美国未来军用无人机或将采用模块化设计思路_新浪财经

“开局”系列的核心模块和4个衍生无人机概念图。

罗克韦尔公司在高机动飞机技术项目中提出的模块化设计图，测试飞机具备多个部件更换能力。

克拉托斯公司提出的可消耗无人机模块化设计概念图，多个部件可更换。李亮　　 2023年12月，美空军选定五家供应商参与“合作式作战飞机”（CCA，即与六代机战斗机编队作战的无人机）项目早期阶段研发，分别是波音公司、通用原子航空系统公司、洛马公司、诺格公司和安杜里尔工业公司。根据美空军部长肯德尔的说法，美空军计划采购1000架或者更多数量的“合作式作战飞机”，为200架“下一代空中优势”（NGAD）和300架F-35A每架编配2架“忠诚僚机”，以“1+2”的方式构建美空军未来战术空战基础能力。据称首批飞机将在“2020年代后期”——有望于2028财年开始部署，早于“下一代空中优势”系统簇的有人战斗机。　　“合作式作战飞机”研发计划于2022年5月首次公开，美空军给合作式作战飞机设定了三大任务：即射手、电子战、态势感知，是一种多任务的系列无人机，可“通过针对特定子系统的模块化设计，在不同平台上补充和组合使用的一些基本功能，从而达到让人兴奋且经济可承受的效果”。通用原子“开局”无人机模块化思路　　2022年9月，为了响应美空军“合作式作战飞机”项目需求，美国通用原子公司首次发布了“开局”系列无人机基本概念，在“开局核心”模块基础上，通过不同设计布局、动力和载荷的搭配，形成多种可以满足不同任务的无人机。　　“开局”系列无人机基本概念包括4种无人机，即“开局-1”长航时态势感知无人机、“开局-2”察打一体无人机、“开局-3”假想敌空战训练无人机、“开局-4”隐身穿透侦察无人机。“开局核心”是该系列无人机的通用核心模块，封装了一些通用软硬件，包括起落架、基础航电设备、基础结构件等。以“开局核心”为基础，“开局”系列无人机通过配置不同机身、机翼、发动机以及多种模块化有效载荷后组成无人机“系统簇”，优化组合运用方式，满足情监侦、电子战和火力打击等不同任务需求。　　“开局核心”模块预计约占无人机机身总成本的70%，采用该模块化构建模式可降低制造成本并提高开发速度。通用原子公司称，该设计概念是希望从汽车行业中汲取灵感，通过类似于商用车装配线的方法制造无人机。现代的汽车模块化设计　　在现代汽车制造实践中，往往先研制基于通用度较高的某一基础构架（可以类比“开局核心”），覆盖车架、底盘和动力总成等通用模块，之后，这些通用模块会和不同的其他模块链接组装，可能会在生产线中左转变成一辆豪华轿车，也可能会右转变成经济型轿车（可以类比4种型号的“开局”系列无人机）。通用模块和平台为车企节约了成本，降低了复杂性，其上的不同配置和选项又为用户提供了多种选择，降低了创新难度。在规模化生产中，这种模式不仅可以满足广泛细分的客户需求，而且还提高了汽车生产的可承受性，因为核心平台已经达到相应的安全和质量要求，高速制造能够极大地节约所有衍生平台和创新的成本。　　以雷诺日产联盟的通用模块化系列（Common Module Family，一般简写为CMF）为例，汽车采用模块化设计，由五组多版本、兼容的主要模块组成：动力总成、座舱总成、前部底盘、后部底盘以及电子电气架构。这些主要模块中每一个都可以有多达三个版本的不同变体，旨在适应不同的汽车类型和价位需求。雷诺、日产和三菱从模块中进行选择组合，并以此为基础增加配置和装饰，以生产各种车型，从普通轿车、SUV到掀背车、旅行车。　　汽车模块化平台设计可以达成4个规模化的研制优势：降低成本，缩短新车型开发周期，建立统一的质量标准，提高整体产品的科技实力。如果在无人机研制中采用类似的模块化平台技术并形成规模化生产，预计也能在研制方面达到类似的效果。罗克韦尔采用无人机模块化设计降低技术测试成本　　美国军方很早就有了军用无人机模块化设计的案例，早在1980年前后，在美空军飞行动力学实验室和美国国家航空航天局共同组织的高机动飞机技术（HiMAT）项目中，项目承接方罗克韦尔公司就提出了类似无人机的模块化设计。为了测试和发展远程遥控无人机的机动能力，以及复合材料和控制技术，项目为了满足相应的研究目标，采用了模块化设计实现“一机多型”，以便飞机的相关部件可以被新的设计替代。　　该方案“基础核心”和连接部件的设计思路可根据试验需求不断调整。主要可更换的部件包括推进模块（后段）、外翼板、鸭翼、小翼、机翼和鸭翼前缘以及进气口前端。其中，推进模块更换设计用于调节和测试非轴对称2D尾喷口；尾梁外侧的机翼也可拆除，更换其他概念的机翼以测试不同结构的机动性能；可换的鸭翼前缘是为了测试机翼和鸭翼外倾角变化的影响。根据项目试验要求，罗克韦尔公司并未完成全部模块化研制工作，仅推进模块进行过更换并开展了试验活动。克拉托斯的军用无人机模块化设计思路　　2020年的“低成本可消耗飞机技术”（LCAAT）项目研究中，按照美空军要求，克拉托斯公司提出了以XQ-58A“战神婢女”为基础的模块化设计思路。　　美空军的思路是“使用一个适应性开放架构和‘即插即用’的设计思路，来部署一个可承受/可重用的无人机系列，以满足不同的任务要求”“模块化允许灵活地随着作战需求变化迅速接入新技术和软硬件系统……如可以先配置传感器载荷，作为态势感知平台执行若干架次的任务，然后根据作战需求的变化，快速重新配置不同的软硬件系统，以执行空中电子战或其他任务。模块化还包括改变机翼和其他无人机空气动力学结构的能力，这样可以增加航程、提升续航或隐身能力”。　　克拉托斯公司提出的模块化设计思路包含了有效载荷模块化和飞机功能部件的模块化。有效载荷模块化如挂载弹药、弹药无人机、电子战装备或是监视感知设备，都可以根据需要在作战时随需调整；无人机本身功能部件的模块化，如机翼、尾翼、雷达等，可以根据部署方式、作战方式的不同随需调整不同类型的功能部件。这一思路和“开局”系列无人机模块化的立意并不同，“开局”系列的思路与汽车模块化考虑相似，更偏向于降低成本和加速新型号研发，美空军的思路则更倾向于实现在前线基地重新配置适应作战需要的能力。　　另一方面，美空军提出的“适应性开放架构”可以理解为“模块化开放系统方法”（MOSA）的应用。在硬件层面，有效载荷、功能部件的接口采用开放标准，则能够让更多国防厂商参与研制，形成生态，便于飞机的长期使用和升级。在软件层面，通过规范并开放人机接口、机机接口，能够支持先进智能技术和商用成熟技术的快速插入。初步分析　　1、面向作战的模块化设计会改变军用无人机部署运行方式　　按照美空军的思路，无人机在前线基地能够根据作战任务临时更换功能部件，这种具有敏捷作战适应性的模块化思路更有实际意义。克拉托斯公司的模块化设计按美空军需求提出，可以看作军方视角，在前线基地临时通过换装机翼、尾翼、雷达等功能模块，或者弹药、传感器、电子战设备等载荷模块，同时调整机载系统软件，实现无人机能力的重新配置，以完成不同的作战任务。这一方式可以通过增加可换装模块库存和换装设备的方式，有效降低前线无人机的部署量，实现无人机的多任务重复运行能力。当然，这一方式也会对装备接口管理能力和前线换装可靠性确认提出了挑战。　　2、对需求较大的军用无人机来说模块化设计具有降本提速潜力　　汽车的模块化平台技术起因是大规模生产条件下降本增效，提升竞争能力的需求。军用无人机的需求量远远比不上汽车，目前美空军对合作式作战飞机的当前需求还不是特别大，是否能够应用模块化设计思路实现降本提速需要结合未来需求和生态进一步分析。但借鉴汽车产业的发展，如果同等级别的无人机能够实现通用模块的平台化和其他模块的标准化，也会成为军工企业长期发展实现降低成本快速研发的一大支撑。　　3、开放架构的模块化设计能够优化装备研制的企业生态　　美空军提出的开放架构的模块化设计需求设想，是美国国防部持续推进“模块化开放系统方法”的结果。采用开放的模块接口标准，让更多厂商参与部件模块研制，具有更好的供应商无关性，提升新技术插入速度，提升装备技术创新能力，避免供应商锁定。