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美國已經對下一代垂直起降飛行器產品展開了預研。理由很簡單，就是不滿足于當前的常規(guī)直升機以及V-22“魚鷹”這樣的嫁接產品的速度和各種效能。于是，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）提出將開發(fā)垂直起降“X-飛機”（VTOL X-Plane）項目。那么，所謂的垂直起降X-飛機將會是什么樣的“鷹”？且聽本文道來。 □ 編譯/鄭大壯 直升機在20世紀50～70年代的越戰(zhàn)中大顯身手，此后的幾十年里，美軍所需的空中全方位操控和空中懸停，以及平地著陸等基礎性垂直起飛降落能力主要依靠直升機來提供?？梢哉f，在美國發(fā)動的歷次軍事行動中，直升機都是功不可沒的。盡管美軍裝備的各類直升機的技術水平在不斷提高，卻有一個硬傷無法治愈，那就是使用旋翼的直升機，其飛行速度最高只能達到200節(jié)（370千米/時），很難適應未來更具挑戰(zhàn)性的特種作戰(zhàn)需求。 隨著航空技術的發(fā)展，固定翼垂直起降飛機的出現(xiàn)，雖然在一定程度上彌補了直升機類飛行器的性能缺陷，但其本身仍然存在不小的問題。由于要實現(xiàn)垂直起降，固定翼機的起飛重量只能為發(fā)動機推力的83%至85%，有效載荷的限制影響了飛機的載彈量/載油量。同時，飛機垂直起飛時發(fā)動機工作在最大推力狀態(tài)，耗油量非常大。起飛階段過量的油料消耗，進一步限制了其作戰(zhàn)半徑。比如，著名的英國 “鷂”式戰(zhàn)機（美國引進后賦予其AV-8A的編號，其改進型為AV-8B）載彈量為1360千克、采用垂直起飛時，作戰(zhàn)半徑僅為92千米。為了延長航程，在實際使用中“鷂”式飛機一般會采取短距起飛、垂直降落的方式（Short Take-Off Vertical Landing，STOVL）。而在實戰(zhàn)中，由于“鷂”式/AV-8B經常要部署到未經制備的野戰(zhàn)機場，為防止發(fā)動機吸入異物，往往會使用滑跑垂直降落的方式（RVL）。因此，固定翼垂直起降飛機在場地的適應性上遠不如直升機，再加上不同任務的需求，前者就更不可能完全取代后者。目前，下一代STOVL產品F-35B即將列裝，本文中探討的垂直起降X-飛機，則是直升機的下一代產品。 以當前的航空技術水平，直升機很難在不犧牲航程、氣動效率及有效載荷的前提下提高航速。擁有常規(guī)旋翼的直升機，其理論最大速度約為320千米/時。一些特殊的設計能夠成功創(chuàng)造更高的速度，例如，V-22“魚鷹”傾轉旋翼機的最大速度可達509千米/時。西科斯基飛機公司研發(fā)的增加推進螺旋槳的X-2高速直升機的最大速度為469千米/時。雖然這些機型的速度相對較高，但都是在航空動力學的設計上犧牲了懸停效率及航程。 對下一型“鷹”的基本要求 那么，未來的垂直起降飛機要達到什么要求呢？提升速度是當務之急。速度高的垂直起降飛機，其不僅完成任務所需的時間將縮短，任務成功的概率也可以大幅改觀。同時，高航速可以彌補垂直起降飛機易遭敵方攻擊的弱點。 美國國防部高級研究計劃局推出的新型的垂直起降試驗型機，即垂直起降X-飛機項目，將試圖通過在固定翼機和旋翼機之間采取“異花授粉”的革新方式，來克服傳統(tǒng)直升機速度慢的缺陷，使得垂直起降飛行技術得到根本性提高。航空工業(yè)界的工程師們要集中他們智慧，創(chuàng)造出一種結合了固定翼機和旋翼機雙方優(yōu)點的垂直起降飛行器，力求在未來推動如下4個領域的變革，這也是X-飛機項目要求達到的4項指標： ·比常規(guī)旋翼機速度快，最大速度要達到300～400節(jié)（556～741千米/時） ·懸停效率將從現(xiàn)有的60%提高到75%以上 ·巡航效率高，將巡航飛行時的升阻比從目前的5～6提高到10 ·有效載荷大，占到飛機起飛重量的40% 按照官方說法，該項目計劃的研發(fā)工作將分為三個階段實施，從2013年10月至2018年2月，為期52個月，合同總價值近1.3億美元。美國國防部高級研究局在首階段將斥資4700萬美元用于概念預研；第二階段是為期18個月的研發(fā)及系統(tǒng)整合工作，并進一步增強設計成熟度；第三階段為原型機的飛行測試階段。 2014年3月18日，美國防部高級研究計劃局宣布已經將第一階段的概念預研工作授予了美國極光飛行科學公司（Aurora Flight Sciences）、卡萊姆（Karem）飛機公司、軍工業(yè)巨頭波音公司以及西科斯基飛機公司。到2015年底，這4家公司將分別提交各自的設計方案，之后將由國防部高級研究計劃局審定并最終決定授予哪一家公司研發(fā)合同。2017至2018年間，首架X-飛機項目的原型機將進行地面和空中飛行測試，具體投產和服役時間待定。下面筆者就對這4種設計方案一一進行猜解。  極光飛行科學公司的“閃電打擊” 極光飛行科學公司于1989年成立，總部位于美國弗吉尼亞州的馬納薩斯市，以設計和制造無人機為專長。該公司曾經參與過美國國家航空航天局著名的“環(huán)境研究飛機及傳感器技術”項目（即ERAST項目）以及大名鼎鼎的RQ-4“全球鷹”無人機研發(fā)項目。其設計的最著名產品當屬“黃金眼”系列小型垂直起降無人機。 極光飛行科學公司此次參與垂直起降X-飛機競標的產品被命名為“閃電打擊”（Lightening Strike），詳細內容尚未向外界披露。不過，研究和使用涵道風扇及混合燃料推進技術是這家公司的兩大傳統(tǒng)優(yōu)勢，相信制定的垂直起降X-飛機的設計方案也基本不會背離這個特色。這里我們來簡單了解一下“黃金眼”系列無人機，或許可以從中找尋到新方案的設計源頭。 “黃金眼”系列無人機共有50/80/100三種型號，該系列無人機從外觀上看就像一個大的水桶上長出了四條腿，“水桶”是該機包含發(fā)動機的機體，四條腿就是它的兩對機翼。這種設計的優(yōu)勢在于能夠使得飛行器像直升機一樣垂直起飛或空中懸停，然后用機翼進行穩(wěn)定的水平飛行，并實現(xiàn)垂直降落?！包S金眼”100無人機高1.7米，起飛重量67.5千克，續(xù)航時間4小時，最大航程800千米，最大速度160節(jié)（296千米/時），主要用于執(zhí)行情報監(jiān)視偵察任務。該機采用了涵道風扇式設計，動力系統(tǒng)（即一臺由圓柱體包裹的推進器）為AR741型轉子發(fā)動機，整個機體采用了輕型結構材料，能產生更大的升力，具備氣動效率高、抗風能力強，結構緊湊、安全性高等特點。 其實，這項技術在20世紀80年代已經得到了應用，涵道風扇發(fā)動機非常適合制造各種小型垂直起降無人機，典型的當屬美國聯(lián)合航空公司設計的iSTAR無人機和新加坡的 “扇尾鴿”（Fantail）無人機。2004年，美國防部高級研究計劃局也以“黃金眼”無人機為基礎為陸軍研發(fā)了一款名為OVA-II的新型偵察無人機，并取得了成功。 筆者猜測，“閃電打擊”方案應該借鑒了“黃金眼”的獨到之處，但諸多重要性能指標肯定要高于“黃金眼”，例如翼展、機身長度、飛行速度及綜合指數(shù)等。其次，“閃電打擊”這個方案很可能采用涵道風扇式設計，因為要滿足美國軍方提出的既定要求，在性能上也一定會有大幅度提高。 涵道風扇技術并不復雜，“閃電打擊”肯定會在原有設計上進行改進，這也是涵道風扇式無人機今后發(fā)展的趨勢；此外還要克服平飛速度較小，穩(wěn)定性較差的劣勢，提高控制實現(xiàn)準確度；再次，要改變任務載荷形狀及攜帶方式，保證無人機任務完成質量；最后，通過改變涵道尾部的姿態(tài)控制組件及其結構，進一步提高飛行器的靈活機動性能。 卡萊姆飛機公司的“傾轉旋翼機” 卡萊姆飛機公司也是來頭不小，由以色列人亞伯拉罕·卡萊姆于2000年創(chuàng)立。廣為人知的“捕食者”無人機和A160“蜂鳥”無人機就是由卡萊姆飛機公司設計的。隨后，卡萊姆飛機公司致力于傾轉旋翼機的設計方案。其中，最著名的當屬代號為TR36TD的重型傾轉旋翼機，該機采用了轉速優(yōu)化旋翼技術，即根據(jù)起飛重量、飛行高度和飛行速度的不同，對旋翼的轉速進行調整優(yōu)化，從而提高飛機在整個包線內的飛行性能，最高航速可達370節(jié)（685千米/時）。相比于其他旋翼機，該機具有更快的爬升速度和更為持久的機動能力，適合于在更高海拔進行高空作業(yè)，并且航程更長，維護保養(yǎng)簡單，消耗低。 除此之外，卡萊姆參與的另一個知名項目就是美國聯(lián)合重型垂直起降運輸機計劃（J H L），并提出了“最優(yōu)速度傾轉旋翼方案”，機型代號TR75。TR75在設計上采用了與V-22“魚鷹”相同的傾轉旋翼構型，在性能上非常了得。該機具備更強的運輸能力，有效載荷36噸，最高航速達330節(jié)（611千米/時），計劃燃料效率與最好的固定翼飛機相當。有消息稱，卡萊姆飛機公司在垂直起降X-飛機的設計方案上已經瞄準了能夠達到最佳航速的“傾轉旋翼機”，相信會從TR36TD和TR75兩種方案中汲取它們的精華。  波音公司的“幻影敏捷” 波音公司是世界軍工業(yè)巨頭，除了生產有人駕駛飛機外，在無人機領域的成就也是有目共睹。曾經參加過美國國防高級研究計劃局牽頭實施的“聯(lián)合無人作戰(zhàn)航空系統(tǒng)項目”（J-UCAS）競標的X-45A無人機。雖然后來J-UCAS項目下馬，但X-45A衍生出來“幻影射線”（Phantom Ray），并參與了美海軍新近推出的“無人艦載發(fā)射偵察與打擊項目”（UNCLASS）競標。此外，還有擁有全新三角翼布局設計、通過減少舷窗座位來提高氣動性能和更高燃料使用率的未來飛行器X-48B。 波音公司此次拿來競標X-飛機項目的驗證性產品被命名為“幻影敏捷”（Phantom Swift）。波音也是4家公司當中唯一公布產品實物模型的。作為一款無人航空器，“幻影敏捷”運用了不少新技術。其中，最顯著的特點就是在機身內部安裝了兩臺升力風扇，用于提供垂直起降階段的主升力。飛機在進入巡航狀態(tài)后，兩臺升力風扇將停止工作，其上的機蓋會自動關閉。除此之外，在機翼的兩個翼尖上各安裝有一臺能夠進行180度旋轉的函道風扇，用來提供附加升力和水平飛行時的推力，以及在懸停時控制機身。據(jù)悉，該機的實物模型，是2013年波音公司使用先進的3D打印技術制造的縮尺模型，并已經進行了若干項基礎測試。 波音公司項目組的工程師表示，“幻影敏捷”設計的主要難度在于如何能夠保持出色的懸停效率以及較高的巡航速度。這個項目要力求在不犧牲懸停效率的前提下實現(xiàn)460節(jié)（852千米/時）的最大飛行速度。當然，這種航空器未來也將面臨著諸多技術上的挑戰(zhàn)。 西科斯基的“新概念” 西科斯基公司是美國主要的直升機制造商之一，在業(yè)界知名度很高，最著名的產品就是廣為人知的UH-60“黑鷹”多用途直升機和X-2高速直升機。美國總統(tǒng)使用的直升機“海軍陸戰(zhàn)隊一號”也一直使用西科斯基公司的產品。 為了參加此次競標，西科斯基公司與洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠將實施為期22個月的概念研究和預先設計工作，斥資1440萬美元。他們將聯(lián)合開發(fā)一種低復雜性、將固定翼的航空動力學與先進的旋翼控制技術相結合的新技術。據(jù)悉，新的設計方案將應用一種被稱為“吹氣翼無人旋翼機”（Unmanned Rotor Blown Wing）的“新概念”，目前應該是出于保密考慮尚未有任何資料披露細節(jié)。  有分析人員認為，西科斯基公司此次打造的“新概念”垂直起降飛機似乎與波音公司曾經推出的一款名為“Heliwing”的無人機有著某些相同之處。“Heliwing”無人機采用尾部坐地、機身豎直的立式垂直起降方式（Tail Sitter），起飛并達到一定速度后，機身再轉平進行水平飛行。該無人機翼展為17英尺（5.18米），起飛重量1450磅（658千克）。機翼兩側各安裝一臺功率為240軸馬力（132千瓦）的WTS117型渦輪軸發(fā)動機，驅動直徑為7英尺（2.13米）的螺旋槳為該機提供動力。該機航速可達到180節(jié)（333千米/時），裝載200磅（91千克）有效載荷可飛行約5小時?！癏eliwing”的驗證機于1995年4月實現(xiàn)了首飛，同年6月墜毀，之后該項目被取消。
結語 上面的4種方案都各有特點，美國國防部高級研究計劃局最終會選擇哪一款還需要時間的檢驗。不過，任何一款航空產品都是符合本國實際作戰(zhàn)需求的，X-飛機也不例外。美軍在海外部署上十分注重特種作戰(zhàn)的應用，因此對旋翼機類產品的要求也相對較高。多年來的反恐戰(zhàn)爭證明，優(yōu)秀的旋翼機對于美軍獲得戰(zhàn)場優(yōu)勢而言至關重要。 當前，比較常見的V-22“魚鷹”傾轉旋翼主要用作運輸使用，而MQ-8B“火力偵察兵”無人偵察/攻擊直升機、K-MAX無人運輸直升機等諸多無人直升機也在逐步推廣應用。那么垂直起降X-飛機的作戰(zhàn)應用應該也是以運輸為主，未來也很可能加裝偵察傳感器或武器裝備執(zhí)行偵察/攻擊任務。相信X-飛機會在旋翼技術突破的基礎上，不斷帶給外界新看點。編輯：石堅 |
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