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武装大疆,离我们有多远?
2018-4-18 1:27:00           作者: 晨枫

   在《战狼2》里,貌似大疆的微型无人机到处开火,所到之处死伤无数。冷锋和“达康书记”很是费了点功夫才打掉这些讨厌的东西。这是电影。在现实中,如果这样的小身板大疆果真绑上机枪、榴弹发射器,发射时的后座力和震动会直接顶翻导致失控,如果不是当场散架的话。但武装大疆的构思是很诱人的。

育碧游戏《全境封锁》中的无人机,看上去设计更复杂一些,但本质上还是一样的

   多轴无人机:特殊的平台

   大疆当然是一个特定的品牌,这里用大疆的名字但只是泛指简易多旋翼无人机。大疆很是轻小,便于携带,对于起飞着陆几乎没有场地要求,操作也很简便。大疆还很便宜,大批量购买更加便宜。大疆的续航时间、飞行距离和载重量都有限,但军用化加强后,用不大的代价就可以显著提高性能。如果能携带5-6公斤载荷在1-2公里外持续飞行一小时的话,就可以满足大部分近战环境里的步兵需求了。成本还可能控制在万把美元之内。这对民用大疆是天价了,但对于军用,这还是廉价。一枚SDB就是85000美元,这还是消耗性的一次性使用的。

   无人机使得航空世界突然百花盛开,各种过去匪夷所思、只有理论上可行性的飞行器设计纷纷在无人机上实现,大疆的多旋翼设计是其中的佼佼者之一。直升机为了垂直起落,采用了很多特有技术,其中很关键的是伊戈尔·西科斯基发明的倾斜滑板(swash plate)和带铰桨毂技术。随着复材技术的发展,带铰桨毂可用无铰桨毂代替,但倾斜滑板依然难以取代,这是直升机可以进行垂直起落、平飞、侧飞、倒飞、滚转等独门绝技的关键,但这也成为疲劳、磨损、振动和速度限制的主要来源。刚性旋翼取消了倾斜滑板,但振动问题更大。反扭力是另一个问题,常规做法是用尾桨,其他的还有涵道风扇、喷气引射等。更复杂的可采用同轴或者纵列、横列反转双桨。

“现代直升机之父”伊戈尔·西科斯基,个人成就包括但不限于:设计并制造世界上第一种四引擎飞机、世界上第一种重型轰炸机,世界上第一种量产的直升机,确定现代直升机常用的主桨-尾桨布局,创建西科斯基公司,试飞多型飞机,多次坠机并多次生还

   为了突破直升机的固有问题,人们尝试了很多新异技术,倾转旋翼是其中之一。但新异技术有新异问题,可靠性、复杂性、成本问题也越来越大。

   以大疆为代表的多旋翼直升机另辟蹊径,用众多成对反转的旋翼的同步和差异旋转使得倾斜滑板不再必要,还同时解决了反扭力问题。在理论上,传统直升机也能采用多旋翼方案,但出于成本、重量的限制,传统直升机只可能采用集中的发动机布置,这使得驱动众多分散的旋翼成为技术上的噩梦,传动系统的重量和可靠性都不可接受。

   但大疆不同,众多小电动机一对一直接驱动旋翼,全电化彻底取消了机械传动系统及其重量和复杂性。廉价、轻小、低速的玩具无人机不太担心可靠性问题,掉下来就掉下来了,真要砸到人也不是太了不起的事。军用化后,成本、重量都会提高,但可靠性要求依然较低,与载人直升机根本不是同一个星球上的问题。大疆也没有多少速度、航程的要求,多旋翼阻力大也不是问题。

因为体积小重量轻,大疆靠小电动机驱动解决了多轴旋翼飞行器最头疼的传动问题

   武器选型:重量,杀伤,后坐力

   军用化的大疆可以携带先进观瞄设备,能前出侦察隐蔽敌人的位置,引导火力攻击。但武装化的大疆不光可以通风报信,还可以直接抄枪开火。从不同的角度和高度形成有利射击位置,这对城镇、丛林、山丘等复杂地形作战的步兵尤其有吸引力。

   不过要保持廉价、易用,武装大疆依然不宜太大、太重、太复杂,这样对于常规轻武器的后座依然敏感,应该研制专用的低后坐甚至无后座武器。这样的专用武器的难点不在于性能,而在于成本要低、重量要轻,射程倒不需要太大,威力也以反步兵为主,不超过反轻装甲。精度要求也一般,反正以抵近射击为主。

   炸弹和火箭弹是最简单的。炸弹通常在敌人头顶上直接投放,ISIS和反ISIS武装给民用大疆挂上手榴弹是一样的意思。高速飞机可借助水平速度在一定距离外抛放炸弹,而不需要直接飞越敌人的头顶。但武装大疆的速度很低,水平抛放不现实,在敌人头顶直接投放则很容易被敌人的轻火力打下来。虽说武装大疆便宜,但被敌人轻易就能打下来也不是个办法。因此炸弹不是首选。

ISIS武装的“杰作”——带简易投弹装置的大疆无人机

   火箭弹好一点。火箭弹发射基本上没有后座,但强烈尾焰可能对武装大疆的结构和飞行有所影响。火箭弹最大的问题是相对于子弹、榴弹而言成本偏高,重量偏大,微型火箭弹很少见,无控火箭弹的精度也不高,抵近射击都需要齐射才能有效覆盖目标。考虑到武装大疆的载重能力有限,火箭弹也未必合适。

   普通枪械在威力和成本上都合适,好处更是显然的,可以直接使用现有步兵轻武器,从冲锋枪、突击步枪到机枪、狙击步枪都能用,还可使用榴弹发射器。弹药与步兵通用的好处也是显然的。但普通枪械发射时的后座和震动太大,需要挂载支架或者云台有特殊的吸收后座和震动的设计,重量代价小不了,直接影响续航时间和携弹量。不管是长行程还是短行程,降低后座的动作也影响射击精度。哪怕是单发步枪,射击的第一要诀永远是紧抵肩窝,稳定据枪。要是枪本身就晃里晃荡的,是谈不上射击精度的。轻小的大疆在平台层面就缺乏稳定的条件。采用无后坐力发射可以解决后座、震动和射击精度问题。

   82毫米无后坐力炮曾经是中国陆军的标准步兵反坦克和攻坚武器。无后坐力炮的炮尾是一个喇叭口,炮弹发射时,部分燃气从炮尾喷出,与弹头向前运动的动量对消,极大地降低了后座力和震动。普通步兵可以肩扛发射,吉普车上使用时炮架也无需特殊加固。

一个时代的标志:82毫米无后坐力炮

   不过传统的无后坐力炮有严重的炮尾焰问题。向后喷出的高温高速燃气对炮尾后方距离较近的人员和物资很危险,尾焰反弹触地或者触壁反弹都能造成足够的危险,严重限制了在狭小和密闭空间的使用。步兵反坦克本来就需要利用工事、壕沟或者建筑的掩护,攻坚更是需要借助地形地物的隐蔽,只能在开阔地使用的话,有用性就大大下降了,因此无后坐力炮作为主要步兵反坦克和攻坚武器已经淡出了。

   无后坐力炮的关键在于要产生与弹头向前运动大小相同、方向相反的动量,也就是质量和速度的乘积。用速度高得多但质量也轻得多的后抛物可以达到同样的抵消后座力的作用。戴维斯平衡抛射原理正是这样的,用轻飘、膨胀的后抛物(如轻质塑料制成的薄片或者宽短丝带)抵消弹头的动量。轻飘的后抛物在炮尾膨胀段可以达到极高的速度;离开炮尾后,膨胀而在空气阻力的作用下急剧减速飘落。戴维斯平衡发射原理在发射时实际上无烟、无光、无尾焰,极大地降低了对炮尾的人员和物资的危害,可在地堡、壕沟或者室内安全发射。德国“铁拳3”火箭筒正是这样的,这也模糊了火箭筒与无后坐力炮的界限。

铁拳3(Panzerfaust 3)型反坦克火箭筒

   但戴维斯平衡抛射原理毕竟还是要向后抛射大量的后抛物,车内持续使用不便,直升机上使用也容易对机体或者结构长期冲刷而导致累积损坏。但多旋翼无人机不同,很容易做到炮尾后没有任何障碍物,后抛物的抛洒也不是问题。这是武装大疆的理想武器。

   从小口径的子弹到大口径的榴弹,无后坐力武器对什么口径都适用。子弹弹药重量轻,携弹量大,但需要精确命中才能造成杀伤。榴弹只要命中目标附近,就能造成有效杀伤,但弹药重量大,携弹量小。中国的新型20毫米榴弹具有初速高、弹道性能好、杀伤威力适中、弹药重量较小的特点,是比较理想的折衷,可以成为武装大疆无后坐力武器弹药的基础。当然,现有20毫米榴弹不能直接用于无后坐力武器,发射药后半部要由后抛物填充,弹尾开口,这样后抛物才可有效后抛。对中国弹药技术来说,这样的改动没有压力。

中国的20毫米榴弹还没有公布过,唯一可以肯定的是它已经用于QTS-11单兵武器系统

   向大疆专用武器改进

   武装大疆目标小,噪声低,在空中漂浮移动,不易发现,也不易被击中,但具有较好的稳定性和敏捷性。在作战中,可以接近到距离目标100-200米距离在悬停中射击,因此单发射击就可以击中目标。中国的20毫米榴弹还有现成的智能榴弹技术,只要有适当的火控系统配合,可以自动装定定时引信,实现空炸。这样的单发杀伤力更大。

   单发发射节约弹药,增加战斗耐久力。单发射击也避免了连续射击的枪膛温度升高问题,有利于无壳弹药的使用,不仅简化了装弹、退弹,也可把节约下来的弹壳重量用于更多的携弹量。半可燃药筒是成熟的炮兵弹药技术,可以考虑用于单发射击的榴弹发射器。不过这是锦上添花,不是必不可少的。

半可燃药筒炮弹(上中)与金属药筒炮弹(下)的比较

   不过这依然需要解决在空中的自动装弹问题。自动装弹机构有两大类:1)内能源,2)外能源。内能源利用发射药的能量和后座力推动一系列活塞、连杆、弹簧,完成抽壳、抛壳(无壳弹药省却了这两步)、装弹动作;如果是连发射击的话,还有击发动作。内能源重量轻,但注定有后座,而且后座力较大才能保证动作可靠。在AK47的慢动作视频里,强大的后座力带来可怕的扭曲和震动,但这也是其传奇式可靠性的根源。外能源利用电动来完成所有动作,射击平稳、精确,可控制射速(不过这对单发射击没有意义),动作可靠,即使有瞎火也只需要继续装入下一发就可连续工作,但重量稍大,而且需要独立电源。对于武装大疆的无后座力武器来说,电动的外能源更加合适,动作可靠,电源本来就不成问题。

   另一个问题是弹仓或者弹匣。如果携弹量不多的话,像泵动霰弹枪那样的管式弹仓可以容纳7、8发弹药,动作简单可靠,可能这就够用了。携弹量要求更大的话,就需要弹匣了。

   常见的盒式(包括弧形)弹匣采用直线供弹,由匣底弹簧提供动力,弹簧疲劳或者装弹不当就容易造成卡弹。另一种弹仓是圆筒弹仓,螺线供弹。子弹像螺管形宽带一样缠绕在圆筒内,在转动中通过螺线自然地把子弹向装弹口挤压。弹仓容量特别大,采用双层甚至多层螺线供弹的话,不长的弹仓就可轻易容纳100发以上的子弹。配用特制但简单的装弹器,围绕装弹后,整体塞入圆筒弹仓,十分迅捷。圆筒弹仓最大的特点是:供弹动作特别可靠。机枪上有时采用圆形弹鼓,容量同样巨大,但装弹麻烦,弹簧易疲劳。圆筒弹仓要优越得多。而且与枪管贴近而且平行的圆筒弹仓可以设计在装弹口之前或者之后,对全枪的重心平衡更好,操枪容易。

圆筒弹舱的典型代表:PP-19“野牛”冲锋枪

   平昌冬奥前,朝鲜举行盛大阅兵,朝鲜特种部队展示了一种外貌奇特的新式武器,突击步枪下挂着好似超尺寸的榴弹发射器,那其实是圆筒弹仓。不过圆筒弹仓的优点在突击步枪上不容易发挥出来,太多的子弹重量太大,螺线形供弹也只能由弹簧发条提供动力,装弹后、使用前要上发条,这比较费事。

手持圆筒弹舱供弹短突击步枪的朝鲜特种部队

   但用于武装大疆的话,弹仓重量相对不那么敏感,转动更是可以用微型电动机实现,这是天然绝配了。不过20毫米无后坐力榴弹发射器在武装大疆之外的应用未必很广泛。20毫米的常规(也就是非无后坐力)榴弹发射器的后座力作为步兵武器已经在很可接受的范围,去掉后抛物后,发射药还有所增加,射程有所增加。然而,武装大疆本身就是巨大的需求,只要成本控制成功,装备数量可能不亚于机枪。这是很大的市场了。

   多旋翼无人机本身就有较强的俯仰、转向控制能力,但不一定足够提供武器射击所需要的灵敏性、精确性、稳定性。多旋翼无人机在风中也有容易失稳的问题。研究表明,旋翼向外倾斜20度,就可降低阵风造成的俯仰力矩达26%,代价是旋翼的升力效率有所降低,需要更大的驱动电机功率才能产生同样的升力。如果无人机本身的飞行足够稳定,操控足够灵敏、精确,固定支架就足够了。这样重量可以减轻不少,但对无人机的设计制造要求较高,对飞控的要求更高。否则可采用液压控制的万向云台,可以精确控制俯仰和方向,对无人机飞行稳定性和操控是有力的补充,但重量代价较大,液压系统本身还要吃掉一点功率。因为枪械对无人机的相对重量较大,云台动作迅速的话,还要考虑反扭力问题。

   这样的武装大疆起飞总重量最好控制在10公斤以内,可供步兵分队远程徒步携带,对车载步兵更是没有压力。但武装大疆提供了步兵作战的全新维度,作用不可估量,研发和制造的难度、成本都不大,非常值得考虑。

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