从ARES无人运输原型机项目下马看DARPA技术创新趋势

袁成

中国航空工业发展研究中心，北京市 朝阳区 100028

美国国防部预研局是美国无人机系统开展技术创新的执行机构之一，其领导下的“可重构嵌入式航空系统”项目，旨在发展具备模块化运输和垂直起降能力的无人运输原型机，可根据不同任务，携带医疗救护、货物补给或情报、监视与侦察等任务模块中的任意一种进行垂直起降和快速飞行，以提供灵活、不受地形限制的运输能力，有效避免地面威胁，支持美军小型地面作战单元开展快速、高效和低成本作战。但是，随着成本的增加和战略的变换，其技术创新的重点逐步转移到人工智能相关的算法、软件领域以及大型航空平台类项目领域。

2019年5月，美国防部预研局(DARPA) 和洛克希德·马丁公司、皮亚斯基飞机公司表示，由于成本问题取消了其“可重构嵌入式航空系统”(ARES) 项目。该项目旨在发展具备模块化运输和垂直起降能力的无人运输原型机，可根据不同任务，携带医疗救护、货物补给或情报、监视与侦察(ISR)等任务模块中的任意一种进行垂直起降和快速飞行，以提供灵活、不受地形限制的运输能力，有效避免地面威胁，支持美军小型地面作战单元开展快速、高效和低成本作战。近年来，随着DARPA把关注重点逐步转移到人工智能相关的算法、软件领域，大型航空平台类项目，例如ARES和XV-24A等纷纷下马，该局航空技术的未来发展方向需密切观察。

ARES项目的背景和演变

美军需要增强向战场前线运输人员和物资的能力

美军根据在阿富汗的实战经验，认为其战场前沿哨所平均每周需要45t的人员和物资补给。地面轮式车辆不仅因山区地形复杂运输难度较大，还面临简易爆炸装置(俗称“路边炸弹”) 和敌方伏击的威胁。例如自2001年阿富汗战争爆发以来，简易爆炸装置已导致1300多名美军丧生；直升机虽可有效规避部分地面火力，但有些地处复杂地形的战场前哨并不具备降落条件，而且直升机有时也无法满足补给和伤员后送等多种任务所需。基于此，DARPA于2009年推出了ARES项目的前身——“变形者”项目。

“变形者”项目为美军发展“飞行悍马”

“变形者”项目旨在发展一种可在道路行驶并具备垂直起降飞行能力的有人驾驶车辆原型，即“飞行悍马”。该车辆可搭载4名全副武装的作战人员或454kg的物资行驶/飞行463km。作战人员驾驶该车辆，可因需起飞，避开路障、简易爆炸装置和敌方伏击，在实现运输的同时，提高作战部队的生存力和任务执行的灵活性。

2010年4月，DARPA发布的“变形者”项目信息征询书表示，其研发周期为5年，并分为3个阶段逐步实施：

第1阶段进行概念设计。2010年底，DARPA选择德事隆集团的AAI公司和洛克希德·马丁公司为2家主承包商；卡内基梅隆大学、火箭动力公司为关键赋能技术发展商。在该阶段，AAI公司和洛克希德·马丁公司的研制团队分别开展了项目的需求确定和概念定义工作。

第2阶段开展方案设计。2011年，AAI和洛克希德·马丁公司团队均入围第2阶段。AAI团队在该阶段提出的设计方案为：车重3.4t，车尾配装涵道风扇，车顶安装可折叠的机翼和旋翼。其中涵道风扇直径1.42m，飞行时提供水平推力；旋翼直径15.24m，飞行时与机翼共同提垂直升力。该车配装1台1200hp(882kW)的霍尼韦尔公司HTS900涡轴发动机，地面行驶时发动机发电以驱动电动车轮滚动，地面最高行驶速度30km/h；飞行时发动机为涵道风扇及旋翼提供动力，飞行速度范围93～287km/h，最大飞行高度3000m。

洛克希德·马丁公司团队的设计方案为：车重3.2t，车顶转塔左右两侧各安装1台倾转涵道风扇，涵道风扇的外部装有可折叠机翼。其中涵道风扇直径2.6m，飞行时提供垂直升力和水平推力；机翼翼展12.5m，飞行时提供升力。该车计划配装2台涡轴发动机，最高飞行速度240km/h。

洛克希德·马丁公司“变形者”项目方案

第3阶段进行详细设计、制造及演示验证。2012年下半年，洛克希德·马丁公司团队赢得第3阶段合同，开始详细设计。但是在2013年下半年，DARPA在对“变形者”项目进行关键设计评审时，军队表示目前其倾向于使用小型、分散式的作战单元开展地面战，因此优先需要相应的运输和补给能力，而对有人驾驶的飞行车辆概念并不感兴趣。为了回应美军需求，DARPA迅速修改了“变形者”项目的目标，并重新命名为ARES项目。该项目放弃了地面行驶能力，聚焦于模块化垂直起降无人运输技术解决方案，通过运载不同类型、即插即用的任务模块，实现多种运输功能。洛克希德·马丁公司和皮亚斯基公司联合团队获得了7700万美元的合同。

ARES项目的特点和进展

ARES项目继承了“变形者”项目的研究成果并使用大量货架产品

鉴于“变形者”项目已发展到第3阶段，ARES项目没有必要一切重新开始。故洛克希德·马丁公司在前者研究成果的基础上着手ARES原型机的详细设计，并使用大量货架产品以降低成本和风险，加快研发速度。ARES原型机的构型为：在近似于扁长方体的机身内安装功率900hp(661.5kW) 级别的现役涡轴发动机、燃油系统、数字式飞控系统以及远程指挥和控制接口。在机身下方装有滑撬式起落架和适配板，以吊装宽2.6m的不同任务模块。机身左右两侧各安装一台直径仍为2.6m的涵道，其中的可变距风扇直径2.3m。每个涵道的外壁与可折叠的外侧机翼相连，外侧机翼折叠时原型机宽9.1m，外侧机翼展开后宽13m。该原型机重1.8t，可吊挂1.4t的任务模块(相比于“变形者”项目要求的454kg有了大幅提升) ，总重仍保持为3.2t，飞行高度4572～6096m，最佳飞行速度240～280km/h，而最大速度进一步拓展到370km/h。

ARES原型机飞行时，涡轴发动机通过减速器和传动轴驱动涵道风扇枢轴上的直角齿轮箱(源于CH-53直升机的尾翼传动系统) ，进而带动风扇旋转，产生作用力。涵道由2个作动器(源于F-16战斗机平尾作动器) 驱动，绕枢轴旋转，使原型机实现垂直起降和平飞状态的顺利转换。另外，ARES的飞控系统吸取了洛克希德·马丁公司在F-35战斗机数字式电传垂直起降控制系统以及在海军陆战队“自主空中货运通用系统”(AACUS) 项目中积累的技术经验。ARES原型机最初设计为遥控驾驶，随着不断发展还会具有半自主飞行能力，而且还计划采用双余度作动器和3台飞控计算机，以达到运输人员的安全等级。

首飞等待数年，最终遗憾下马

ARES项目启动后，洛克希德·马丁公司很快完成了方案设计，并在2013年秋和2014年夏使用三分之一缩比的ARES有动力模型在风洞内进行试验，在全推力范围和全涵道风扇倾转角度的条件下测量了气动和推进效率，为全尺寸原型机确定了飞行控制率。风洞试验完成后，洛克希德·马丁公司开始制造全尺寸的ARES原型机。

按照DARPA规划，ARES原型机会在2016年1月在新墨西哥州尤马市进行地面试验，测量推力、控制响应、受控环境中飞行软硬件的失效模式和应急程序。2016年2月至4月，ARES原型机会开展一系列飞行试验，测试垂直起降、悬停以及悬停与前飞状态的平滑转换等功能，并检验是否达到了预期的飞行性能。如果达到，将会进行携带各类任务模块的测试。

然而，2016年各方并没有公布ARES原型机首飞的消息。之后两年只有在关于其他事件的报道中才能获得项目零碎的信息，才能知道项目仍在研发过程中，并未首飞。

2017年1月，在美国“360电子网站”的一篇名为《DARPA 2017年工作展望》的动态中，提到ARES原型机将在2017年9月首飞，而且军方将在飞行试验开始后对其进行评估，但9月并没有原型机首飞的报道。

2017年5月，美国海军陆战队的“海军陆战队空地特遣部队无人机系统远征装备”(MUX) 大型无人垂直起降飞行器项目新增了2家竞标方，其中之一就是皮亚斯基飞机公司，该公司的MUX方案生自ARES项目。

2018年6月，洛克希德·马丁公司臭鼬工厂负责商业战略和发展的主任克雷格·约翰逊在某次会议上展示了一张该机构科研活动的简明图表，ARES原型机出现在了图片中。约翰逊表示洛克希德·马丁公司打算6月底在亚利桑那的试验场进行ARES的飞行试验。这表明，ARES原型机的计划首飞时间相比最初规划已推迟2年多，但从约翰逊的表态中可看出，当时洛克希德·马丁公司仍在紧锣密鼓地推进ARES项目研发，并对首飞仍持有信心。

然而在2019年5月，ARES项目最终还是因为成本和进度问题下马。另外，报道中也提及了该项目曾得到美海军陆战队的资助。这说明ARES项目已经提前启动了技术转化工作，军种对其也十分感兴趣，因此下马的根本原因可能是研究团队对某些技术的研发难度预估不足。

关于项目取消，DARPA的相关人员表示：“在对ARES原型机进行了大量的部件、系统集成和地面试验之后，由于成本严重增长和进度延期，DARPA和美海军陆战队决定不再为该项目提供资金。ARES项目是一个研究性的项目，揭露了未来垂直起降并转换至固定翼飞行的技术风险。通过研究管理复杂构型的飞控软件和独一无二的涵道风扇推进系统，将为美国防部未来的项目研发奠定基础。”

几点看法

ARES项目取消再次体现出DARPA敢于创新、容许失败的特点

尽管该项目已下马，但如DARPA所说，所发展的复杂构型飞控软件技术和新颖涵道风扇推进系统可移植到其他工作中。一般来说，探索性科研项目没有失败一说，只有在曲折的探索中不断深化认知、积累“跬步”，最终才能实现千里飞跃。自下而上、以大量的科技探索和研发为基础，引导未来军事需求，提供新的解决方案，是美军作战能力发展演进的一个重要方式。在美军由聚焦反恐战向聚焦大国战争转型的过程中，其高官也曾多次提出：要恢复以往敢于承担风险、容许失败、快速迭代科技进步的创新文化。从近年来美军科技项目看，在重视可能生成战斗力导向的同时，也在不断加大对密集异类场景、各种技术边界的持续和拓展探索，追寻把科技应用场景做得细致，把科技边界摸得透彻，未见企图“毕其功于一役”的跃进式安排，以便形成能适应各种实际应用环境并最大化发挥效能的战斗力。

ARES原型机示意图(左上为用模块化吊舱运货，右上为ISR，左下为伤员运输，右下为直接吊运货物)

DARPA将重点转向软件算法，航空技术发展出现变化

2015年前后，DARPA仍有若干大型航空平台类项目。这些项目因要开展原型机的制造和演示验证，经费一般会突破1亿美元。但是近些年，随着XV-24A“垂直起降试验飞机”(VTOL X-Plane) 和ARES项目的下马，“战术侦察节点”(TERN) 项目的音信全无，该局大型平台类项目的数量持续萎缩。DARPA曾表示，因取消大型平台类项目而节省下来的经费将用来支持人工智能技术的发展，这也体现了该局发展方向的重大调整，即从发展硬件平台转到研究软件算法。可以预计，DARPA未来在仍然保留部分航空平台类项目的基础上，将更加注重人工智能技术和航空应用的结合，通过空战决策、蜂群算法、人机协同、体系架构等技术的研究，持续提升美军未来的空中作战能力。

运输类无人机已成为无人机领域的重点发展方向之一

目前美国海军陆战队对支持远征作战的垂直起降飞机十分感兴趣，而且特别关注垂直起降无人机，因为其认为货运车队难以抵抗敌人的预设伏击。因此，美军在作战需求的牵引下，运输类无人机已成为无人机领域的研发重点。例如，在ARES项目取消的同时，美海军陆战队正在推动其他若干无人货运飞机项目，例如和美陆军共同实施的“联合战术自主空中再补给系统”(JTAARS) 项目、重新启动的两架无人K-MAX无人机试验项目。该军种还希望借助美陆军“未来远程突击飞机机”(FLRAA) 项目购买全新的通用旋翼机。另外，在2018年8月，美国陆军发布中型运输无人机原型机征询书，寻求运输弹药、水及食物的电或燃油动力无人原型机。而DARPA的“革命性创新空运”项目正在发展LG-2K货运滑翔原型机，并在去年年底开展了飞行验证。 ■