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“飞”上航母的“黄貂鱼”——美国海军MQ-25舰载无人加油机

MQ-25A“黄貂鱼”是一种由美国波音公司生产的无人驾驶飞行器,也是世界上第一款能够在航母上弹射起飞/阻拦降落的航母舰载无人机。

“黄貂鱼”的主要任务是自主空中加油,以支持航母飞行联队下属的各种固定翼飞机。次要任务是通过光电和红外传感器执行情报、监视和侦察任务。采集到的数据将以适当的加密等级传输到其他飞机、海军舰艇、地面部队以及海上和岸上应用节点,特别是美国海军的分布式通用地面系统。

“黄貂鱼”服役后将把F/A-18“超级大黄蜂”从伙伴加油任务中解放出来,使它们可以将机体使用寿命用于舰队防御和打击任务中。

MQ-25无人机承担空中加油任务之前,是由F/A-18E/F'超级大黄蜂”同类机执行该辅助任务

作为一种现代化平台,MQ-25还将进行有人和无人驾驶飞行器协同作战方面的尝试,试验海基无人机C4I技术,并为未来多用途、多任务无人驾驶飞行器开辟道路,以跟上新出现的威胁。

当然,该无人机的隐身功能使得它能够在离敌方更近、离己方更远的地方为航母飞行联队进行空中加油。这一点对于需要在敌方反介入/区域拒止环境中作战的F-35C“闪电2”隐身战斗机尤为重要。

尽管MQ-25的设计是隐身的,但美国海军对其并没有低可视度涂装的要求。他们要求波音公司尽量使用成熟技术在最短的时间内实现项目目标。研制的需求制订时,美国海军仅计划在低强度作战环境中使用MQ-25,同时进一步探索有无人飞行器协同作战的概念。有无人编队作战是该计划的一个亮点。

MO-25“黄貂鱼”舰载无人机T1验证机起飞进行性能测试

有鉴于舰载空中加油和持续情、监、侦能力的重要性,该机研发之初美军联合需求监督委员会提出了一个多功能平台的要求指南。该平台将被用干执行美国海军的众多基本任务,以支持航母打击群。2017年7月21日,联合需求监督委员会通过了MQ-25舰载空中加油系统的能力开发文件。文件要求MQ-25系统的设计可以满足从航空母舰和岸上基地起飞执行任务。系统由两个主要部分组成。

其中航空部分包括MQ-25A飞行器和相关的支持和处理设备,如飞行甲板处理系统、备件和维修材料。控制系统和连接部分包括无人舰载航空任务控制系统及其相关的通信设备;海军分布式通用地面站(美国海军主要的情、监、侦和目标瞄准系统)的任务支持功能等。作为主要的系统集成商,美国海军航空系统司令部的舰载无人航空项目办公室(PMA-268))负责管理这两部分的开发工作。

MQ-25A具有有利于持久稳定飞行的大翼展平直主翼,用于飞行安全的冗余系统,提供全向覆盖的ALR一69A(V)全数字雷达警告接收器,配备了红外和CCD图像传感器、激光测距仪、激光照射器的AAS-52MTS-A多传感器成像系统,以及AE3007N涡扇发动机。相对低的空重和罗-罗公司AE3007N发动机的燃油效率保证了MQ-25可以很好地满足美军舰队当前的作战需求。

AAS-52 MTS-A多传感器成像系统(上)和ALR-69A(V)全数字雷达警告接收器(下)

AE3007N涡扇发动机

MQ-25A装备了适合弹射起飞的起落架,用于阻拦降落的着陆尾钩。为了最大限度地减少它在飞行甲板和机库中占用的空间,其机翼也被设计成可折叠的。同时,波音在设计伊始就考虑了易于维护特征以及与尼米兹级和福特级航母目前使用系统集成的甲板控制系统。

第一阶段测试

波音公司的高级原型制造部门鬼怪工厂于2012年开始制造T1飞行器(一号样机)。该设计采用翼身融合双尾翼的气动布局,具有一对可折叠、大展弦比的平直主翼和一对V型尾翼。该气动外形特别是细长主翼是为了满足美国海军无人加油机计划对于长航时的任务要求。

波音公司在其工厂向媒体记者首次公开展示MQ-25“黄貂鱼”舰载无人机

“鬼怪工厂”在2014年完成了初始设计,将其作为波音公司项目设计方案的一部分。另外T1具有与生产型MQ-25相同的气动外形和发动机。其测试计划的目标是评估空中加油的系统成熟度,包括任务伴随加油和返程补油。

几乎是在合同签订后的第一时间,波音公司就在其位于密苏里州圣路易斯的工厂开始了T1的初始地面测试,包括通信、牵引系统集成和滑跑测试。2019年4月,波音将T1运到了伊利诺伊州的中美洲圣路易斯机场,开始了第一阶段飞行测试,并在2019年9月19日完成了首飞。机库、跑道、滑行道和空域的可用性是波音公司选择中美洲机场(斯科特空军基地的民用区域)的主要原因。

2019年9月19日首飞之后,美国海军航空系统司令部和波音公司联合测试团队通过飞行收集了大量数据,也发现了几个有关飞行器设计的问题。在经过一段时间修改后,该团队在2020年8月初恢复了试飞。新的试飞在T1的飞行包线内进行了更多的测试。

由于T1具有与生产型MQ-25A相同的气动外型和发动机,它增加了测试团队对飞行器功能和性能的理解。例如,MQ-25A创新的机身顶部进气道的飞行特性就需要通过试飞进行掌握。由于T1验证机是一架纯手工制造的原型机,这也导致飞控软件的测试难于在该机上推进。某些机身内部线缆走线方式也不会出现在之后的飞机上。

MQ-25“黄貂鱼”舰载无人机T1验证机

至2020年8月31日,该机已进行了32次飞行,累计飞行时间超过100小时。在此期间,团队着重评估飞行器的空气动力学性能、最大飞行高度和速度,以及发动机性能。

之后,T1验证机进行了改造,在左翼下方安装由科布海姆公司制造的31-301型伙伴加油吊舱。之所以需要修改,是因为按照先前需求设计的T1并没有可以用来携带加油吊舱的挂架。2020年12月,波音公司开始对综合空中加油吊舱进行飞行测试。

T1随后还进行了飞行包线扩展和发动机测试。随后,它接受了第二次修改,以使飞行器能够集成甲板操作控制设备的硬件和软件。2021年底,T1被吊车吊上“布什”号航母,出海进行了为期两周的航母甲板操作测试。

2021年11月30日,MQ-25A被装载到乔治·H·W·布什号航空母舰(CVN-77)上。

图示:2021年12月,美国海军在“乔治·H·W·布什”号航空母舰上完成了MQ-25无人加油机原型机的无人驾驶航母航空演示(UCAD),为未来的航母无人系统作战奠定了基础。

风险降低演示机和后续测试阶段

在第一架工程演示(以下简称EMD)阶段样机下线前就使用T1进行测试,有助于更早的积累经验和发现问题。这些问题可以在在EMD飞行器的开发过程中加以纠正。例如,对于已经确定的大气数据探测系统容易结冰问题。

所有工程演示(EMD)飞行器的初始测试都将在波音公司位于中美洲圣路易斯的机场由海军-波音联合测试团队进行。然后,这些飞机将会被交付给驻马里兰州帕图森河海军航空站的第23“咸狗”航空测试和评估中队。

图示:在运行时,指挥员和甲板操作员将能够将航母飞行甲板上的MQ-25滑行到弹射器发射位置,并在着陆后滑行到停机位置。MQ-25将在无人航空作战中心(UAWC)空中飞行时受到控制,在那里,飞行器操作员执行预先计划的任务。

MQ-25A的部分弹射起飞和阻拦降落设备的测试将在新泽西州莱克赫斯特海军航空工程站进行,环境测试则在佛罗里达州埃格林空军基地的麦金利气候实验室进行。第一架EMD飞机将在帕图森河海军航空站进行初始飞行包线扩展测试,然后进行弹射发射和阻拦着陆试验。

2021年11月30日,乔治·H·W·布什号航空母舰(CVN-77)机库内的MQ-25A T-1原型。

目前帕图森河海军航空站正在为开展MQ-25A做着紧锣密鼓的准备工作:一个机库正在建设中,一个实验室设施最近完工,同时正在采购测试支持设备和招聘相关人员。第一和第二架EMD无人机将安装比T1更多的仪器,专门用于飞行科学测试。第三和第四架EMD飞机将专门用于任务系统和空中加油有效性的测试。

图示:MQ-25无人加油机是美国海军未来作战体系中重要的一环,将能够在926 千米(原文500海里)的范围内为其他飞机提供6.35吨(原文1.4万磅)至7.26吨(原文1.6万磅)的燃料。

MQ-25的总重量对于航空母舰适用性来说是一个非常重要的设计参数。为了能够适应美军现役航母弹射器与阻拦索的性能,MQ-25的最大起飞重量必须满足能在远离航母500海里的地方携带至少6350千克加油油量的要求。相比之下,进行伙伴加油的“超级大黄蜂”在一个续航两小时的飞行中可以提供5543千克的加油量。

MQ-25还将负责返程应急加油任务。在这种场景下,一架MQ-25加油机在航母回收其它飞机时被派到附近空域待命。这对于在夜间、恶劣天气条件下或战斗后回收飞机异常关键,它相当于是耽搁返航飞行员的“救命油”。

后续项目进度

为了更快地装备MQ-25A,美国海军制定了一个非常激进的六年开发时间表。而为了实现这个时间表,美国国防部要求舰载无人航空项目办公室不断优化项目进度。这使得MQ-25项目的研制节点(美军当前称其为“里程碑”)名称和要求都不同于传统。

2020年3月的MQ-25系统设计的时间表完成了审查。系统设计审查类似于美国国防部其他项目中的关键设计审查。该审查过后,EMD飞机的生产于2020年10月开始。项目办公室希望能在2023财年让该项目抵达里程碑C(基本设计完成,进入低速生产),采购12架MQ-25A。

在初始作战测试评估完成后,这一项目将进入采购57架飞机的全速生产阶段。美国海军计划采购总共76架MQ-25A,包括现有EMD合同所包含的7架飞机。之后“黄貂鱼”将在2025年2月实现初始作战能力。

2021年10月,美国海军已经在穆古角海军基地组建了MQ-25A的机型转换训练中队——第10无人舰载多任务中队。他们还计划再创建两个作战中队,即第11和12无人舰载多任务中队。所有三个中队都隶属于司令部位于穆古角的美国海军空中指挥和控制后勤联队。

洛-马公司正在研制为MQ-25无人机配套的MD-5地面控制站

第11和12无人舰载多任务中队的MQ-25A无人机会以E-2D舰载预警机中队分队的形式,被分别派驻东西两岸的美国航母作战群。每个分队将装备5-8架MQ-25A加油机。之所以MQ-25A会被放在E-2D中队的一个主要原因是美国海军希望扩大MQ-25A的任务范围,承担部分情/侦/监作战。

生产遇到问题

在波音圣路易斯工厂的MQ-25生产线上,当前还看不到一架完全组装好的MQ-25工程制造开发飞机,只有两架静态测试机的外壳骨架和第一架EMD飞机的组件。静态测试机将在2022年夏季下线。根据现有的合同,波音公司将建造两架静态测试机,四架EMD飞机和三架系统演示测试机。

图示:美国众议员塔米·达克沃斯(前排中)参观波音工厂的MQ-25舰载无人机,她发布在社交媒体的照片被美国网友批评给俄罗斯情报分析人员提供资料。

波音在T-7A教练机项目中实施的全尺寸预设定装配过程,也被也用到了MQ-25A的生产中。这种方式类似于建筑预制件订购。分包商会对他们生产的零件进行钻孔并将它们运送到波音工厂进行组装。

由于飞机采用了顶部进气口和纵贯全机身的边条翼这一全新设计,波音公司在开始制造EMD机时,发现提供机身结构完整性的重要金属结构组件机身龙骨的尺寸频现质量问题,这影响了工程样机的组装。

MQ-25无人机细节图,可以看到环绕整个机身的边条翼设计。

新控制站

在MQ-25“黄貂鱼”上舰服役后,它将由无人航母航空任务控制系统控制。这个系统并不是MD-5地面控制站,而是一个全新的指控系统。

根据时任美国海军研发和采购部助理部长詹姆士·格特的命令,MQ-25的控制站已经从海军自主研发转向交予民间单位研发。这样做的原因当前众说纷纭,一个可能的原因是海军装备部门无法及时完成该系统的多级加密以及与“联合全域指挥控制系统”的集成。2021年4月,洛克希德-马丁公司获得了生产新型MD-5地面控制站的合同。

美国海军最初自行开发和制造了MD-5的A/B(远洋/岸上)版本。但它们的加密等级无法支持联合全域指挥控制系统的开放系统架构。后者是与美军各军种协同作战,特别是和空军合作的关键。另外,美国海军也需要一种能够临时部署上舰的版本。

因此,新地面控制站要求有三个版本,分别为C(永久安装在航空母舰上的版本)、D(用于岸基操作的版本)和E(即可在陆上,又可在航母上操作的移动版本)。其中,E版本可以帮助MQ-25测试项目实现更大的灵活性,因为它可以使用任何配备了“联合精确进近和着陆系统”的航母。这使测试平台可以从一、两艘特定航母拓展到多艘航母。

实现空中加油

2021年6月4日,美国海军航空系统司令部和波音公司使用T1原型机和一架隶属于第23航空测试和评估中队的F/A-18F“超级大黄蜂”战斗机,实现了首次使用无人驾驶加油机自主对有人驾驶飞机进行空中加油。

在这次从中美洲圣路易斯机场起飞的试飞中,T1成功地从左翼下方的伙伴加油吊舱中伸出加油软管和锥套,将150升燃油安全地传送给“超级大黄蜂”。

在飞行的最初阶段,F/A-18F试飞员在T-1后面飞行,这一机动要求F/A-18F的受油探头和T-1间保持6米左右的距离。两架飞机都以作战速度和高度飞行。之后T-1验证机伸出加油锥套,F/A-18飞行员将受油探头插入其中。

这次成功的试验发生在T-1的第25次试飞后。此前,波音已经用MQ-25数字模型模拟了空中加油的全过程,并用T1携带空中加油吊舱进行了降低风险的飞行测试。

完成这次试验的“超级大黄蜂”飞行员皮博迪回忆了释放加油软管的一些细节:“团队研究了加油系统的空气动力学细节,特别是为了确保锥套、篮筐和飞行器在收放软管期间不会相互碰撞,左侧稳定器被去除了。我们必须观察锥套在竖直和水平方向上的稳定性,以及篮筐的稳定性。”

“超级大黄蜂”的后座武器管制官巴布卡也解释了这个过程:“我们从后面加入编队,和T1保持相同航向,利用速度优势缩短距离。在试飞过程中,我们和T1进行了四次接合。首先是一次直线接合,然后是一个转弯接合。在第三次结合中,我们真正接收了燃油。”接着两架飞机再次分离,改变了飞行高度和速度,完成了第四次也是最后一次接合。

在谈到尾流和受油机位置感觉时,皮博迪说:“这款无人机的尾流温和,因此加油锥管很稳定。和F/A-18加油机相比一个明显的改进是加油机发动机噪声。由于加油吊舱悬挂位置从F/A-18的机腹位置移到了左翼,加油机发动机噪音明显降低。总体而言,T1提供了一个平稳、柔和的加油体验,根本感觉不到我们在飞机后面飞行。即使我们在一些测试点中,让飞机的机头紧靠着T1身后,也听不到它的发动机排气声。”

75天后,测试小组完成了第二次空中加油。这次是用T1为第20航空测试和评估中队的一架E-2D“先进鹰眼”进行加油。两架飞机也都是从圣路易斯机场起飞。第20航空测试和评估中队飞行员首先在T1的后方成功进行了尾流数据搜集和检测,以确保飞机的性能和稳定性。然后,他们接入T1的空中加油锥套,从空中加油吊舱接收了大约150升燃料。之后,T1还完成了对F-35C“闪电2”战斗机的空中加油试验。

首次上舰

2021年11月30日,美国海军将T1原型机吊上了“布什”号航母。从12月3日开始,该机在“布什”号航母上进行了为期两周多的“无人驾驶飞机航母演示”。在试验中,洛马公司在航母控制室的无人航母航空作战中心里安装了MD-5C地面控制站的原型,演示了其和T1飞行器的集成。

MQ-25A无人机T-1原型机被部署到“布什”号航母上

随后,T1验证机评估了航母飞行甲板处理系统在白天和黑夜操作MQ-25的能力,包括在飞行甲板上滑行和停机,和弹射器的连接,以及驶离着陆区域。团队重点观察了飞行甲板上的其他飞机活动以及不同风向和风力对于飞机控制系统和动力系统的影响。测试期间,MQ-25“甲板操作员”全程使用了波音公司新开发的甲板控制设备。他们和飞行甲板滑行调度员(黄衫)一起工作,将后者的指令输入到甲板控制设备中,对T1验证机进行控制。另外,团队还使用了一架模拟飞机,检验了飞机系统和“联合精确进近和着陆系统”的协作。

甲板上的新职务

为了迎接MQ-25A上舰服役,美国海军特地创建了一个新的职务——(无人)飞行器操作员。这是一名准尉级别的士官,将在任务的所有阶段(从弹射起飞到阻拦着陆)使用位于航母无人航母航空作战中心内的MD-5控制站。

飞行器操作员更多会通过鼠标和键盘,指示飞行器需要去哪里以及需要做什么,而由飞行器自己决定如何以最安全和最有效的方式执行。但系统依然保留了飞行器操作员对飞行器的主动控制能力,包括改变其飞行速度、方向和高度,以及在飞行中持续监控的能力。

飞行控制软件也加入了对意外事件的自主处理能力,例如对在恶劣天气情况下、飞机机动和加油过程中可能出现的各种意外根据预编的程序进行自动处置。

如前所述,飞行器操作员对于MQ-25A的控制从起飞开始到着陆结束。起飞前,甲板操作员使用甲板控制装置控制“黄貂鱼”在飞行甲板上滑行到起飞位置。一旦飞行器挂上弹射器后,甲板操作员将在某个时候向飞行器操作员移交对飞机的控制。着陆后,甲板操作员将接管飞行器,控制其滑行到停机位。

全新设立的甲板操作员使用佩戴在腰部与腕部的控制装置,遥控'黄貂鱼”在航母甲板上的滑行。

在空中加油期间,飞行器操作员也可以和受油机飞行员进行通信。美国海军目前正在开发空中加油的操作手册。据悉手册将基本遵循“超级大黄蜂”目前使用的相同程序。

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