为什么连排级的无人机只能是电动的
2022-03-25 07:39:04 来源: 晨枫

无人机改变了战场,但无人机有各种各样。有的无人机只是有人机的小型化、无人化,比如“死神”、“火力侦察兵”,有的就是完全新质、没有有人机对应的多旋翼及其变异,如各种大疆和新流行的eVTOL。

MQ-9“死神”是小型化、无人化的固定翼飞机

MQ-8“火力侦察兵”就是小型化、无人化的直升机

各种大疆是典型的多旋翼无人机,在有人飞机里没有对应

Elroy Air这样的eVTOL是固定翼和多旋翼的混合,航程和载重比纯多旋翼更大,但也更复杂

小型化、无人化的有人机实际上还是较大,在飞机特点和使用上和有人机没有原则区别,一般也用涡桨、涡轴、内燃机作为动力,载重、航程都大,成本也高。

真正得到大发展的是多旋翼无人机,既可以是大疆这样的纯多旋翼,也可以是与固定翼混合的多旋翼,也称eVTOL。这是真正新质的,但也无一例外地为电动的。载重、航程较小,但成本低得多,使用更加便利。

固定翼和直升机的特点很清楚了。固定翼的起飞重量更大,速度更快,航程更远,升限更高,油耗更低,维修简易,但需要跑道才能起飞、着陆。显然,连排级的野战军肯定伺候不了,不可能到处都找到跑道。直升机正好相反,哪里都能垂直起飞、着陆,还能做悬停、侧飞、倒飞、筋斗等特殊机动,但这是复杂的桨毂为代价的。看看那堆零碎,都是高磨损的活动部件,都需要高强度维修,都对恶劣环境敏感。连排级的野战军也伺候不了。

这是桨叶系统的简化示意图

黑鹰直升机的桨毂,倾转滑盘(上图红盘和蓝盘)在下面,看不见,那里还一堆啰嗦玩意。尾桨那里简单点,不需要滑盘,但还是一堆啰嗦玩意

相比之下,大疆这样的多旋翼就简单得“不讲武德”了

直升机的旋翼不仅在转动中通过与空气的相对运动产生升力,还要通过桨盘的水平或者倾斜实现悬停、产生推力和实现各种特殊机动。为了补偿旋翼的扭矩,还需要尾桨提供反扭力。使得桨盘可控倾斜是伊戈尔·西科斯基的划时代发明,其中的关键是一对可倾转的滑盘。

滑盘分上下两部分,下滑盘是可在连杆控制下倾斜,但不转动;上滑盘随桨叶转动,同时在贴面作用下“被迫”随下滑盘倾斜,带动连杆控制桨叶在旋转中的上下挥舞,使得桨叶叶尖形成的轨迹(桨盘)倾斜,形成推力、侧力等。

桨叶与桨毂需要通过挥舞铰连接,这是高载荷、高循环的活动部件。桨叶也有总距铰,控制桨叶相对于旋转方向的迎角,控制升力。桨叶转速的大小是改变升力的,但发动机的转速范围有限,需要与迎角相结合,才能达到升力控制的全范围,就像汽车发动机需要通过变速器才能控制全速度范围一样。这是又一个高载荷活动部件。连杆与滑盘和桨叶的连接也需要通过铰链。这么多高载荷活动部件的磨损很大,维修工作量很大。新型无铰桨毂用弹性部件代替部分铰链,只是转移了问题,把机械磨损变成材质老化了。

直升机的麻烦还不止这些。直升机需要反扭矩的尾桨,尾桨驱动不仅需要动力转递,还需要与主旋翼同步,所以长长的驱动轴不仅重量、磨损是问题,还特别怕损坏。大部分直升机失事都是因为尾桨故障后的失控。

尾桨的动力从主旋翼减速器引出,长轴需要在中间有支承轴承,避免下垂和转动时的抖晃,但增加磨损

各种双桨可以免去尾桨,但卡莫夫那样的共轴反转双桨需要轴套轴,而且为了避免上下旋翼在挥舞中互相碰撞,需要增大间隔,增加阻力,增加结构刚性的要求,更要命的是,旋翼控制机构更加复杂。找任何一架卡莫夫来,看看桨毂,不头皮发麻算你赢。

卡莫夫的共轴反转双桨需要双套桨毂机构,还有轴套轴的问题,世界上只有一家玩这个,不是没有道理的

CH-47那样的串列双桨不仅有双套滑盘、铰链、连杆的问题,还需要把发动机的动力汇总后,用传动-同步轴分配到前后旋翼,而不是两台发动机分别驱动前后旋翼。只有这样,才能保证前后旋翼同步。长长的大功率传动-同步轴穿过整个机顶,这是又一个维修人员问候设计、制造方先人的地方。单旋翼-尾桨也有常常的传动-同步轴,但功率一大,幺蛾子就多啊。

CH-47用串列双桨,需要贯穿全长的大轴进行动力传递和同步,重量和磨损很厉害

MV-22那样的倾转旋翼并列双桨看似简单点,但根本不简单,因为还是有直升机模式下的操控问题。左右双发之间还有复杂的交联传动-同步轴,不仅确保同步,还在两侧发动机出力不均匀或者单发停车时能驱动两侧旋翼,继续飞行。否则并列双桨一旦单发故障,立刻失控坠毁,连挽救的时间都没有。发动机短舱倾转的复杂性、可靠性和直升机-飞机模式转换的飞控问题就不多说了。

简言之,直升机机械上的那么多麻烦事是由于集中动力的关系。不管是涡轴还是内燃机,发动机沉重,成本高,机械同步困难,只能集中动力,然后用各种办法保证同步。再白菜化,直升机只能是鱼子酱煮白菜,注定机械复杂、使用麻烦、购置和运作成本高。

在讨论无人机问题的时候,必须牢记成本和体系。

中国是无人机大国,什么无人机都造得出来,而且成本一定低于欧美国家。但这还不够,碾压性优势还不够,要气化级优势嘛。

多旋翼没有那么多事。对角上的旋翼自然抵消互相的扭力,多旋翼的各种“抬压”自然控制姿态和前飞、侧飞、倒飞,翻筋斗更是不在话下。

多旋翼的旋翼总是成双作对的,不仅两两抵消反扭力,还便于控制姿态

在理论上,多旋翼依然可能采用集中动力,但各种同步轴将使得机械复杂性之高、重量之大、可靠性之低达到不可思议的程度,彻底抵消了任何好处。必须采用分布动力。

电池动力的电动与多旋翼是天生的一对。电动机的转速范围很大,特斯拉就不需要变速器,一档到底,这就省却了总距铰。用旋翼之间相对升力控制姿态,这就省却了挥舞铰。

多旋翼的桨毂简单得不能再简单了,简单的驱动轴直接连到无铰链、固定桨距的旋翼,这是多旋翼低成本和实际上无维修的第一秘诀。

电动机之间同步简单多了,用电气和电子方法实现,不需要任何机械同步,这是多旋翼低成本和实际上无维修的第二秘诀。

电池动力的问题是电池重量和容量。这是多旋翼较难做大的拦路虎,但不是没有办法的,油电或者涡电啊,功率更大,续航时间更长。

油电就是用内燃机驱动发电机,油耗较低;涡电则用涡轴驱动发电机,功率更大。问题是交流发电容易,但交流电动机要变速,需要一套复杂的变频系统。直流发电本身就较复杂。全系统的重量、复杂性急剧升高,完全抵消了无人机的简单、低成本、无忧虑使用的优点。

涡电作为航空动力正在得到高度重视,但重量、复杂性和成本使得这还在很长时间里不适合在低成本无人机使用。还是只能电池动力。

电池动力的多旋翼成本低,使用简单,已经成为人们对无人机的认知。要在连排级部队装备大量无人机,只能是这样的无人机,不可能是油机。

空军、海军的无人机是完全不同的要求,不去说它。陆军的集团军、合成旅级也是不同的要求油机无人机或许更加合适。连排以下的甚至到班和个人的,首先数量巨大,而且是半可消耗的,对成本必须敏感;其次小分队里人手紧张,没法伺候。必须是使用最简单、携带最方便、结构最皮实、无维修、性能够用的。还是只有电池动力的多旋翼。

唯一例外可能是彩虹817这样的微型无人机。这是很特别的设计,以前专门写过一段,这里不重复了。这对班用甚至单兵使用很好,但结构上决定了只能是这样的微型的,能力有限,连排用有点不够给力。

彩虹817是非常有潜力的微型无人机,但在本质上就做不大,班用很好,连排级有点嫌小了

eVTOL是多旋翼和固定翼飞机的独特组合,因此动力系统也可以更加灵活。多旋翼部份肯定是电动的,但固定翼状态下的推进可以用普通的内燃机或者涡桨驱动,同时为电池充电,用于短时间的垂直起飞和降落。

eVTOL对于合成旅侦察连这样的“专业单位”很适合。在平飞状态下,速度、航程比直升机或者多旋翼大得多,但可以垂直起飞、着陆,比固定翼无人机更容易运作,机械和维修简单,不需要太多伺候,但对于营以下的分队还是太大、太费事了。

单兵巡飞弹在很多方面符合要求,但只能一次性使用,成本还是高。战争不是只要打赢就行,还需要在对经济和社会负担最小的情况下打赢,这才是真赢。在不影响任务完成的情况下,成本最低的手段才是最好的手段。这也是飞机投炸弹不可能被导弹所取代的原因,无动力或者短程武器的成本大大低于远程武器。单兵到连排级也是一样。巡飞弹很有用,但不是无人机的替代。

即用即扔实际上也是很大的后勤负担,在前方大体确认有敌情、只是需要查明、攻击时使用比较合适。否则机步连沿道路搜索前进,以巡飞弹作为前方侦察、搜索工具的话,一天可能就要消耗十几个、几十个巡飞弹?有的巡飞弹是可回收的,没有自爆就收回来,充电后下次使用。这和可消耗无人机没有两样了。

“折刀”是典型的单兵巡飞弹

发射后自动打开,就成了一架微型固定翼飞机

巡飞弹一般相当于微型固定翼飞机,可以盘旋,但不能悬停和抵近观察。在特别狭小的街道上和建筑之间不便使用。一掠而过有时不能仔细观察,悬停和抵近观察常常是不能取代的。多旋翼、垂直起飞着陆的无人机还是必要的。

充电是个问题,但这不是无人机独特的问题。士兵数字化后,夜视仪、单兵数据链、激光测距-照射仪、敌我识别器(Blue Tracker)都需要充电。新一代军车大到步战,小到悍马级,发动机都额外强化,具有更大的发电能力,车上座位都有充电口。这是10年前的军车都不具备的,但也是现在新一代军车必备的。

徒步步兵比较麻烦一点,但他们的麻烦不只是充电了。背上一大堆巡飞弹一样不现实,还是需要某种随行的战术拖车或者什么东西来解决。

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