李昊 ¦ 美国防高级研究计划局“垂直起降试验飞机”项目获胜方案：“雷击”无人机分析

2016年4月18日，美国极光飞行科学公司（下称极光公司）宣布，在美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）“垂直起降试验飞机”（VTOL X-Plane，VXP）项目下发展的“雷击”（LightningStrike）无人机缩比飞行器演示验证机成功完成首飞。该缩比验证机重约325磅（147千克），尺寸相当于全尺寸演示验证机的20%。该机的机翼和鸭翼采用碳纤维和塑料制成的混合结构，其中塑料制件采用熔融沉积法增材制造。《空天防务观察》曾在3月7日报道“美极光公司的‘雷击’方案赢得美国防高级研究计划局‘垂直起降试验飞机’项目竞标”（点击题名可直接访问），现在，中国航空工业发展研究中心的相关领域情报专家李昊先生将为我们对“雷击”方案进行详细分析。

2016年4月18日，极光公司宣布“雷击”无人机缩比飞行器演示验证机完成首飞（极光公司图片）

2016年3月4日，DARPA宣布极光公司的“雷击”无人机方案赢得VXP项目竞标，获得总金额8944,4166美元（注释：在这里，我们对大的数字采用每4位以逗号加以分隔的方式，而不是英语中常用的每3位加以分隔，原因是这样更符合国人的计数习惯，对于大的数字采用这种分隔方式，国人能够更快地读出）的第二、三阶段研究合同。极光公司将按照合同开展原型机研制和试验工作，预计2018年完成首飞。这标志着美国更新一代的新概念高速、高效垂直起降飞机探索项目完成了选型，开始进入原型机演示验证阶段。

一、“垂直起降试验飞机”项目概况

VXP项目的目标是开发并演示一种性能更好的垂直起降飞行器，其主要技术指标包括：持续飞行速度达到556~741千米/时；悬停效率不低于75%；巡航状态升阻比不低于10；有用载重（燃油和有效载荷）不低于总重的40%，有效载荷不低于总重的12.5%；能够承受-0.5g~2.0g的机动过载；验证机的最大起飞重量在4500~5400千克之间，其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。

除极光公司外，该项目第一阶段还曾有另外三家公司参加，它们及其方案分别是：波音公司的“幽灵雨燕”、西科斯基飞机公司的“旋翼下洗机翼”和卡雷姆飞机公司的TR36XP“最优转速倾转旋翼机”。

二、“雷击”方案的主要设计特点

“雷击”采用了鸭翼布局、倾转机翼设计，其最大特点是采用分布式混合动力电驱动系统，另外还采用了相应的新颖飞行控制设计。

1．采用混合动力电驱动设计

“雷击”将配装1台罗罗公司的AE1107C涡轴发动机，其起飞功率为4586千瓦，最大连续功率4392千瓦；发动机通过一台减速器来带动3台美国霍尼韦尔公司的发电机（每台功率1000千瓦），该发电机采用了霍尼韦尔公司在美国陆军“未来战斗系统”（FCS）项目中开发的技术，但功率密度较FCS使用的产品更大。

采用电驱动设计的目的，是为了避免在机翼内部布置空间占用较大、结构复杂的机械、液压动力/传动系统，从而实现降低结构重量和复杂度目的，同时也能够减小机翼的弦长，提高悬停状态的操纵性和突风稳定性。

2．采用分布式电驱动涵道风扇推进

在“雷击”上，发电机产生的电力被分配至全机24个涵道风扇上，其中2个鸭翼上各安装3个，2个机翼上则各安装9个。为容纳涵道风扇，机翼实际有两层，因此在巡航模式下，可将“雷击”视为一架“双翼机”；由于涵道风扇产生的诱导速度，下机翼的上下表面流速差将明显大于上表面，从而成为主要的升力来源。

涵道风扇使用了ThinGap公司提供的无刷电动机，机翼风扇功率为100千瓦，鸭翼风扇功率为70千瓦；风扇采用恒定转速设计，通过调节总距来控制拉力；此外每个风扇所处涵道的上、下表面都可独立控制，以实时优化涵道气动效率和提供矢量推力（仅在垂直平面上）。

“雷击”方案巡航模式概念图（极光公司图片）

3．采用新颖的飞行控制设计

“雷击”原型机的飞控系统将在极光公司为其“人马座”和“猎户座”无人机研制的飞控系统基础上开发。极光公司将该机机翼涵道风扇的操纵面称为副翼，鸭翼涵道风扇的则称为升降舵，这意味着该机的滚转操纵主要通过机翼实现，俯仰操纵通过鸭翼实现；偏航操纵将通过机翼风扇推力差动实现。

按照设计，机翼在巡航模式具有一个下反角，因此当其倾转至垂直起降模式时，其机翼向上倾转90°，使机翼从下反状态转变为前掠状态。这是因为在巡航模式下，机翼负责提供主要的推力，鸭翼主要承担操纵职责而推力输出较小，因此当其转换至垂直起降模式时，由于鸭翼提供的升力较小，全机的重心位置将被迫后移，不利于载荷布置，这种前掠机翼设计能够让重心位置更靠近机身中部，为设计和使用提供便利。

“雷击”方案垂直起降模式概念图（极光公司图片）

三、“雷击”方案的主要技术难点及解决途径分析

如前所述，采用分布式混合电驱动系统是“雷击”方案的最大特点。在固定翼飞机领域，美国航空航天局（NASA）和欧洲空客公司等都已在开展分布式混合电驱动技术研究，且也是通过电驱动风扇产生推力。“雷击”方案的参与者之一罗罗公司即参加了空客公司的相关研究项目，负责推进系统研究。因此，随着NASA和空客、罗罗等公司技术研发的推进，“雷击”项目或可从中吸取很多成果，为顺利完成飞行演示验证提供保障。但是，根据极光公司目前公布的设计方案，“雷击”方案仍存在明显的技术难点，主要是以下几个方面。

一是飞行控制。“雷击”全机布置24个风扇，每个风扇的总距角和上、下涵道面都可独立控制，加上机翼的倾转角，全机至少有70多个操纵量，且还涉及到涵道气动效率优化、多个风扇的能量分配等问题，其控制律将非常复杂，系统可靠性可能也会受影响。目前极光公司计划先将其简化成若干个风扇联动操纵的方式开展试验，预计未来技术成熟后才会改进成为全部独立控制的模式。

2016年4月18日，极光公司宣布“雷击”无人机缩比飞行器演示验证机完成首飞。此图为垂直起降模式，可以看出缩比飞行器演示验证机的涵道风扇数量与全尺寸演示验证机是一样的，即每个鸭翼3个，每侧机翼9个，一共24个（极光公司图片）

二是能量效率。由于采用了混合动力电驱动设计，能量从发动机输出，经过电能和机械能两次转换，必然会有一定的损失，目前技术水平下，该损失约为27%。这一定程度上将抵消其气动性能上的优势，对全机的航程、续航时间等飞行性能造成不利影响。根据NASA的判断，随着未来电动机技术的提高，这一损失将降低到8%左右，与机械传动系统大致相当，从而满足未来的需求。

三是重量特性。目前限制电驱动在航空器上应用的一个关键就是电动机功率密度过低，导致电动机重量需求较大，从而影响飞行器的有效载荷能力，该问题也是影响所有电驱动飞行器发展的主要技术瓶颈之一。目前看，高温超导电机可能是解决这一问题的有效途径，但以VXP项目的时间安排来看，“雷击”方案还不可能来得及采用高温超导电机。

四、几点看法

美军已形成以高速为核心的旋翼机技术发展态势。目前美军的旋翼机技术发展形成了以高速为核心，V-22、JMR和VXP为代表的阶梯状发展态势。美国首个高速旋翼机型号V-22已于2008年正式部署，截至2015年共列装265架，另有163架左右待交付。同时，美国陆军正实施面向未来高速旋翼机型号的“联合多任务旋翼机”（JMR）技术演示验证项目，已进入原型机研制竞标阶段。DARPA则开展了VXP项目，为研发下一代性能更好的垂直起降高速飞行器进行概念探索和技术储备，以应对2030年之后的军事需求。由此可见，美军旋翼机技术发展的核心目标之一是高速，并形成了系统的、阶梯状的发展态势，将进一步巩固美国旋翼机技术领先地位，引领世界军用旋翼机技术发展。

“垂直起降试验飞机”项目将推动电驱动技术在中小型飞行器上的应用。目前，以电能为核心的分布式推进技术成为航空技术领域的一个发展热点，该技术能够简化机体内部的传动、操纵等结构，为构型设计提供更大的灵活性，并提高气动效率和经济性。美、欧都在开展该技术在大型民机上的应用研究，而VXP项目选择混合动力电驱动的“雷击”方案，将加速现有研究成果向工程应用转化，推动适用于中小型机的电驱动技术成熟和应用，为美军未来的旋翼机、无人机等中小型飞行器的性能提升提供更多技术途径，同时也能够为其在民用客机、大型运输机/轰炸机等中大型飞机上的应用提供部分技术储备。

李昊先生此前曾为《空天防务观察》撰写3篇专栏文章，如下表：

序号	篇名	发表日期 （2015）
1		9月7日
2		9月14日
3		9月21日

有兴趣的读者，可点击相关文章的“篇名”阅读原文。

（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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