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跨介质飞行器呼之欲出

来源:未知 作者:admin 时间:2022-08-01 06:25 文字大小: 【大】 【中】 【小】 点击:
核心提示:近期,美国北卡罗来纳州立大学成功演示验证一款鹰鳐固定翼跨介质飞行器。这种飞行器长1.4米,翼展1.5米,可实现空中、水面、水下反复转换机动。搭载相应功能载荷后,可遂行跨域机动作战任务。这意味着,融合空中飞行、水面游弋、水下巡航能力于一体的跨介质

  近期,美国北卡罗来纳州立大学成功演示验证一款“鹰鳐”固定翼跨介质飞行器。这种飞行器长1.4米,翼展1.5米,可实现空中、水面、水下反复转换机动。搭载相应功能载荷后,可遂行跨域机动作战任务。这意味着,融合空中飞行、水面游弋、水下巡航能力于一体的跨介质飞行器技术有了新的进展。

  跨介质飞行器技术,是无人飞行器技术和无人潜航器技术的融合,所催生的新概念武器可在水和空气两种差异显著的流体介质中灵活机动,俗称“会飞的潜艇”或“能潜水的飞机”。

  目前,不仅仅是美国,世界上已有多个国家的研究机构正在积极开展相关探索和研究。

  早在20世纪30年代第二次世界大战前,苏联便提出载人“飞行潜艇”计划,制定将飞机和潜艇结合的设计方案,并成立专门的技术攻关小组。其设计方案为飞行时速200公里、水下航速2~3节,可从空中搜索确定目标,而后降落并潜入敌舰航路下设伏,达成突袭作战效果。但受当时技术条件限制,该计划并未进入工程化研发阶段,最终在1938年被终止。

  此后,美国进行了持续跟进。20世纪70年代,美国为分散部署其战略核武器,提出一种大型潜水飞机方案。其设计方案为空中作战半径4000公里、水下潜伏5天、载荷180吨,可执行战略导弹发射任务。当时,由于动力系统仍不成熟,不足以实现有战术价值的水下待机和潜航,加之复合材料成本高昂难以承受和核战略调整影响,该项目仅完成了概念设计。但是尽管如此,也为后续发展奠定了基础。

  2008年,美国DARPA(国防高级研究计划局)又提出一种特种运输潜水飞机计划,用于突击敌海岸的特种作战行动。其设计方案为承载8人及相应装备,可同时完成空中飞行1800公里、贴水面飞行180公里、水下持续潜航至少22公里,直到突击上岸。当时,DARPA进行了可行性研究和试验,证明已基本具备研发潜水飞机的技术条件。但由于空气动力学和水动力学技术要求的显著差异,很多专家学者仍对设计这种两用武器持有异议。

  历经近百年的探索,带动了跨介质飞行器原理和关键技术的研究验证,但目前还没有一款载人跨介质飞行器样机能够实现水空两栖航行。近年来,随着自主控制、结构兼容性设计、水空跨越、新型动力等技术的快速发展,很多国家相继启动相关技术储备,再次制定跨介质飞行器研制规划,进行工程化推进。

  当前,人工智能技术蓬勃发展,各国更加重视发展无人飞行器、无人潜航器等无人系统,相继推出各种高性能的空中、水面、水下无人作战平台,使单介质无人系统设计与控制技术日趋成熟,为跨介质飞行器研制提供了坚实的技术支撑。尤其是自主控制技术的突破,使跨介质飞行器不用再考虑人员工作舱、生命保障系统等因素,大大降低了技术复杂度。

  在结构布局上,跨介质飞行器如何满足水下、水上和空中航行的兼容性,是其在不同介质中实现高效稳定航行的关键。从现有典型样机看,大都采用横向折叠机翼、变后掠角机翼或仿生扑翼式两栖驱动翼等变体结构设计。如国外某研究机构采用仿生扑翼式结构,设计了一款水空两栖多模式仿生样机,通过调节扑翼关节角切换运动模式,产生空中飞行的升力或水下游动的推力,并成功进行了试飞验证。

  更为复杂的是,由于水体和空气的介质密度相差约800倍,实现介质间稳定可靠的转换是跨介质机动的难点。目前,样机的介质过渡方式主要模仿自然界中具有两栖生存能力的生物,如飞鱼的跳跃起飞、飞乌贼的喷水推进式起飞、鲣鸟的溅落式入水等。2016年,英国帝国理工学院设计了一款仿鲣鸟两栖飞行器,采用仿飞乌贼喷射式起飞、仿鲣鸟溅落式入水,成功实现了从水下到空中、从空中到水下的转换。

  此外,由于水和空气含氧量及航行环境的差异,跨介质飞行器的能量系统如何设计,是其在不同介质中均能获得足够动力的核心。目前,这一问题已有一些可行的技术解决方案。如氢质子交换膜燃料电池,可不通过燃烧就能将燃料的化学能转换为电能,能量密度较高、转换效率优异,且由燃料电池供能的推进系统也易于密封,适合水下作业环境,相关技术在一些潜射无人机研制中已得到应用。

  跨介质飞行器之所以成为各国竞相发展的对象,是因其可在水和空气两种介质中自主地连续航行,并能顺利实现介质间的过渡转换,融合无人飞行器的快速部署能力、无人水面舰艇的高速游弋能力和无人潜航器的高隐蔽性等优势,具有跨介质机动转换、水空两栖隐身和自主化作战等性能。

  试想,如果运用跨介质飞行器,进攻时可从空中快速接近目标,到达目标范围后,可灵活选择空中、水面或水下攻击方式。接近目标途中,如遇防空导弹拦截,可潜入水下躲避;如遇水下攻击,可飞到空中躲避;如遇任务调整,还可浮于水面待机。运用这种方式,跨介质飞行器将大大提高空中、水下突防概率,成为应对水面舰船、潜艇、反潜直升机等海上传统作战力量的撒手锏武器。

  从设计目标看,跨介质飞行器还具有部署灵活、用途广泛、驻留待机时间长等诸多优势。其可借助水下平台、水面舰艇、近岸陆基平台、空中平台等载体进行多样化部署;可通过搭载不同的模块化功能设备,执行侦察、攻击、防卫、通信中继、电子干扰等多样化作战任务;可在海面上长期漂浮驻留,并通过太阳能补充能量,适用于多种场合和时机。

  需要指出的是,目前跨介质飞行器正处于快速发展阶段,潜射型跨介质飞行器技术相对最为成熟,但其水下航行、发射、回收等仍需借助载体。如美军“鸬鹚”潜射无人机已列装部队,其机身总重不到4吨,可携带453千克载荷,飞行时速可达880公里,作战半径可达926公里。另外,真正具备空中、水面、水下自主航行能力的潜航型跨介质飞行器,如美国的仿飞鱼机器人样机、多模式水空两栖仿生样机、机器蜂和英国的仿鲣鸟两栖无人飞行器等,虽已完成关键技术和系统功能的验证、集成和协同演示,但仍处于系统研制与演示阶段。

  经过几十年的发展,跨介质飞行器技术经历了由载人到无人的转变,目前正由潜射型向潜航型、低融合度向高融合度升级。在军事需求和科学技术迅猛发展的推动下,真正实现跨介质飞行器空中飞行、水面游弋、水下巡航作业只是一个时间问题。这种融合陆、海、空3种无人系统特点于一体的无人系统,将降低不同空间无人系统协同作业的复杂度,提高操作的可靠性,大大提升任务的成功率。潜航型跨介质飞行器一旦投入实战,将会释放巨大的军事应用潜力。

  未来跨介质飞行器可与潜艇、舰船、反潜机等配合使用。如跨介质无人飞行器伴随潜艇远海作战,能为潜艇提供多次、快速的空中支持,充当其延伸的“耳目”和“拳头”,减小其侦察、通信设备受地球曲率和海洋环境的影响,大大改善其态势感知能力、隐蔽生存能力、水下通信能力,有效拓展其侦察、反舰、防空、对陆攻击等作战行动的范围,整体提升潜艇的体系作战能力。

  随着跨介质自主传感与控制、多流体环境高能量密度燃料、跨介质通信等技术的突破,跨介质飞行器的自主作战能力将会越来越强。未来高度自主的跨介质飞行器,可用作突破敌方防线的利器,还可作为侦察和战斗武器进行巡逻警戒、搜索反潜、近海探雷等。尤其是成群运用后,将具备强大的分布式杀伤和饱和攻击能力,让对手防不胜防,成为现代海上作战体系中新的战斗力增量。(常书杰 袁 艺 张 磊)

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