【“昊”读旋翼】美国开展下一代高速旋翼机技术预研
《空天防务观察》此前曾推出我中心青年学者、直升机情报研究李昊先生主笔的两篇专栏文章——“日本采购V-22‘鱼鹰’倾转旋翼机的背景与军事意义”（9月7日）和“美军‘联合多任务旋翼机’项目前景及影响”（9月14日）。今天，李昊先生将为我们解读比“联合多任务旋翼机”更前瞻的美国科研项目——美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）正在推进的“垂直起降试验飞机”项目。
一、基本情况
2014年3月18日，DARPA正式宣布了其“垂直起降试验飞机”（VTOL X-Plane）项目第一阶段的4家竞标商，至此VTOL X-Plane项目竞标全面展开，标志着美国国家层面的新一代高速垂直起降飞行器的技术预研和验证工作正式开始。
“垂直起降试验飞机”项目于2013年2月启动，旨在开发一种新的垂直起降飞行器，使其兼具当前常规直升机垂直起降能力和悬停性能，以及公务机的有效载重水平、飞行速度和升阻比。开发和设计工作涉及新技术或现有技术改进、子系统、平台概念及构型等方面。尽管项目没有要求一定要采用旋翼机方案，但目前来看能够实现垂直起降的飞行器类型中，只有旋翼构型能够满足其技术指标。
VTOL X-Plane项目预期研制周期为52个月，总预算约为1.3亿美元。项目共分为3个阶段工作。第一阶段工作为概念设计和技术准备，预算为4700万美元。第一阶段分为两个部分，A部分持续6个月，主要完成概念设计，并对子系统及整体构型进行分析、验证和改良，同时还将确定并选择动力系统。B部分将持续16个月，主要进行方案初步设计，并通过建模和仿真来提升关键的基础技术成熟度等级，降低研发风险，并将完成平台构型方案的进一步设计和优化、系统性能和重量参数的评估和调整、关键技术及子系统的初始工程设计等。
第二阶段工作是详细设计和系统集成，计划进行18个月。这一阶段将完成平台的详细设计及各子系统的关键设计评估，并在通过最终设计评估后完成验证机系统集成和总装。
第三阶段工作是地面及飞行试验，计划进行12个月。预计于合同授出42个月后完成验证机首飞（2017年2月前后）。随后将进行为期1年的飞行试验，对验证机重量、载荷、飞行速度、悬停效率、巡航效率、飞行包线等参数进行试验。
第一阶段工作于2013年年底开始，先后授出了4份概念设计合同，进行构型权衡和方案初始设计。获得合同的4个竞标商分别是：西科斯基公司/洛马公司小组、极光飞行科学公司、波音公司和卡雷姆公司。第一阶段工作结束后，DARPA将对设计方案进行评估，并从多个方案中选择一个开展第二、三阶段工作。计划在2017年春天实现验证机首飞，2018年2月完成项目全部研究内容。
二、技术指标
DARPA在VTOL X-Plane项目中对验证机性能提出了极高的要求，最主要的性能指标包括以下几个方面。
— 验证机最大起飞重量在4500~5400千克之间，技术可扩展应用在最大起飞重量1800~10800千克之间不同吨位的平台上；
— 机动性能要求能够承受-0.5g~2.0g过载；
— 持续飞行速度能够达到556~741千米/时；
— 悬停效率不低于75%；
— 巡航状态升阻比不低于10；
— 有效载重不低于总重的40%，商载不低于12.5%。
从其提出的性能指标来看，飞行速度、悬停效率和巡航升阻比是挑战性较大的指标，而在这些指标同时满足的条件下能够达到其提出的重量指标则进一步加大了难度，对设计、材料、制造等方面都有极高的要求。
飞行速度方面，项目要求达到556~741千米/时的持续飞行速度。这一速度已达到固定翼飞机的水平，与涡桨飞机和部分喷气飞机相当（如C-17和C-130）。美军正在进行的高速旋翼机型号研制项目“联合多任务旋翼机”（JMR）项目对飞行速度提出的指标仅为315~556千米/时；美军已服役的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机的最大前飞速度也仅为582千米/时。这意味着从飞行速度角度看，该机已明显高于当前在役和在研的高速旋翼机技术水平。
悬停效率方面，“垂直起降试验飞机”项目要求悬停效率不低于75%，也远高于当前旋翼机水平。当前的直升机悬停效率通常只有60%左右。这意味着旋翼系统的气动性能需要大幅提升，不仅需要采用气动性能更好的翼型，同时还需要有更为优化的桨尖形状；并且，由于高速特性和悬停性能两方面的要求，桨叶设计还需要同时兼顾高速和低速两种不同状态的气动性能，进一步增加了设计难度。若换算成功率载荷的形式，以UH-60“黑鹰”战术通用直升机的旋翼尺寸作为参考，75%的悬停效率要求意味着旋翼机的功率载荷需要达到5.2千克/千瓦，而目前较为先进的直升机型号通常仅为3~4千克/千瓦左右（如AW101直升机为3.5千克/千瓦），这意味着要达到项目要求的悬停效率，其功率利用率至少需要比当前直升机提高30%。
巡航性能方面，“垂直起降试验飞机”要求全机巡航状态升阻比达到10以上，相当于上世纪50年代前后的固定翼通用飞机的水平（如塞斯纳172通用飞机的全机升阻比为11.6），而目前常规直升机由于构型的固有限制，全机升阻比仅为4-6左右。这意味着该机很难仅靠旋翼系统提供升力，其机身也需要在巡航状态下提供较大比例的升力，因此具有固定翼特征的构型方案将成为一个努力的方向；此外，高速巡航状态气动减阻问题也是当前高速旋翼机的技术难点之一，西科斯基X2和空客直升机公司（原欧直公司）的X3都遇到了这一问题。
三、构型方案
目前投标的4个制造商除极光公司外，都公布了其竞标方案概念。其提出的方案尽管十分新颖，但或多或少的都借鉴了之前的一些技术验证机构型方案。
西科斯基/洛马小组提交了一个名为“旋翼下洗机翼”（Rotor Blown Wing）的无人机概念。其由左右两套旋翼系统提供升力从垂直状态起飞，在飞行过程中逐渐提高平飞速度，并将机身转为水平状态，由机翼提供升力，而旋翼则充当螺旋桨，提供前飞所需拉力。
尽管这一概念看似十分新颖，但与波音公司20世纪90年代研制的“直升翼”（Heliwing）无人旋翼机惊人地神似，区别仅是其将“垂尾”从一个改为两个，布置在两个旋翼的正下方。“直升翼”在1995年完成首飞，其设计飞行速度为180节（334千米/时），飞行高度能够达到20000英尺（6096米），但其原型机在一次试飞的减速/下降过程中由于发动机失效而坠毁。但“直升翼”的成功首飞很显然为西科斯基公司选择这一构型的树立了信心。
与其他几个方案相比，该方案在结构上相对简单，相对容易满足DARPA对有效载荷的要求，其技术难点主要集中设计方面，尤其是旋翼系统及其控制机构和控制率。然而由于桨盘面积相对较小，悬停效率方面可能会有些问题，而机身从垂直状态与水平状态过渡过程，即起飞/着陆过程的操纵性和稳定性也是一个设计难点。
波音公司提交的方案是一个名为“幽灵雨燕”（Phantom Swift）的无人机，由波音公司鬼怪工厂（Phantom Works）设计。鬼怪工厂在30天内就完成了一个缩比的原理样机设计和制造工作，并进行了简单的飞行，其中设计工作仅用了3天时间，可见其方案的结构复杂度也不是很高。“幽灵雨燕”采用了机体上2个大尺寸涵道风扇、翼尖2个可倾转的涵道风扇的布局。其中机体的风扇主要用于垂直起降和悬停，翼尖的2个涵道风扇则用于提供操纵力。该构型从结构上十分简单，不管是倾转涵道风扇还是机体上的升力风扇对于波音公司来说都不是技术难点，该机的主要技术难点在于其旋翼尺寸较小，尽管有4个旋翼系统，但桨盘面积较小、诱导速度过高，恐怕仍会存在悬停效率较低的问题；此外从目前的构型形式来看，其货仓位置很难选择，容积和尺寸的限制也很严重，若不对方案进行调整的话，该构型的实用性不高。
波音公司“幽灵雨燕”无人机（上图为概念图，下图为原理样机照片）
与西科斯基公司方案类似，“幽灵雨燕”也依稀能够看到一些过去的技术验证机和型号的影子：其机身的双涵道风扇与以色列研制的一个名为“骡子”的无人旋翼机颇为神似，与F-35B也有些类似；而其倾转涵道风扇则在一些倾转旋翼机方案中出现过，如美国陆军于上世纪50年代研制的一个垂直起降飞机VZ-4DA就采用了双涵道风扇倾转的设计方案，而美国动力飞行系统公司（American Dynamics Flight Systems）也曾提出过一个名为AD-150的倾转涵道风扇设计方案，用于竞标美国海军陆战队的“三级垂直起降无人机系统”项目（Tier III VUAS）。
以色列“骡子”无人旋翼机（机身上是2个大尺寸涵道风扇，尾部为2个涵道风扇提供推力）
与西科斯基/洛马小组和波音公司的方案相比，卡雷姆公司的方案则选择了一个相对中规中矩的倾转旋翼构型。方案的机翼翼展很大，并且呈折线形，外侧机翼随旋翼一起倾转。该方案从构型上与NASA正在进行的“大型民用倾转旋翼机”（LCTR）方案惊人地类似。
从技术层面来看，倾转旋翼方案应该能够满足DARPA提出的巡航升阻比要求，但悬停效率方面会相对有所挑战。因此其采用大翼展、大展弦比机翼，并且机翼外段随旋翼倾转，以尽量降低垂直起飞状态时机翼对旋翼下洗流的影响。此外，卡雷姆公司拿手的“优化转速旋翼”技术也将在这一方案上得到应用，该技术最早在A160“蜂鸟”无人直升机上应用，而A160的总设计师正是卡雷姆公司创始人亚伯拉罕·卡雷姆。该技术应能够较好地解决垂直起降/水平前飞两个状态下旋翼转速不同的问题，从而同时具备良好的悬停效率和巡航升阻比。
NASA“大型民用倾转旋翼机”方案
极光公司尽管没有公布其构型方案，但透露了一些构型信息。其方案将采用公司之前的两个无人旋翼机 “圣剑”（Excalibur）和“黄金眼”（Goldeneye）的技术成果。“黄金眼”是一个单涵道风扇式的微型无人旋翼机，极光公司仅有可能使用其涵道风扇技术。而“圣剑”的总体构型最有可能用于X-Plane方案中。该无人机采用了涵道风扇和矢量推力技术，在机翼两端和机身前部各装有一个涵道风扇以提供垂直起降所需的升力，机身中部还装有一个可旋转的喷气发动机，在垂直起降时提供升力。高速前飞时，机翼两端的风扇会收进机翼内部，机头的风扇也将被一个探出的隔板遮盖以减小气动阻力，而发动机向斜下方倾转，提供所需的推力，由于其发动机无法转到水平位置，因此将机翼布置在机身后部以平衡发动机推力的垂直方向分量。“圣剑”采用全电驱动，从而省去了重量高、结构复杂的传动系统。技术上来看，该方案采用了电力驱动，因此省去了动力传输机构，降低了结构复杂度，并且“圣剑”无人机于2009年已成功首飞，技术成熟度较高；但由于桨盘面积小、桨盘载荷较大，其悬停效率将是一个难点，并且由于发动机不能左右倾转，因此其悬停状态的偏航控制难以实现；并且由于其在机身绝大多数位置都布置了风扇、发动机及倾转机构等，任务载荷和载货空间的布置将受到很大限制，很有可能不得不采用外挂的方式实现。
四、项目意义
在直升机领域，DARPA也开展过数个研究项目，如X-Wing高速旋翼机技术验证机、A160无人直升机、X-50A“蜻蜓”高速无人旋翼机项目等，以及NOTAR无尾桨系统、OH-58D信号处理技术，以及计划用于RAH-66“科曼奇”直升机的基于人工神经网络的辅助目标识别系统。但其关注点主要集中在先进子系统技术领域，而这次由DARPA主导新一代高速旋翼机技术的预研，一定程度上意味着美国军方将高速旋翼机的定位从战术装备开始向战略性武器装备转变，认为其将成为未来影响美军整体作战方式、提升作战能力的关键性技术。
高速旋翼机将成为改变美军作战战术方式、保持美国军事优势的重要装备。旋翼机一直是美军装备体系中重要的组成部分，其在美军历次的作战和其他行动中都发挥了重要且不可替代的作用，是美军保持其军事优势的关键装备之一。美国国防科学委员会（DSB）在2013年8月向国防部提交了一份名为《2030年保持优势的技术与创新》的报告，就具有重大潜在影响但目前发展仍不充分的技术，向国防部提出了具体的投资建议。报告认为，目前美军研制的很多结构复杂、费用高昂的武器装备都被对手采用相对廉价的技术所针对，而高速旋翼机技术由于具备较高的性价比，并能够显著提升美军的机动能力、灵活性和保障能力，并一定程度上改变美军作战方式；同时，高速旋翼机由于较低的单机价格，能够形成较大的装备规模，使得其在技术上很难被针对，因而将迫使对手在更大范围内布防，从而对其造成经济上的压力。因此DSB建议国防部为作为目前唯一的高速旋翼机技术预研项目“垂直起降试验飞机”增加投资，对更多的构型方案进行验证，从而为高速旋翼机性能提升提供更充分的技术准备，从而达到通过技术压制和成本施压两个方面保持美国未来的军事优势。
美国高速旋翼机研发体系初步形成，呈现出“生产一代、研制一代、探索一代”的特点。首个采用高速旋翼机技术的军机型号V-22已于2008年开始正式部署并持续生产，现有生产合同就可以持续到2018年；计划替换“黑鹰”、“阿帕奇”等现役直升机型号的高速旋翼机型号研制项目“联合多任务旋翼机”JMR已进入到原型机研制阶段，预计2017年完成首飞，2020年开始生产型研制；在此基础上，DARPA认为以倾转旋翼构型和复合推力构型为代表的现阶段的高速旋翼机技术已基本成熟，应开始为下一代性能更强的高速垂直起降飞行器的研发进行概念探索和技术储备，以应对2030年之后的军事需求，并继续保持其在高速旋翼机领域的超强技术优势，因此启动了VTOL X-Plane项目，以保证未来美国在旋翼机技术领域能够继续处于领先地位。
（航空工业发展研究中心 李昊）
作者简介：
李昊，航空工业发展研究中心青年学者，直升机情报领域研究专家，对直升机装备、技术、作战使用和市场等问题有深入研究和独到见解。
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