【博評】William:模組化軍用機 航空界的「換裝娃娃」?

2022-04-11 15:04:31 最後更新日期:2022-04-12 10:53:25
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

 FCS22AERALIS在本屆迪拜海事展覽會展示的模組化教練機模型,由後掠角推斷應該是高教型(單引擎版本)。本機的外貌似乎比較「土肥圓」。圖片來自連結1

 2022年3月底舉行的迪拜海事展覽會中,英國航太公司AERALIS展示其最新設計的模組化先進教練機等比例模型。這種教練機最大的特點為透過機身模組化,更換不同的機翼、引擎艙(單引擎或雙引擎)和垂尾模組,可成為初級教練機、中級教練機、高級教練機、輕攻擊機甚至UAV等。該公司現與英國航太及THALES展開進一步合作計劃,務求於2024年前推出原型機,若能成事,將是航空界一大壯舉。

AZ2早期兩種少數成功的模組化直升機:CH-54及KA-26。前者除可直接吊運重型車輛,還有陸軍貨艙型、救護艙型及滅火模組等可供選擇。相對的KA-26較小型,軍用上只能用作聯絡用直升機,但仍有客運模組、小型貨運模組(非密封貨艙)以以農葯噴灑模組。(圖片來自網絡圖片、維基百科連結1連結2)

 

當然,這種模組化飛機並不是首次出現之事,不過之前出現的都是直升機與輔助機,而且能造出來的都是比較簡單的設計,就是……換貨艙 / 貨櫃。這種設計主要是讓地面更容易裝貨,以及可能更容易運載不同大小的貨物 / 載具而已。比較著明的例子有CH-53及KA-26(直升機),以及戰後幾種實驗運輸機。之所以在直升機上這種概念似乎更成功,更多是因為更高速的飛機在結構強度需求上更為著重吧,這種以鉸接進行模組固定的飛機,在高度飛行構成的阻力下,鉸接的強度與壽命有可能和飛機壽命本身相差很遠,且並不十分安全可靠。

AZ1二戰中的1943年末,梅爾希密特飛機公司提出一種可用採用大量模組,從而「變身」成除單發戰鬥機及戰略轟炸機 / 水上轟炸機外幾乎所有戰術機種的飛機系列-P.1090型模組化飛機,其甚至連機翼和引擎都可有多種選擇。這點和同期陸軍的E系列計劃類似,但模組化上更徹底。只是整個系列也太複雜且該公司也有大量計劃在身,在設計完模組及製作木型機後,就放棄計劃。資料來自luft46.com連結2)

 

至於諸如戰鬥機、轟炸機或攻擊機、教練機嘛……最早一種模組化軍用機的概念來自二戰德或1943年的設計、梅爾希密特的Me-P.1090模組化軍用機。其模組範圍包括機首、機身、機尾及雙翼部份,可作成至少10種軍用機,包括單座重戰、雙座重戰、戰鬥攻擊機、高高度戰鬥機、夜間戰鬥機、高速轟炸機、俯衝轟炸機、魚雷轟炸機、戰鬥轟炸機及偵察機等。動力甚至可以選擇噴射機、活塞引擎或者渦槳引擎。然而,這架軍機據指只造了木製模型出來,1944年底後也沒有再搞下去了。

 item 1712M-90計劃,有些人稱之為「空中渡輪」,其早期設計更像是一架以吊運巨型貨櫃或客貨艙的機翼加枝架及駕駛艙。由於要適應西伯利亞地區機場缺乏龍門吊架,此機的概念有點像讓自己也變成「龍門吊架」,在機器輔助下直接吊運各種客貨艙與特種貨物艙模組裝到固定點。由於都使用直線機翼,飛機速度較慢,載重約240至400噸,不過重載升空距離大約只需AN-225的2/3。最右為計劃停止時的最後定稿,氣動性雖大有改善,但還是給人很「支架」的感覺。(網絡圖片)

 

然後這種模組化飛機在二戰後就絕少出現了,一來隨著噴射機愈來愈普遍,機身需要的強度也愈加提高,模組化的戰術飛機在強度上可未必能應付需求;另一方面翼下掛架的普及,以及各類可變氣動佈局的出現,都讓這種多任務模組化變得「沒那麼必要」了;另一方面,模組化的設計雖然更方便生產及任務轉換,但設計時要兼顧不同氣動外形帶來的重心偏移等問題,反而令設計更為繁復,且對每一種任務機種都造成性能限制。

item yuyuMEKO系列護衛艦不但涵蓋1800-8000噸的艦型,而且每型都有很高的模組化,而德國自用版護衛艦亦有對應的出口用MEKO型,不過現在最好賣的還是2500-4000噸的多個艦型,更大型的(如對應125型的MEKO-A400,是大型防空多用途護衛艦)就沒什麼人買了。圖左為最早期的MEKO-360型,圖右為現時最新的MEKO-A200型。圖片來自連結1連結2

 

戰後模組化反而在船艦及戰車工程中更早達成,亦即是說在建造時透過為不同的武器預留通用插座,可因應需要更換不同的武裝,之所以較易達成,可能和空間足夠 / 結構簡單有關吧。最早是美國在斯普魯恩斯級反潛驅逐艦上發展出防空用居魯士大帝級(準備外銷伊朗,即後來的基德級),以及提康德列嘉級神盾巡洋艦;然後同樣著名且行銷各國的還有西德的MEKO系列護衛艦,艦上接口基本可按用戶需要進行安裝,幾乎可裝備70年代後問世的所有西方式艦載武器與艦載機,若客戶因其他原因未及在建艦時裝備,還可預留位置,日後在在地國的船廠加裝。這種模組化的成功,要歸功於北約國集團在船艦裝備設計上盡量講求框架及安裝基座標準化、通用化,且各個單元在信號介面、電源管路、資料電纜、導波管、冷卻水、壓縮空氣及緩衝器都要求標準化,得以在模組整合時能減少需要額外增設的設備

未命名當然,這種「裝備模組船」也有失敗的例子:例如美軍的LCS,其失敗細節之前已講過,但其模組化則相當特別,是三套全新發展的任務模組,且聲稱可單單在碼頭利用4天時間換裝。然而由於模組是全新的,部份遇上開發延誤甚至開發不成功,成本也很高,導致採購上每艘艦加起來都不夠分到一個模組。最後更因為成本及技術問題,模組換裝模式變成每艦固定使用一種模組而已。(圖片來自美國海軍Mass Communication Specialist 2nd Class Colby A. Mothershead)

 

當然,這種「裝備模組船」也有失敗的例子:例如美軍的LCS,其失敗細節之前已講過,但其模組化則相當特別,是三套全新發展的任務模組,且聲稱可單單在碼頭利用4天時間換裝。然而由於模組是全新的,部份遇上開發延誤甚至開發不成功,成本也很高,導致採購上每艘艦加起來都不夠分到一個模組。最後更因為成本及技術問題,模組換裝模式變成每艦固定使用一種模組而已。

 FCS.jpgASM通用底盤(左)基本是由M1發展而來,原為美軍二十一世紀裝甲力量核心;Object 299的模組化更強,幾乎包涵所有裝甲與機步師所有使用的履帶車輛,甚至包括大型防空導彈車或火箭發射器底盤,野心可說更大;最右側為FCS(未來作戰系統)的有人履帶戰甲車輛,底盤都是同一個,在此基礎上裝入不同功能模組及相應的裝甲,但因為強調的是輕便及快速空運,就算最重型的戰車型MCS,重量也未超過30噸,和M1A2戰車的防護相差甚遠。(圖片來源:維基百科1、維基百科2Object 299)

 

坦克或戰甲車本身的模組化就相對簡單得多,因為同系列車體的模組通常只需考慮砲塔與下方的戰鬥室換成什麼就可以了,大不了連前方的車身裝甲室都可換掉。事實上,大部分主戰坦克在設計時都會有衍生型的裝甲救護車及裝甲工兵車一同設計,至80年代各國也開始主要陸上作戰系統車族化、模組化的嘗試,例如美軍的ASM計劃(Armored Systems Modernization),未來作戰系統(Future Combat Systems)的中重型車輛組成部分及GCV(Ground Combat Vehicle)計劃,蘇聯及俄羅斯則有Object 299通用陸上載具計劃及阿瑪塔重型履帶通用平台(Armata Universal Combat Platform),不過因為本身成本過度高昂、財力不繼、與冷戰結束、需求下降等原因,目前只有阿瑪塔計劃還在勉強推行中。

 FCS22A洛克威爾國際公司在70年代設計的HiMAT無人實驗機,主要用作各類型新世代氣動及飛控系統的測試,也為日後UAV的發展有著傑出貢獻。其設計也是主機身配上不同翼型的模組化設計,也是近代其中比較著名的模組化實驗機,不過它是無人機而已。現時無人機 / 忠誠僚機的模組化,也只是停留於更換機頭任務模塊而已。(圖片來自連結1)

 

 

回到這個教練機計劃,這次AERALIS的大膽嘗試,很可能是看準空軍訓練系統的特有需求:在完成最早期的學員飛行訓練後,戰鬥機飛行員的訓練系統需要初級教練機及高級教練機進行,然後再轉向現役戰鬥機的雙坐訓練型。初級教練機通常是螺旋槳教練機,要轉成高級教練機(噴射機),需要重新適應噴射機的飛行特性;另外一般空軍購買的現役戰鬥機雙坐訓練型數量也十分不足,部分新世代戰鬥機(如F-35)更已沒有雙座型可以選擇,如果一種教練機可以透過換裝模組來進行任務轉換,那其實可以省下購買兩種甚至三種教練機的價錢的同時,也能自由調整訓練機隊的規模,強化靈活性;另一方面雙座高教和單座輕攻擊機在性能要求上更為相近,而且性能較高的教練機也可作為發展大型無人機之基礎,若模組化也能包括這兩種機,對於小國空軍而言就更具備運用彈性的空中力量了!

group no labels high res 1536x785 1在現階段最新模組設計下,AERALIS指出至少可搞出六種機型(包括UAV在內),不過該公司現時放出的消息指還在設計多三種機翼模組,機翼模組可視乎不同機型的速度與載荷需求進行更換。右邊的UAV版本似乎是帶加油錨管的小型伙伴加油機。(圖片來自AERALIS公司網站)

 

為此,AERALIS現在正在設計四種機型(包括初教、高教、戰鬥轉乘教練機,以及輕攻擊機,另外加一種用於飛行表演的),並正在規劃基於這系列的無人機與小型無人加油機(!);同時也在計劃一種租賃服務,為自己(或其他合作的小型航太服務公司)的客戶租賃不同的零件甚至整機,並提供換裝服務,以應付不同空軍在特定時間內的教練機 / 輕攻擊機需求。

當然,如同過去嘗試的模組化軍用飛機一樣,這飛機還有很多技術與成本、銷售問題還要克服,例如為達到最佳的模組化,作為核心的主機身構件需要有最高的結構強度;另外,主機身各部分的接合位又要有更強固的結構,以減低空中結構事故的風險,這對於主要只想買噴氣初級教練機或任一款飛機的客戶而言,可能是不太化算的財政負擔。

AMApril20Features Aeralis2 1本機的模組化建基於機身及四種基礎組件(雷達航電艙、引擎-進氣道模組、主翼模組、機尾模組。這裏未展示雙座機變單座時駕駛艙蓋及後座油箱更換模組)。不過本機成功關鍵之一—機身模組接合點的設計,到現在還未見展示。(圖片來自AERALIS公司網站

 

其次是飛控書寫與整合問題:雖然氣動架構沒有多大差異,但翼面面積不同、後掠角不同、使用引擎型號與數量不同(單小堆、雙小推或單中推)、有沒有雷達與射控,單座機時後座空間的用途,甚至有沒有人駕駛,都會影響飛控的編寫。更有甚者,這種高教又需把用戶的不同國家生產戰鬥機的飛控系統整合進去,也是一大難題,就算他們找了THALES協助開發,由於這型飛機的特殊性,幾乎沒有航天集團面對過這樣的問題,整合是否成功及其價格也是一大疑問。而若是系統過於複雜,這間航太公司所提供的維護服務是否也能有效應對?

 39400372 0 image a 10 1613570122043令人驚訝的是,該機透過進氣道模組轉換,可以「變出」三種引擎及進氣道組合(單小推、雙小推、單中推),利用這種方法改變動力系統架構,可說是前所未見的。(圖片來自AERALIS公司網站

 

再講,這年頭一堆高性能高教如KF-50、M-346、YAK-130、練10已投入市場(然後美國的T-7A不久也會加入),早一輩的高教也還有不少使用壽命。即使這種教練機有變成中/重型無人機的先天優勢,又有多少國家願意投資一大筆錢完全更換空軍的訓練體系去購買?

縱觀整個發展計劃,有可能是「理想很豐滿,現實很骨感」,而且實際上困難重重,潛在買家也未必賣帳,不過如果能造出來的話,那至少算完成一個航天界未境的「航天夢」吧。

發佈於 軍事博評
By 2022-04-11

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