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為什么連排級的無人機只能是電動的

 蕭然靜客 2022-03-25

無人機改變了戰(zhàn)場,,但無人機有各種各樣。有的無人機只是有人機的小型化,、無人化,,比如“死神”、“火力偵察兵”,,有的就是完全新質(zhì),、沒有有人機對應的多旋翼及其變異,如各種大疆和新流行的eVTOL,。

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MQ-9“死神”是小型化,、無人化的固定翼飛機

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MQ-8“火力偵察兵”就是小型化、無人化的直升機

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各種大疆是典型的多旋翼無人機,,在有人飛機里沒有對應

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Elroy Air這樣的eVTOL是固定翼和多旋翼的混合,,航程和載重比純多旋翼更大,但也更復雜

小型化,、無人化的有人機實際上還是較大,,在飛機特點和使用上和有人機沒有原則區(qū)別,一般也用渦槳,、渦軸,、內(nèi)燃機作為動力,載重,、航程都大,成本也高,。

真正得到大發(fā)展的是多旋翼無人機,,既可以是大疆這樣的純多旋翼,也可以是與固定翼混合的多旋翼,也稱eVTOL,。這是真正新質(zhì)的,,但也無一例外地為電動的。載重,、航程較小,,但成本低得多,使用更加便利,。

固定翼和直升機的特點很清楚了,。固定翼的起飛重量更大,速度更快,,航程更遠,,升限更高,油耗更低,,維修簡易,,但需要跑道才能起飛、著陸,。顯然,,連排級的野戰(zhàn)軍肯定伺候不了,不可能到處都找到跑道,。直升機正好相反,,哪里都能垂直起飛、著陸,,還能做懸停,、側(cè)飛、倒飛,、筋斗等特殊機動,,但這是復雜的槳轂為代價的??纯茨嵌蚜闼?,都是高磨損的活動部件,都需要高強度維修,,都對惡劣環(huán)境敏感,。連排級的野戰(zhàn)軍也伺候不了。

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這是槳葉系統(tǒng)的簡化示意圖

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黑鷹直升機的槳轂,,傾轉(zhuǎn)滑盤(上圖紅盤和藍盤)在下面,,看不見,那里還一堆啰嗦玩意,。尾槳那里簡單點,,不需要滑盤,但還是一堆啰嗦玩意

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相比之下,大疆這樣的多旋翼就簡單得“不講武德”了

直升機的旋翼不僅在轉(zhuǎn)動中通過與空氣的相對運動產(chǎn)生升力,,還要通過槳盤的水平或者傾斜實現(xiàn)懸停,、產(chǎn)生推力和實現(xiàn)各種特殊機動。為了補償旋翼的扭矩,,還需要尾槳提供反扭力,。使得槳盤可控傾斜是伊戈爾·西科斯基的劃時代發(fā)明,其中的關鍵是一對可傾轉(zhuǎn)的滑盤,。

滑盤分上下兩部分,,下滑盤是可在連桿控制下傾斜,但不轉(zhuǎn)動,;上滑盤隨槳葉轉(zhuǎn)動,,同時在貼面作用下“被迫”隨下滑盤傾斜,帶動連桿控制槳葉在旋轉(zhuǎn)中的上下?lián)]舞,,使得槳葉葉尖形成的軌跡(槳盤)傾斜,,形成推力、側(cè)力等,。

槳葉與槳轂需要通過揮舞鉸連接,,這是高載荷、高循環(huán)的活動部件,。槳葉也有總距鉸,,控制槳葉相對于旋轉(zhuǎn)方向的迎角,控制升力,。槳葉轉(zhuǎn)速的大小是改變升力的,,但發(fā)動機的轉(zhuǎn)速范圍有限,需要與迎角相結(jié)合,,才能達到升力控制的全范圍,,就像汽車發(fā)動機需要通過變速器才能控制全速度范圍一樣。這是又一個高載荷活動部件,。連桿與滑盤和槳葉的連接也需要通過鉸鏈,。這么多高載荷活動部件的磨損很大,維修工作量很大,。新型無鉸槳轂用彈性部件代替部分鉸鏈,,只是轉(zhuǎn)移了問題,把機械磨損變成材質(zhì)老化了,。

 直升機的麻煩還不止這些,。直升機需要反扭矩的尾槳,尾槳驅(qū)動不僅需要動力轉(zhuǎn)遞,,還需要與主旋翼同步,,所以長長的驅(qū)動軸不僅重量,、磨損是問題,還特別怕?lián)p壞,。大部分直升機失事都是因為尾槳故障后的失控。

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尾槳的動力從主旋翼減速器引出,,長軸需要在中間有支承軸承,,避免下垂和轉(zhuǎn)動時的抖晃,但增加磨損

 各種雙槳可以免去尾槳,,但卡莫夫那樣的共軸反轉(zhuǎn)雙槳需要軸套軸,,而且為了避免上下旋翼在揮舞中互相碰撞,需要增大間隔,,增加阻力,,增加結(jié)構(gòu)剛性的要求,更要命的是,,旋翼控制機構(gòu)更加復雜,。找任何一架卡莫夫來,看看槳轂,,不頭皮發(fā)麻算你贏,。

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卡莫夫的共軸反轉(zhuǎn)雙槳需要雙套槳轂機構(gòu),還有軸套軸的問題,,世界上只有一家玩這個,,不是沒有道理的

CH-47那樣的串列雙槳不僅有雙套滑盤、鉸鏈,、連桿的問題,,還需要把發(fā)動機的動力匯總后,用傳動-同步軸分配到前后旋翼,,而不是兩臺發(fā)動機分別驅(qū)動前后旋翼,。只有這樣,才能保證前后旋翼同步,。長長的大功率傳動-同步軸穿過整個機頂,,這是又一個維修人員問候設計、制造方先人的地方,。單旋翼-尾槳也有常常的傳動-同步軸,,但功率一大,幺蛾子就多啊,。

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CH-47用串列雙槳,,需要貫穿全長的大軸進行動力傳遞和同步,重量和磨損很厲害

MV-22那樣的傾轉(zhuǎn)旋翼并列雙槳看似簡單點,,但根本不簡單,,因為還是有直升機模式下的操控問題,。左右雙發(fā)之間還有復雜的交聯(lián)傳動-同步軸,不僅確保同步,,還在兩側(cè)發(fā)動機出力不均勻或者單發(fā)停車時能驅(qū)動兩側(cè)旋翼,,繼續(xù)飛行。否則并列雙槳一旦單發(fā)故障,,立刻失控墜毀,,連挽救的時間都沒有。發(fā)動機短艙傾轉(zhuǎn)的復雜性,、可靠性和直升機-飛機模式轉(zhuǎn)換的飛控問題就不多說了,。

簡言之,直升機機械上的那么多麻煩事是由于集中動力的關系,。不管是渦軸還是內(nèi)燃機,,發(fā)動機沉重,成本高,,機械同步困難,,只能集中動力,然后用各種辦法保證同步,。再白菜化,,直升機只能是魚子醬煮白菜,注定機械復雜,、使用麻煩,、購置和運作成本高。

在討論無人機問題的時候,,必須牢記成本和體系,。

中國是無人機大國,什么無人機都造得出來,,而且成本一定低于歐美國家,。但這還不夠,碾壓性優(yōu)勢還不夠,,要氣化級優(yōu)勢嘛,。

多旋翼沒有那么多事。對角上的旋翼自然抵消互相的扭力,,多旋翼的各種“抬壓”自然控制姿態(tài)和前飛,、側(cè)飛、倒飛,,翻筋斗更是不在話下,。

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多旋翼的旋翼總是成雙作對的,不僅兩兩抵消反扭力,,還便于控制姿態(tài)

在理論上,,多旋翼依然可能采用集中動力,,但各種同步軸將使得機械復雜性之高、重量之大,、可靠性之低達到不可思議的程度,,徹底抵消了任何好處。必須采用分布動力,。

電池動力的電動與多旋翼是天生的一對,。電動機的轉(zhuǎn)速范圍很大,特斯拉就不需要變速器,,一檔到底,這就省卻了總距鉸,。用旋翼之間相對升力控制姿態(tài),,這就省卻了揮舞鉸。

多旋翼的槳轂簡單得不能再簡單了,,簡單的驅(qū)動軸直接連到無鉸鏈,、固定槳距的旋翼,這是多旋翼低成本和實際上無維修的第一秘訣,。

電動機之間同步簡單多了,,用電氣和電子方法實現(xiàn),不需要任何機械同步,,這是多旋翼低成本和實際上無維修的第二秘訣,。

電池動力的問題是電池重量和容量。這是多旋翼較難做大的攔路虎,,但不是沒有辦法的,,油電或者渦電啊,功率更大,,續(xù)航時間更長,。

油電就是用內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機,油耗較低,;渦電則用渦軸驅(qū)動發(fā)電機,,功率更大。問題是交流發(fā)電容易,,但交流電動機要變速,,需要一套復雜的變頻系統(tǒng)。直流發(fā)電本身就較復雜,。全系統(tǒng)的重量,、復雜性急劇升高,完全抵消了無人機的簡單,、低成本,、無憂慮使用的優(yōu)點,。

渦電作為航空動力正在得到高度重視,但重量,、復雜性和成本使得這還在很長時間里不適合在低成本無人機使用,。還是只能電池動力。

電池動力的多旋翼成本低,,使用簡單,,已經(jīng)成為人們對無人機的認知。要在連排級部隊裝備大量無人機,,只能是這樣的無人機,,不可能是油機。

空軍,、海軍的無人機是完全不同的要求,,不去說它。陸軍的集團軍,、合成旅級也是不同的要求油機無人機或許更加合適,。連排以下的甚至到班和個人的,首先數(shù)量巨大,,而且是半可消耗的,,對成本必須敏感;其次小分隊里人手緊張,,沒法伺候,。必須是使用最簡單、攜帶最方便,、結(jié)構(gòu)最皮實,、無維修、性能夠用的,。還是只有電池動力的多旋翼,。

唯一例外可能是彩虹817這樣的微型無人機。這是很特別的設計,,以前專門寫過一段,,這里不重復了。這對班用甚至單兵使用很好,,但結(jié)構(gòu)上決定了只能是這樣的微型的,,能力有限,連排用有點不夠給力,。

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彩虹817是非常有潛力的微型無人機,,但在本質(zhì)上就做不大,班用很好,,連排級有點嫌小了

eVTOL是多旋翼和固定翼飛機的獨特組合,,因此動力系統(tǒng)也可以更加靈活,。多旋翼部份肯定是電動的,但固定翼狀態(tài)下的推進可以用普通的內(nèi)燃機或者渦槳驅(qū)動,,同時為電池充電,,用于短時間的垂直起飛和降落。

eVTOL對于合成旅偵察連這樣的“專業(yè)單位”很適合,。在平飛狀態(tài)下,,速度、航程比直升機或者多旋翼大得多,,但可以垂直起飛,、著陸,比固定翼無人機更容易運作,,機械和維修簡單,,不需要太多伺候,但對于營以下的分隊還是太大,、太費事了。

單兵巡飛彈在很多方面符合要求,,但只能一次性使用,,成本還是高。戰(zhàn)爭不是只要打贏就行,,還需要在對經(jīng)濟和社會負擔最小的情況下打贏,,這才是真贏。在不影響任務完成的情況下,,成本最低的手段才是最好的手段,。這也是飛機投炸彈不可能被導彈所取代的原因,無動力或者短程武器的成本大大低于遠程武器,。單兵到連排級也是一樣,。巡飛彈很有用,但不是無人機的替代,。

即用即扔實際上也是很大的后勤負擔,,在前方大體確認有敵情、只是需要查明,、攻擊時使用比較合適,。否則機步連沿道路搜索前進,以巡飛彈作為前方偵察,、搜索工具的話,,一天可能就要消耗十幾個、幾十個巡飛彈,?有的巡飛彈是可回收的,,沒有自爆就收回來,,充電后下次使用。這和可消耗無人機沒有兩樣了,。

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“折刀”是典型的單兵巡飛彈

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發(fā)射后自動打開,,就成了一架微型固定翼飛機

巡飛彈一般相當于微型固定翼飛機,可以盤旋,,但不能懸停和抵近觀察,。在特別狹小的街道上和建筑之間不便使用。一掠而過有時不能仔細觀察,,懸停和抵近觀察常常是不能取代的,。多旋翼、垂直起飛著陸的無人機還是必要的,。

充電是個問題,,但這不是無人機獨特的問題。士兵數(shù)字化后,,夜視儀,、單兵數(shù)據(jù)鏈、激光測距-照射儀,、敵我識別器(Blue Tracker)都需要充電,。新一代軍車大到步戰(zhàn),小到悍馬級,,發(fā)動機都額外強化,,具有更大的發(fā)電能力,車上座位都有充電口,。這是10年前的軍車都不具備的,,但也是現(xiàn)在新一代軍車必備的。

徒步步兵比較麻煩一點,,但他們的麻煩不只是充電了,。背上一大堆巡飛彈一樣不現(xiàn)實,還是需要某種隨行的戰(zhàn)術拖車或者什么東西來解決,。

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