A Agência Projetos e Pesquisas Avançadas de Defesa do Pentágono, mais conhecida como DARPA, tem uma reputação para a aplicação de soluções inovadoras para problemas práticos. Conseguir pessoal e veículos para fora de estradas com ameaças conhecidas, como dispositivos explosivos improvisados, ou IEDs, sendo uma dessas ameaças. A DARPA está tratando deste problema em um programa chamado Transformer.

“O transporte e reabastecimento de tropas em terreno acidentado tornou-se um grande desafio, especialmente porque os militares dos EUA estão mudando a sua doutrina para a utilização de unidades de combate menores e mais distribuídas”, explicou Kevin Renshaw, Líder do Projeto Transformer na Lockheed Martin Skunk Works.

A Skunk Works formou uma equipe em 2010, com Piasecki Aircraft Corporation e Ricardo, Inc., que foi selecionado para o programa Transformer DARPA. Na primeira fase do programa, a equipe da Skunk Works realizou estudos comerciais e projetou o conceito do sistema Transformer.

O programa, atualmente na fase 3, visa desenvolver uma nova geração de sistemas de distribuição compacta de alta velocidade de decolagem e pouso vertical, ou VTOL.

Nos requerimentos originais para o Transformer, DARPA pediu aos participantes para “demonstrar um veículo que possa voar / rodar em estradas para quatro pessoas que proporciona mobilidade no terreno independente para o combatente …. O veículo terá capacidade VTOL com um alcance de combate mínimo de combate de 250 milhas náuticas em um único tanque de combustível “.

O escopo do programa já foi refinado para se concentrar no módulo VTOL comum que poderia ser adaptado para várias missões com cargas intercambiáveis.

“O conceito Transformer poderia servir para avançar várias tecnologias-chave para alcançar um sistema VTOL operacional com uma mais compacto do que as dos helicópteros e combinar isso com maiores velocidades de cruzeiro convencionais”, Renshaw observou. “Criamos um plano de maturação da tecnologia que levará a uma concepção operacional.”

Depois de ter sido selecionada para a segunda fase do programa Transformer da DARPA em 2011, a equipe da Lockheed Martin venceu a disputa pelo conceito e completou uma revisão do projeto preliminar com a DARPA e outros especialistas técnicos em 2012.

O design preliminar foi a base para o esforço da Fase 3, que envolve a concepção e construção do protótipo do sistema. A Lockheed Martin venceu o contrato da Fase 3 por $20,3 milhões no final de 2012 para realizar o trabalho e testes de redução de risco que levam a uma revisão crítica do projeto. Após esta avaliação, a DARPA irá decidir se ele vai exercer uma outra opção para construir e depois voar o protótipo em 2015.

Lockheed Martin tem uma vantagem no desenvolvimento de sistemas VTOL não tripulados com o helicótero de transporte de carga não tripulada K-MAX em operação com a Marinha dos Estados Unidos no Afeganistão. Os helicópteros K-MAX são pilotados por pilotos remotos com navegação automatizada entre pontos pré-determinados de missão e cargas transportadas via tipóia de carga externa.

Os engenheiros da Lockheed Martin Sistemas de Missão e Treinamento demonstraram uso destes helicópteros não tripulados para entregar mais de três milhões de quilos de carga para os fuzileiros navais. O sistema reduziu a exposição dos militares à IEDs por dezenas de milhares de horas. O sucesso do K-MAX no Afeganistão levou os Marines a estender a demonstração por tempo indeterminado.

Os Sistemas de Missão e Treinamento também estão sob contrato do Escritório de Pesquisa Naval para demonstrar sensores e controles avançados para sistemas VTOL aéreos não tripulados, ou UAS, sob o Programa do Sistema Autônomo do Utilitário de Carga Aérea ou AACUS.

O programa AACUS vai testar sensores e software de controle de vôo para permitir que a próxima geração de UAS VTOL identificar de forma autônoma zonas de pouso, evitar obstáculos, e aterragens completas sem piloto remoto. O sistema será projetado para ser programado por soldados e fuzileiros navais em campo, com, interfaces simples de controle intuitivo, tais como telefones inteligentes militares ou tablets robustos. Esta tecnologia está diretamente ligada ao programa Transformer como parte da maturação do protótipo da DARPA para o sistema totalmente operacional.

O módulo de vôo VTOL de dutos de fã projetados para o Transformer poderiam adaptar-se a várias missões com cargas intercambiáveis. As cargas podem incluir pods de carga, unidades de evacuação médica, um veículo terrestre tático, soldados e escolta armada, reconhecimento e também capacidade de ataque. Os rotores de dutos inclinados permitem um ambiente de funcionamento mais seguro, combinado com velocidades mais rápidas de trânsito, com uma zona de pouso de metade do tamanho de um helicóptero típico com uma carga semelhante.

Um dos requisitos originais para o Transformer é reconfigurá-lo em um pacote pequeno o suficiente para dirigir até uma estrada de pista única. Assim, o sistema poderá ter, no máximo, 8,5 m de largura e 30 pés de comprimento. “O comprimento da estrada determina o tamanho dos dutos do fã”, disse Renshaw. “Essas restrições levam a um sistema que poderia caber em pequenos hangares de navios ou em uma aeronave C-130. O projeto do ventilador canalizado, sem rotores expostos, também melhora a segurança das tropas no terreno “.

A capacidade de usar o mesmo módulo de vôo para realizar várias missões com um sistema comum poderia reduzir os custos da frota. O Transformer poderia completar helicópteros especializados mais caros que exigem tripulações treinadas. “O conceito modular melhora a visão original da DARPA, permitindo uma variedade de papéis, oferecendo versatilidade agora e adaptabilidade no futuro”, Renshaw acrescentou.

As transições de e para o vôo vertical para pousos e decolagens será feita automaticamente. A versão operacional navegará autônomamente até o local de entrega desejado, evitando obstáculos em rota ou na zona de pouso.

O projeto está aproveitando ao máximo o trabalho dos controles fly-by-wire digital VTOL que a Lockheed Martin tem feito nos últimos 15 anos com os programas X-35 e F-35. O projeto também se beneficia da experiência anterior da equipe com controle autônomo de sistemas aéreos não tripulados. “Utilizar este tipo de sistema VTOL, em transição e vôo de cruzeiro requer um sistema de controle de vôo fly-by-wire”, disse Renshaw.

A Piasecki Aircraft, uma empresa longa estabelecida de pesquisas de helicópteros VTOL, é responsável pelo projeto do módulo de vôo, incluindo o desenho do sistema de transmissão e do sistema de elevação. Frank Piasecki inventou o sistema de rotor duplo para helicópteros em 1950. Rotores duplos são usados ​​hoje nos helicópteros CH-46 Sea Knight e CH/MH-47 Chinook. A experiência anterior da empresa com VTOL de fã canalizado inclui a série de demonstradores AirGeep VZ-8. A Piasecki também estudou o potencial de elevação de modularidade do sistema do projeto de evacuação de vitimas Combate Medic do Exército dos EUA.

O âmbito de aplicação do programa do protótipo do Transformer foi refinado para enfatizar o desenvolvimento da parte de vôo do sistema modular para a demonstração inicial. Os ensaios de vôo do protótipo vão agora demonstrar a parte de vôo modular do sistema como um UAS em vez de voar um sistema tripulado controlado por um piloto de teste durante a Fase 2 do trabalho.

“O sistema operacional sempre foi concebido para ter a capacidade de ser levado como um UAS altamente autônomo com um módulo de vôo capaz de retornar à base após deixar o carro”, explicou Renshaw. “A concepção de funcionamento ainda irá ser capaz de transportar o carro como uma das muitas cargas úteis.”

Para a Fase 3, a equipe da Lockheed Martin vair criar desenhos detalhados de hardware para o módulo de vôo do protótipo em escala real. O hardware inclue a estrutura, eixos, hélices, atuadores de controle e sistema de elevador caixas drivetrain.

A equipe está identificando computadores de controle de vôo existentes para serem usados no sistema de controle de vôo digital. A equipe também está selecionando sensores, sistemas de navegação GPS, e DATALINKS para a operação do UAS. Itens de chumbo, como engrenagens e rolamentos, estão sendo contratados para dar suporte aos testes de drivetrain iniciais programados para 2014.

“Os motores de um helicóptero existente irão equipar o protótipo”, explicou Renshaw. “A equipe está selecionando componentes disponíveis, sempre que possível, para minimizar o custo do protótipo.”

A equipe também está criando os parâmetros de controle de vôo digitais e software de controle de vôo para gerenciar pairar, transição e vôo de cruzeiro. Simulações do controle e manuseio e qualidades do sistema estão funcionando nos controles de vôo laboratórios. Estas simulações são projetados para levar o lançamento do pacote de software para testes de hardware-in-the-loop e de vôo.

A equipe também está construindo um modelo de túnel de vento com um terço de escala para testar no segundo semestre de 2013. Os testes em túnel de vento irão simular os efeitos aerodinâmicos e de propulsão em toda a gama de pressão, o ângulo do duto, e entradas de controle. Esses dados, então, serão usados para finalizar as leis de controle de vôo e software para o protótipo.

A construção do protótipo vai começar com o sistema de transmissão canalizado do fã, hélices, e mecanismo de inclinação. Estrutura do duto, controles de vôo, e eletrônica será adicionado em paralelo. Testes do sistema completo de suporte de ensaio no solo serão usados para medir as respostas de impulso e de controle. A bancada de teste também permitirá testes de falha e os procedimentos de emergência com hardware de vôo e software em um ambiente controlado.

O programa terminará com demonstrações de capacidade do módulo de vôo para realizar pousos verticais, passe, fazer transições suaves entre pairar e fuga para a frente, e conhecer o desempenho de vôo previsto. Após o protótipo provar que pode voar como previsto, testes adicionais com uma variedade de tipos de carga útil poderão ser realizados. Especificidades desses testes vão depender das necessidades dos usuários. “Estamos contatando operadores dos United States Marine Corps, Exército dos EUA, e Comando de Operações Especiais para ajudar a identificar como eles iriam utilizar este sistema em campo”, disse Renshaw.

“Quando totalmente desenvolvido, o Transformer poderá fornecer futuros comandantes maior flexibilidade e opções para o transporte de pessoal, realizando missões de reconhecimento e apoio à tropas no campo”, Renshaw concluiu. “A capacidade de pequenas unidades em campo de entrar e sair de compactas bases avançadas, austeras e para mover suprimentos ou evacuar tropas e feridos sem ter que agendar helicópteros de alta demanda pode revolucionar as operações dispersas.