山西
文|张慧 知名航空撰稿人
美国GE航空航天公司和Shield AI最近完成了一项测试，他们成功把F110-GE-129E发动机和一套轴对称矢量喷管（AVEN）集成在一起，为X-BAT无人机项目进行了地面测试。有意思的是，测试用的喷管并不是新造的，而是从仓库里翻出来的三十多年前F-16 MATV验证机项目留下的库存件。工程师们把这批旧硬件做了机械改造，又给它配上了全新的数字控制系统，硬是让它适配了现在的发动机。
【X-BAT无人机】
【轴对称矢量喷管】
X-BAT是一款代表未来“协同作战飞机”概念的AI无人战机，按理说它应该浑身都是新东西。但真正让航空工程师和资深军迷觉得不可思议的是，它最关键的动力控制系统，用的竟是上世纪九十年代在F-16上测试过的AVEN喷管。一架瞄准本世纪中叶高强度战场、连驾驶员都没有的飞机，为什么要回去捡三十年前的技术？
事情要从九十年代初说起。那时候美军为了摸清大迎角控制和过失速机动的极限，搞了F-16 VISTA/MATV验证机。当时通用电气给这个项目研发了AVEN喷管，它本质上是传统的圆形截面收敛-扩散喷管，但通过一组环形作动筒和万向连杆，能让推力往任意方向偏转，偏转速度很快，飞机能做出各种匪夷所思的过失速动作。
【F-16 VISTA/MATV验证机】
但进入二十一世纪后，雷达和红外隐身成了五代机的硬指标，AVEN就不太合时宜了。它那个圆柱形的截面，喷口边缘结构复杂，雷达波一照，散射信号很强。圆形喷管排出的高温尾流又很集中，特别容易被对方红外探测器盯上，被红外制导导弹咬住。
洛克希德·马丁在F-22上走了另一条路。为了把隐身做到极致，他们放弃了全向偏转的AVEN，换上了二维矩形矢量喷管。这东西又贵又重，左右偏航的矢量能力也砍掉了，只能上下偏二十度，但它的平板结构能有效遮挡红外辐射，也能跟隐身战机的平行边缘设计完美融合。从此以后，AVEN这种全向圆形矢量喷管在美国有人驾驶隐身战机这条路上就被彻底封存了，成了防务工业里一颗被尘封的“遗珠”。
【F-22的二维矩形矢量喷管】
到了2020年代，战场变了。传统的军用机场和长跑道，在开战头几轮打击里很容易被瘫痪。跑道没了，飞机怎么上天？美军提出了“分布式作战”的思路，X-BAT就是在这种背景下诞生的。它采用了一种很特别的“尾座式”垂直起降构型。
这种飞机的起降姿势跟普通飞机完全不一样。它在地面上是机头朝天、像火箭一样立着的，靠自己的推力直接拔起来。升空后再压平机身，转成水平飞行。降落的时候反过来，直立着用“倒车”的姿态减速往下落。
这种设计确实彻底不依赖跑道了，但也给飞行控制带来了一个巨大的难题：在垂直起飞和高空悬停的时候，副翼、升降舵、方向舵这些常规的气动舵面基本失效。
X-BAT悬停在空中或者极低速垂直升降的时候，前方来流速度基本为零，舵面偏到极限也产生不了什么控制力。这时候要是来一阵横风，机身没有外力矩去平衡，瞬间就会失稳翻转，直接摔下来。在这种零空速的情况下，只有能够全向偏转的推力矢量喷管，才是能提供维持姿态平衡和转向的唯一动力支撑。
此外作为一款协同作战飞机，X-BAT有一个核心理念叫“承受得起的规模”。无人机的单价必须压到有人战机的五分之一甚至十分之一。如果重新研发一套全新的推力矢量系统，既烧钱又耗时。无人机本来就不用像五代机那样追求全向隐身——前向的低可探测性做好，再靠电子战手段弥补就够了。这种情况下，把现成的AVEN拿出来用，是再务实不过的降本操作。
尾座式飞机这个想法其实不算新鲜。五十年代美军就测试过康维尔XFY-1“弹簧高跷”。但那个项目最后还是黄了，原因很简单，人开不了。飞行员坐在垂直立起来的座舱里，背朝下看着天，降落的时候得扭头看后下方，这种姿态很容易造成严重的空间定向障碍，视线盲区也大，操控很容易出错。但对AI来说，“背着地降落”无非就是把IMU、雷达、光电传感器的数据融到一起，做一组实时矩阵解算。
Shield AI搞的那套Hivemind自主战斗AI，不依赖GPS。它靠着机载的高算力边缘计算芯片，能每秒几百次地刷新姿态数据，实时感知气流扰动、机身的微小抖动和重心偏移，然后给AVEN喷管的作动筒发指令。
九十年代那会儿，受限于微处理器算力和传感器精度，AVEN的性能其实没完全发挥出来。而现在，AI用每秒几百次的高频微调，把尾座式布局在过渡阶段那种极高的动力学不稳定性消化掉了。三十年前的机械硬件，配上全新的数字神经系统，反而活过来了。
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