,美国国防先进项目研究局(DARPA;Defense Advanced Projects Research Agency)找到了西科斯基公司,一番磋商之后,双方签署了一份“小合同”,经费不多,仅仅只是小型预研项目的规模,美国航空宇航局,也就是NASA(National Aeronautics and Space Administration),作为提供经费的中间方管理这个小项目,该项目的目的也很明确:探索非常规构型的旋翼类无人机的可行性。

虽然是小合同,西科斯基公司却仍然分出了一支颇具实力和行动力的团队去推进此项预研工作。到1987年3月份,西科斯基公司也终于交出了第一份答卷:他们开发了一种涵道式共轴双旋翼复合构型的无人旋翼飞行器,这种设计一方面能够确保无人机具备高安全性,同时也能保持其在垂直起降方面的灵活作业能力。

▲西科斯基公司早期的涵道双旋翼无人机概念专利图

作为DARPA每年都会启动的一大堆小型预研项目之一,该研究局虽然对该项目有一定的兴趣,但是并没有持续投入大量的资金推进它。但是西科斯基公司却认为这种新构型的无人机潜力巨大,所以他们启动了联合飞机公司的内部经费融资来进一步推进这种新构型无人机的缩比模型测试工作,以此来降低技术迈进的风险,并在进行了足够的模型测试之后,正式启动了概念原型机的设计和制造工作。

▲赛飞无人机的多种操纵模式概念图

1988年7月13日,涵道式共轴无人机原型机正式启动试飞工作。这架原型机本身只是一架低成本的简化设计飞行器,但也足够西科斯基公司针对这种新构型无人机的旋翼/机身构型、生产制造、后勤和一些无人旋翼机的关键操作等方面的效能进行评估。

从概念原型到真家伙——赛飞无人机的诞生

赛飞的概念验证原型机被称为POC(Proof of Concept),该机的总体构型就是在一套圆环形涵道机身中央设计了一套共轴双旋翼系统。这种圆环形的涵道能够提升当时旋翼类无人机常被诟病的操作安全性问题,同时,涵道的存在也阻止了旋翼的桨尖三维流动效应,能够部分增加整体升力和降低噪音。

▲赛飞无人机内部结构线图

POC型赛飞的总的直径为1.75米,高度为55公分,重量仅20公斤。如上文所述,该机在1988年7月13日完成了首次试飞。其所采用的发动机为一台四冲程的出轴马力为2.85千瓦的发动机,其旋翼采用了两套3桨叶的施吕特尔旋翼,其直径为5英尺(1.524米)。

该型无人机的控制系统其实就是从现成的遥控模型无人机上面直接拿过来改造一番直接用的,所以其无线电遥控器也是现成的。通过无线电传输,赛飞-POC就能够接收到操作员的指令信号,无线电信号转为电信号之后就能驱动位于旋翼下方的伺服机构,然后对旋翼实现操纵。除了无线电信号之外,赛飞-POC的控制系统还会混合接收来自位于该机滚转、俯仰轴上的速度陀螺仪的数据,速度陀螺仪的存在能够改进赛飞-POC的速度稳定性。

▲赛飞-POC概念验证原型机

赛飞-POC作为 一架概念验证机,固然存在不少问题,但是西科斯基公司的设计师们发现该机在悬停状态下,能够实现任意自由度的操纵控制。不过受限于发动机的性能,该机并不能实现预期的前飞测试,于是设计师们只能采用一个折中的办法——让一辆平板卡车拖着赛飞-POC在跑道上来回跑——以此来观测该机的水平飞行数据。总的来说,尽管由于发动机的限制,该机飞行测试完成度并不高,但是赛飞-POC的概念及其优越性仍然是得到了一定的验证,并获得了西科斯基公司设计师的认可。

赛飞-POC的飞行验证取得的初步成功激励了西科斯基公司的设计师,促使他们趁热打铁推出了赛飞技术验证(Technology Demonstrator)原型机,简称赛飞-TD。该机总重250磅,总直径6.5英尺,由一台出轴功率52马力的旋缸发动机驱动。

▲悬停中的赛飞-TD验证原型机

1992年4月份,赛飞-TD完成了首次系留飞行测试;1993年初,该机完成了真正意义上的首次自由飞行测试。在90年代,西科斯基的设计师们和试飞人员对赛飞-TD进行了长时间的飞行测试和演示验证,该机的总飞行时长达到了550小时,这些珍贵的飞行测试数据最终促成了赛飞的改进版本——赛飞Ⅱ——的诞生。赛飞Ⅱ作为西科斯基公司的“真·赛飞®无人机”参与了美国海军的“垂直起降-无人机”(VT-UAV;Vertical Takeoff-Unmanned Aerial Vehicle)项目的竞赛。

▲赛飞的总体布局方案

最初,赛飞Ⅱ是作为一种无人侦察飞行器而被开发的,其研制目的是为战术指挥官在高风险、高对抗性的战场环境下提供关键目标的实时跟踪和定位信息。随着赛飞无人机机载系统的成熟,该机逐渐发展成为一个多用途的综合任务平台,能够执行各种军事和非军事任务,比如说远程哨兵、地下探测或者有限载荷运载系统。总的来说,赛飞可以在机体上方的悬臂上安装传感器及其他任务载荷,或者也可以运输重达23公斤的货物。

西科斯基公司给赛飞Ⅱ起了个相当炫酷的绰号“龙骑士”(Dragon Warrior),最后被美国海军陆战队选中来评估“无人机辅助超视距目标打击”能力。西科斯基收到了546万美元的初期经费合同,需要按照要求向美国海军陆战队交付两架原型机和四套地面工作站,该合同还有一个额外的价值376万美元的附加选项,该选项要求向美国海军陆战队交付10架生产型的赛飞Ⅱ无人机。

▲赛飞Ⅱ龙骑士无人机

可惜的是,尽管该项目前景看起来很美好,但是实际问题却不少。一方面,西科斯基公司碰上了不少技术难题,其中就包括给赛飞Ⅱ加装机翼和辅助推进螺旋桨来提升其前飞性能等措施,这些技术难题的出现导致西科斯基公司的研制进度一度落后于美国海军陆战队的时间进度表;另一方面,随着研制工作的推进,初期的研制经费很快见底,西科斯基已经开始内部自筹经费推进项目,美国海军陆战队却没法提供更多的经费。多重因素综合之下,该项目很快就被取消了,在项目取消之前,西科斯基公司仅有两架“龙骑士”原型机被打造出来。

▲赛飞Ⅱ“龙骑士”的专利设计图

除了上述的几种赛飞构型之外,西科斯基公司的设计师早在赛飞无人机设计之初就考虑过涉及多种尺寸的赛飞无人机,以此来满足特定任务的要求,其中有一款尤为小巧的赛飞无人机就被称为赛飞-Mini。赛飞-Mini可以通过便携式地面站直接操作,甚至也可以直接背在人的背上,然后通过带有头盔显示器的可穿戴式计算机进行操作。和较大的赛飞无人机一样,赛飞-Mini的操作也不需要训练有素的飞行员,该机已经实现了较高程度的飞行自主化,一般来说,操作员只需要提供以任务为导向的指令就能够轻松驾驶该型无人机。西科斯基曾尝试向军方和民用客户推销赛飞-Mini,但是却没有收到积极的回应。

▲赛飞-Mini的概念设计

赛飞-Mini无人机直径36英寸,高度8英寸,空重30磅。其有效载荷为20磅,其中包括燃料和任务载荷,最大起飞重量为50磅。赛飞-Mini的总体设计与大尺寸的赛飞无人机基本一致,都是由环形涵道机体包容着共轴双旋翼设计,以此来确保该机在高楼间、丛林间和其他障碍物附近作业的安全性。赛飞-Mini可以在各种复杂地形实现降落,其着陆面积仅需3平方米。

高度自主——赛飞®无人机的设计特点

发动机:赛飞无人机由一台汪克尔型转子发动机(Model AR801,由英格兰无人机发动机有限公司制造)驱动。该型发动机凭借其出色的功重比和较低的油耗水平而被西科斯基公司的工程师所选中。从构型上来说,AR801是一种单一转子、自然吸气式、294cc内燃机,可选液冷或者气冷。其内发动机转子是一套气冷系统,可以吸引冷空气通过转子壳体,空气由安装在外部发动机机壳上的风扇牵引。发动机壳体则通过水-乙二醇混合物冷却,水-乙二醇混合物通过散热器实现循环使用,这种散热器安装在双旋翼之间的涵道内壁上。AR801的转速为7000 RPM,出轴功率为50马力,其工作状态则通过赛飞无人机的总飞控系统监测和控制。

▲赛飞无人机所采用的汪克尔型转子发动机

AR801的推荐使用燃油是100LL的航空汽油,不过RON 94或更高的车用汽油也是可以用作燃料的。英格兰无人机发动机有限公司还开发了一种排量更大的核心发动机,燃油消耗高一些,但能提供60马力的功率输出。这种核心发动机也被西科斯基公司列入大型赛飞无人机的意向发动机之列。

起落架:赛飞-TD采用的仍然还是橇式起落架,不过到了赛飞Ⅱ,就开始采用轮式起落架了。

▲赛飞Ⅱ的轮式起落架设计

控制站:赛飞无人机的控制站本质上就是一台笔记本电脑。其设计的门槛非常低,一般的非飞行员的美军士兵只需要经过少量的训练就能操作赛飞控制站。事实上,成熟的赛飞Ⅱ基本都不需要操作员来“驾驶”它,操作员只需要输入任务指令,之后的整个飞行过程都是由赛飞自主完成的,而且这些任务指令随时可以被修改。而如果任务指令中止的话,赛飞无人机则会返回基地。

赛飞系统管理器:赛飞无人机集成了当时最先进的飞行控制软件和综合航空电子子系统,这使得该机的任务执行可以实现高度自动化,只需要很少或者说根本不需要操作员的干预。赛飞无人机的整个任务都可以通过系统管理器计划、实施和实时监控。系统管理器前端分为两部分,左侧为侦测区域的电子地图,右侧则实时显示传感器的输出。如果要进行任务规划的话,操作员只需要用鼠标选择航路(或者目的地地点或者要监测的区域),路线规划软件就会自动规划一条安全的路线到引导赛飞无人机飞往选定的目标点或者区域。

▲赛飞无人机系统管理器的显示器

控制赛飞无人机的一些指令,如:自动起飞、稳定巡航、区域搜索等,也显示在系统管理器屏幕的底侧。操作员只需要点几下鼠标就能执行这些命令。

机身和共轴旋翼:赛飞的机身是一种全碳纤维结构的设计,其外形经过特别优化,兼顾了悬停和前飞状态下的气动效率。其共轴双旋翼,被包容在涵道机身内部,是一种无轴承的、全复合材料设计的旋翼系统,这种设计可靠性比较高、可维护性也很好、重量当然也比较轻。共轴双旋翼的设计使得该机不需要额外的反扭距系统,而其偏航、俯仰、滚转等操纵则通过双旋翼总距和周期变距的差动来实现。

▲赛飞无人机涵道共轴双旋翼设计专利图示

西科斯基公司的赛飞无人机可以说只是西科斯基公司历史上的一个小插曲,并没有引起如同该公司其他旋翼飞行器产品般的巨大反响 (如海王、黑鹰、科曼奇、种马系列等),但是赛飞Ⅱ所展示的独特能力,如自主飞行、空中识别、精确的有效载荷投放等,还是吸引了不少目光。

​▲赛飞Ⅱ无人机的自主悬停和前飞能力都堪称完备

可以说,在上世纪九十年代早期,这种能力已经在旋翼类无人机中占据了领先地位。当然,赛飞无人机同时也有一些显著的缺陷,比如说其采用的二冲程循环高性能发动机存在着噪音巨大的问题,而受限于该机的功率要求和重量限制,西科斯基公司从该项目起始到结束,都没能有一个良好的措施来处理这个噪音问题,直到相关项目最终被取消,西科斯基为了将业务中心摆到直升机方面,也就放弃了赛飞无人机的后续工作,只能说是一个遗憾了。

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