從ARES無人運輸原型機項目下馬看DARPA技術創新趨勢

袁成

中國航空工業發展研究中心，北京市 朝陽區 100028

美國國防部預研局是美國無人機系統開展技術創新的執行機構之一，其領導下的“可重構嵌入式航空系統”項目，旨在發展具備模塊化運輸和垂直起降能力的無人運輸原型機，可根據不同任務，攜帶醫療救護、貨物補給或情報、監視與偵察等任務模塊中的任意一種進行垂直起降和快速飛行，以提供靈活、不受地形限制的運輸能力，有效避免地面威脅，支持美軍小型地面作戰單元開展快速、高效和低成本作戰。但是，隨著成本的增加和戰略的變換，其技術創新的重點逐步轉移到人工智能相關的算法、軟件領域以及大型航空平臺類項目領域。

2019年5月，美國防部預研局(DARPA) 和洛克希德·馬丁公司、皮亞斯基飛機公司表示，由于成本問題取消了其“可重構嵌入式航空系統”(ARES) 項目。該項目旨在發展具備模塊化運輸和垂直起降能力的無人運輸原型機，可根據不同任務，攜帶醫療救護、貨物補給或情報、監視與偵察(ISR)等任務模塊中的任意一種進行垂直起降和快速飛行，以提供靈活、不受地形限制的運輸能力，有效避免地面威脅，支持美軍小型地面作戰單元開展快速、高效和低成本作戰。近年來，隨著DARPA把關注重點逐步轉移到人工智能相關的算法、軟件領域，大型航空平臺類項目，例如ARES和XV-24A等紛紛下馬，該局航空技術的未來發展方向需密切觀察。

ARES項目的背景和演變

美軍需要增強向戰場前線運輸人員和物資的能力

美軍根據在阿富汗的實戰經驗，認為其戰場前沿哨所平均每周需要45t的人員和物資補給。地面輪式車輛不僅因山區地形復雜運輸難度較大，還面臨簡易爆炸裝置(俗稱“路邊炸彈”) 和敵方伏擊的威脅。例如自2001年阿富汗戰爭爆發以來，簡易爆炸裝置已導致1300多名美軍喪生；直升機雖可有效規避部分地面火力，但有些地處復雜地形的戰場前哨并不具備降落條件，而且直升機有時也無法滿足補給和傷員后送等多種任務所需。基于此，DARPA于2009年推出了ARES項目的前身——“變形者”項目。

“變形者”項目為美軍發展“飛行悍馬”

“變形者”項目旨在發展一種可在道路行駛并具備垂直起降飛行能力的有人駕駛車輛原型，即“飛行悍馬”。該車輛可搭載4名全副武裝的作戰人員或454kg的物資行駛/飛行463km。作戰人員駕駛該車輛，可因需起飛，避開路障、簡易爆炸裝置和敵方伏擊，在實現運輸的同時，提高作戰部隊的生存力和任務執行的靈活性。

2010年4月，DARPA發布的“變形者”項目信息征詢書表示，其研發周期為5年，并分為3個階段逐步實施：

第1階段進行概念設計。2010年底，DARPA選擇德事隆集團的AAI公司和洛克希德·馬丁公司為2家主承包商；卡內基梅隆大學、火箭動力公司為關鍵賦能技術發展商。在該階段，AAI公司和洛克希德·馬丁公司的研制團隊分別開展了項目的需求確定和概念定義工作。

第2階段開展方案設計。2011年，AAI和洛克希德·馬丁公司團隊均入圍第2階段。AAI團隊在該階段提出的設計方案為：車重3.4t，車尾配裝涵道風扇，車頂安裝可折疊的機翼和旋翼。其中涵道風扇直徑1.42m，飛行時提供水平推力；旋翼直徑15.24m，飛行時與機翼共同提垂直升力。該車配裝1臺1200hp(882kW)的霍尼韋爾公司HTS900渦軸發動機，地面行駛時發動機發電以驅動電動車輪滾動，地面最高行駛速度30km/h；飛行時發動機為涵道風扇及旋翼提供動力，飛行速度范圍93～287km/h，最大飛行高度3000m。

洛克希德·馬丁公司團隊的設計方案為：車重3.2t，車頂轉塔左右兩側各安裝1臺傾轉涵道風扇，涵道風扇的外部裝有可折疊機翼。其中涵道風扇直徑2.6m，飛行時提供垂直升力和水平推力；機翼翼展12.5m，飛行時提供升力。該車計劃配裝2臺渦軸發動機，最高飛行速度240km/h。

洛克希德·馬丁公司“變形者”項目方案

第3階段進行詳細設計、制造及演示驗證。2012年下半年，洛克希德·馬丁公司團隊贏得第3階段合同，開始詳細設計。但是在2013年下半年，DARPA在對“變形者”項目進行關鍵設計評審時，軍隊表示目前其傾向于使用小型、分散式的作戰單元開展地面戰，因此優先需要相應的運輸和補給能力，而對有人駕駛的飛行車輛概念并不感興趣。為了回應美軍需求，DARPA迅速修改了“變形者”項目的目標，并重新命名為ARES項目。該項目放棄了地面行駛能力，聚焦于模塊化垂直起降無人運輸技術解決方案，通過運載不同類型、即插即用的任務模塊，實現多種運輸功能。洛克希德·馬丁公司和皮亞斯基公司聯合團隊獲得了7700萬美元的合同。

ARES項目的特點和進展

ARES項目繼承了“變形者”項目的研究成果并使用大量貨架產品

鑒于“變形者”項目已發展到第3階段，ARES項目沒有必要一切重新開始。故洛克希德·馬丁公司在前者研究成果的基礎上著手ARES原型機的詳細設計，并使用大量貨架產品以降低成本和風險，加快研發速度。ARES原型機的構型為：在近似于扁長方體的機身內安裝功率900hp(661.5kW) 級別的現役渦軸發動機、燃油系統、數字式飛控系統以及遠程指揮和控制接口。在機身下方裝有滑撬式起落架和適配板，以吊裝寬2.6m的不同任務模塊。機身左右兩側各安裝一臺直徑仍為2.6m的涵道，其中的可變距風扇直徑2.3m。每個涵道的外壁與可折疊的外側機翼相連，外側機翼折疊時原型機寬9.1m，外側機翼展開后寬13m。該原型機重1.8t，可吊掛1.4t的任務模塊(相比于“變形者”項目要求的454kg有了大幅提升) ，總重仍保持為3.2t，飛行高度4572～6096m，最佳飛行速度240～280km/h，而最大速度進一步拓展到370km/h。

ARES原型機飛行時，渦軸發動機通過減速器和傳動軸驅動涵道風扇樞軸上的直角齒輪箱(源于CH-53直升機的尾翼傳動系統) ，進而帶動風扇旋轉，產生作用力。涵道由2個作動器(源于F-16戰斗機平尾作動器) 驅動，繞樞軸旋轉，使原型機實現垂直起降和平飛狀態的順利轉換。另外，ARES的飛控系統吸取了洛克希德·馬丁公司在F-35戰斗機數字式電傳垂直起降控制系統以及在海軍陸戰隊“自主空中貨運通用系統”(AACUS) 項目中積累的技術經驗。ARES原型機最初設計為遙控駕駛，隨著不斷發展還會具有半自主飛行能力，而且還計劃采用雙余度作動器和3臺飛控計算機，以達到運輸人員的安全等級。

首飛等待數年，最終遺憾下馬

ARES項目啟動后，洛克希德·馬丁公司很快完成了方案設計，并在2013年秋和2014年夏使用三分之一縮比的ARES有動力模型在風洞內進行試驗，在全推力范圍和全涵道風扇傾轉角度的條件下測量了氣動和推進效率，為全尺寸原型機確定了飛行控制率。風洞試驗完成后，洛克希德·馬丁公司開始制造全尺寸的ARES原型機。

按照DARPA規劃，ARES原型機會在2016年1月在新墨西哥州尤馬市進行地面試驗，測量推力、控制響應、受控環境中飛行軟硬件的失效模式和應急程序。2016年2月至4月，ARES原型機會開展一系列飛行試驗，測試垂直起降、懸停以及懸停與前飛狀態的平滑轉換等功能，并檢驗是否達到了預期的飛行性能。如果達到，將會進行攜帶各類任務模塊的測試。

然而，2016年各方并沒有公布ARES原型機首飛的消息。之后兩年只有在關于其他事件的報道中才能獲得項目零碎的信息，才能知道項目仍在研發過程中，并未首飛。

2017年1月，在美國“360電子網站”的一篇名為《DARPA 2017年工作展望》的動態中，提到ARES原型機將在2017年9月首飛，而且軍方將在飛行試驗開始后對其進行評估，但9月并沒有原型機首飛的報道。

2017年5月，美國海軍陸戰隊的“海軍陸戰隊空地特遣部隊無人機系統遠征裝備”(MUX) 大型無人垂直起降飛行器項目新增了2家競標方，其中之一就是皮亞斯基飛機公司，該公司的MUX方案生自ARES項目。

2018年6月，洛克希德·馬丁公司臭鼬工廠負責商業戰略和發展的主任克雷格·約翰遜在某次會議上展示了一張該機構科研活動的簡明圖表，ARES原型機出現在了圖片中。約翰遜表示洛克希德·馬丁公司打算6月底在亞利桑那的試驗場進行ARES的飛行試驗。這表明，ARES原型機的計劃首飛時間相比最初規劃已推遲2年多，但從約翰遜的表態中可看出，當時洛克希德·馬丁公司仍在緊鑼密鼓地推進ARES項目研發，并對首飛仍持有信心。

然而在2019年5月，ARES項目最終還是因為成本和進度問題下馬。另外，報道中也提及了該項目曾得到美海軍陸戰隊的資助。這說明ARES項目已經提前啟動了技術轉化工作，軍種對其也十分感興趣，因此下馬的根本原因可能是研究團隊對某些技術的研發難度預估不足。

關于項目取消，DARPA的相關人員表示：“在對ARES原型機進行了大量的部件、系統集成和地面試驗之后，由于成本嚴重增長和進度延期，DARPA和美海軍陸戰隊決定不再為該項目提供資金。ARES項目是一個研究性的項目，揭露了未來垂直起降并轉換至固定翼飛行的技術風險。通過研究管理復雜構型的飛控軟件和獨一無二的涵道風扇推進系統，將為美國防部未來的項目研發奠定基礎。”

幾點看法

ARES項目取消再次體現出DARPA敢于創新、容許失敗的特點

盡管該項目已下馬，但如DARPA所說，所發展的復雜構型飛控軟件技術和新穎涵道風扇推進系統可移植到其他工作中。一般來說，探索性科研項目沒有失敗一說，只有在曲折的探索中不斷深化認知、積累“跬步”，最終才能實現千里飛躍。自下而上、以大量的科技探索和研發為基礎，引導未來軍事需求，提供新的解決方案，是美軍作戰能力發展演進的一個重要方式。在美軍由聚焦反恐戰向聚焦大國戰爭轉型的過程中，其高官也曾多次提出：要恢復以往敢于承擔風險、容許失敗、快速迭代科技進步的創新文化。從近年來美軍科技項目看，在重視可能生成戰斗力導向的同時，也在不斷加大對密集異類場景、各種技術邊界的持續和拓展探索，追尋把科技應用場景做得細致，把科技邊界摸得透徹，未見企圖“畢其功于一役”的躍進式安排，以便形成能適應各種實際應用環境并最大化發揮效能的戰斗力。

ARES原型機示意圖(左上為用模塊化吊艙運貨，右上為ISR，左下為傷員運輸，右下為直接吊運貨物)

DARPA將重點轉向軟件算法，航空技術發展出現變化

2015年前后，DARPA仍有若干大型航空平臺類項目。這些項目因要開展原型機的制造和演示驗證，經費一般會突破1億美元。但是近些年，隨著XV-24A“垂直起降試驗飛機”(VTOL X-Plane) 和ARES項目的下馬，“戰術偵察節點”(TERN) 項目的音信全無，該局大型平臺類項目的數量持續萎縮。DARPA曾表示，因取消大型平臺類項目而節省下來的經費將用來支持人工智能技術的發展，這也體現了該局發展方向的重大調整，即從發展硬件平臺轉到研究軟件算法。可以預計，DARPA未來在仍然保留部分航空平臺類項目的基礎上，將更加注重人工智能技術和航空應用的結合，通過空戰決策、蜂群算法、人機協同、體系架構等技術的研究，持續提升美軍未來的空中作戰能力。

運輸類無人機已成為無人機領域的重點發展方向之一

目前美國海軍陸戰隊對支持遠征作戰的垂直起降飛機十分感興趣，而且特別關注垂直起降無人機，因為其認為貨運車隊難以抵抗敵人的預設伏擊。因此，美軍在作戰需求的牽引下，運輸類無人機已成為無人機領域的研發重點。例如，在ARES項目取消的同時，美海軍陸戰隊正在推動其他若干無人貨運飛機項目，例如和美陸軍共同實施的“聯合戰術自主空中再補給系統”(JTAARS) 項目、重新啟動的兩架無人K-MAX無人機試驗項目。該軍種還希望借助美陸軍“未來遠程突擊飛機機”(FLRAA) 項目購買全新的通用旋翼機。另外，在2018年8月，美國陸軍發布中型運輸無人機原型機征詢書，尋求運輸彈藥、水及食物的電或燃油動力無人原型機。而DARPA的“革命性創新空運”項目正在發展LG-2K貨運滑翔原型機，并在去年年底開展了飛行驗證。 ■