下一代是什么“鷹”？

鄭大壯

直升機(jī)在20世紀(jì)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(chǔ)性垂直起飛降落能力主要依靠直升機(jī)來(lái)提供。可以說(shuō)，在美國(guó)發(fā)動(dòng)的歷次軍事行動(dòng)中，直升機(jī)都是功不可沒(méi)的。盡管美軍裝備的各類直升機(jī)的技術(shù)水平在不斷提高，卻有一個(gè)硬傷無(wú)法治愈，那就是使用旋翼的直升機(jī)，其飛行速度最高只能達(dá)到200節(jié)（370千米/時(shí)），很難適應(yīng)未來(lái)更具挑戰(zhàn)性的特種作戰(zhàn)需求。

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，固定翼垂直起降飛機(jī)的出現(xiàn)，雖然在一定程度上彌補(bǔ)了直升機(jī)類飛行器的性能缺陷，但其本身仍然存在不小的問(wèn)題。由于要實(shí)現(xiàn)垂直起降，固定翼機(jī)的起飛重量只能為發(fā)動(dòng)機(jī)推力的83%至85%，有效載荷的限制影響了飛機(jī)的載彈量/載油量。同時(shí)，飛機(jī)垂直起飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大推力狀態(tài)，耗油量非常大。起飛階段過(guò)量的油料消耗，進(jìn)一步限制了其作戰(zhàn)半徑。比如，著名的英國(guó) “鷂”式戰(zhàn)機(jī)（美國(guó)引進(jìn)后賦予其AV-8A的編號(hào)，其改進(jìn)型為AV-8B）載彈量為1360千克、采用垂直起飛時(shí)，作戰(zhàn)半徑僅為92千米。為了延長(zhǎng)航程，在實(shí)際使用中“鷂”式飛機(jī)一般會(huì)采取短距起飛、垂直降落的方式（Short Take-Off Vertical Landing，STOVL）。而在實(shí)戰(zhàn)中，由于“鷂”式/AV-8B經(jīng)常要部署到未經(jīng)制備的野戰(zhàn)機(jī)場(chǎng)，為防止發(fā)動(dòng)機(jī)吸入異物，往往會(huì)使用滑跑垂直降落的方式（RVL）。因此，固定翼垂直起降飛機(jī)在場(chǎng)地的適應(yīng)性上遠(yuǎn)不如直升機(jī)，再加上不同任務(wù)的需求，前者就更不可能完全取代后者。目前，下一代STOVL產(chǎn)品F-35B即將列裝，本文中探討的垂直起降X-飛機(jī)，則是直升機(jī)的下一代產(chǎn)品。

以當(dāng)前的航空技術(shù)水平，直升機(jī)很難在不犧牲航程、氣動(dòng)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(jī)，其理論最大速度約為320千米/時(shí)。一些特殊的設(shè)計(jì)能夠成功創(chuàng)造更高的速度，例如，V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的最大速度可達(dá)509千米/時(shí)。西科斯基飛機(jī)公司研發(fā)的增加推進(jìn)螺旋槳的X-2高速直升機(jī)的最大速度為469千米/時(shí)。雖然這些機(jī)型的速度相對(duì)較高，但都是在航空動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)上犧牲了懸停效率及航程。

對(duì)下一型“鷹”的基本要求

那么，未來(lái)的垂直起降飛機(jī)要達(dá)到什么要求呢？提升速度是當(dāng)務(wù)之急。速度高的垂直起降飛機(jī)，其不僅完成任務(wù)所需的時(shí)間將縮短，任務(wù)成功的概率也可以大幅改觀。同時(shí)，高航速可以彌補(bǔ)垂直起降飛機(jī)易遭敵方攻擊的弱點(diǎn)。

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局推出的新型的垂直起降試驗(yàn)型機(jī)，即垂直起降X-飛機(jī)項(xiàng)目，將試圖通過(guò)在固定翼機(jī)和旋翼機(jī)之間采取“異花授粉”的革新方式，來(lái)克服傳統(tǒng)直升機(jī)速度慢的缺陷，使得垂直起降飛行技術(shù)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(jié)合了固定翼機(jī)和旋翼機(jī)雙方優(yōu)點(diǎn)的垂直起降飛行器，力求在未來(lái)推動(dòng)如下4個(gè)領(lǐng)域的變革，這也是X-飛機(jī)項(xiàng)目要求達(dá)到的4項(xiàng)指標(biāo)：

·比常規(guī)旋翼機(jī)速度快，最大速度要達(dá)到300～400節(jié)（556～741千米/時(shí)）

·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(shí)的升阻比從目前的5～6提高到10

·有效載荷大，占到飛機(jī)起飛重量的40%

按照官方說(shuō)法，該項(xiàng)目計(jì)劃的研發(fā)工作將分為三個(gè)階段實(shí)施，從2013年10月至2018年2月，為期52個(gè)月，合同總價(jià)值近1.3億美元。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究局在首階段將斥資4700萬(wàn)美元用于概念預(yù)研；第二階段是為期18個(gè)月的研發(fā)及系統(tǒng)整合工作，并進(jìn)一步增強(qiáng)設(shè)計(jì)成熟度；第三階段為原型機(jī)的飛行測(cè)試階段。

2014年3月18日，美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局宣布已經(jīng)將第一階段的概念預(yù)研工作授予了美國(guó)極光飛行科學(xué)公司（Aurora Flight Sciences）、卡萊姆（Karem）飛機(jī)公司、軍工業(yè)巨頭波音公司以及西科斯基飛機(jī)公司。到2015年底，這4家公司將分別提交各自的設(shè)計(jì)方案，之后將由國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)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(jī)項(xiàng)目的原型機(jī)將進(jìn)行地面和空中飛行測(cè)試，具體投產(chǎn)和服役時(shí)間待定。下面筆者就對(duì)這4種設(shè)計(jì)方案一一進(jìn)行猜解。

極光飛行科學(xué)公司的“閃電打擊”

極光飛行科學(xué)公司于1989年成立，總部位于美國(guó)弗吉尼亞州的馬納薩斯市，以設(shè)計(jì)和制造無(wú)人機(jī)為專長(zhǎng)。該公司曾經(jīng)參與過(guò)美國(guó)國(guó)家航空航天局著名的“環(huán)境研究飛機(jī)及傳感器技術(shù)”項(xiàng)目（即ERAST項(xiàng)目）以及大名鼎鼎的RQ-4“全球鷹”無(wú)人機(jī)研發(fā)項(xiàng)目。其設(shè)計(jì)的最著名產(chǎn)品當(dāng)屬“黃金眼”系列小型垂直起降無(wú)人機(jī)。

極光飛行科學(xué)公司此次參與垂直起降X-飛機(jī)競(jìng)標(biāo)的產(chǎn)品被命名為“閃電打擊”（Lightening Strike），詳細(xì)內(nèi)容尚未向外界披露。不過(guò)，研究和使用涵道風(fēng)扇及混合燃料推進(jìn)技術(shù)是這家公司的兩大傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，相信制定的垂直起降X-飛機(jī)的設(shè)計(jì)方案也基本不會(huì)背離這個(gè)特色。這里我們來(lái)簡(jiǎn)單了解一下“黃金眼”系列無(wú)人機(jī)，或許可以從中找尋到新方案的設(shè)計(jì)源頭。

“黃金眼”系列無(wú)人機(jī)共有50/80/100三種型號(hào)，該系列無(wú)人機(jī)從外觀上看就像一個(gè)大的水桶上長(zhǎng)出了四條腿，“水桶”是該機(jī)包含發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體，四條腿就是它的兩對(duì)機(jī)翼。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于能夠使得飛行器像直升機(jī)一樣垂直起飛或空中懸停，然后用機(jī)翼進(jìn)行穩(wěn)定的水平飛行，并實(shí)現(xiàn)垂直降落?！包S金眼”100無(wú)人機(jī)高1.7米，起飛重量67.5千克，續(xù)航時(shí)間4小時(shí)，最大航程800千米，最大速度160節(jié)（296千米/時(shí)），主要用于執(zhí)行情報(bào)監(jiān)視偵察任務(wù)。該機(jī)采用了涵道風(fēng)扇式設(shè)計(jì)，動(dòng)力系統(tǒng)（即一臺(tái)由圓柱體包裹的推進(jìn)器）為AR741型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，整個(gè)機(jī)體采用了輕型結(jié)構(gòu)材料，能產(chǎn)生更大的升力，具備氣動(dòng)效率高、抗風(fēng)能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊、安全性高等特點(diǎn)。

其實(shí)，這項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)80年代已經(jīng)得到了應(yīng)用，涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)非常適合制造各種小型垂直起降無(wú)人機(jī)，典型的當(dāng)屬美國(guó)聯(lián)合航空公司設(shè)計(jì)的iSTAR無(wú)人機(jī)和新加坡的 “扇尾鴿”（Fantail）無(wú)人機(jī)。2004年，美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局也以“黃金眼”無(wú)人機(jī)為基礎(chǔ)為陸軍研發(fā)了一款名為OVA-II的新型偵察無(wú)人機(jī)，并取得了成功。endprint

筆者猜測(cè)，“閃電打擊”方案應(yīng)該借鑒了“黃金眼”的獨(dú)到之處，但諸多重要性能指標(biāo)肯定要高于“黃金眼”，例如翼展、機(jī)身長(zhǎng)度、飛行速度及綜合指數(shù)等。其次，“閃電打擊”這個(gè)方案很可能采用涵道風(fēng)扇式設(shè)計(jì)，因?yàn)橐獫M足美國(guó)軍方提出的既定要求，在性能上也一定會(huì)有大幅度提高。

涵道風(fēng)扇技術(shù)并不復(fù)雜，“閃電打擊”肯定會(huì)在原有設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，這也是涵道風(fēng)扇式無(wú)人機(jī)今后發(fā)展的趨勢(shì)；此外還要克服平飛速度較小，穩(wěn)定性較差的劣勢(shì)，提高控制實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度；再次，要改變?nèi)蝿?wù)載荷形狀及攜帶方式，保證無(wú)人機(jī)任務(wù)完成質(zhì)量；最后，通過(guò)改變涵道尾部的姿態(tài)控制組件及其結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高飛行器的靈活機(jī)動(dòng)性能。

卡萊姆飛機(jī)公司的“傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”

卡萊姆飛機(jī)公司也是來(lái)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(wú)人機(jī)和A160“蜂鳥(niǎo)”無(wú)人機(jī)就是由卡萊姆飛機(jī)公司設(shè)計(jì)的。隨后，卡萊姆飛機(jī)公司致力于傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)方案。其中，最著名的當(dāng)屬代號(hào)為TR36TD的重型傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，該機(jī)采用了轉(zhuǎn)速優(yōu)化旋翼技術(shù)，即根據(jù)起飛重量、飛行高度和飛行速度的不同，對(duì)旋翼的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，從而提高飛機(jī)在整個(gè)包線內(nèi)的飛行性能，最高航速可達(dá)370節(jié)（685千米/時(shí)）。相比于其他旋翼機(jī)，該機(jī)具有更快的爬升速度和更為持久的機(jī)動(dòng)能力，適合于在更高海拔進(jìn)行高空作業(yè)，并且航程更長(zhǎng)，維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，消耗低。

除此之外，卡萊姆參與的另一個(gè)知名項(xiàng)目就是美國(guó)聯(lián)合重型垂直起降運(yùn)輸機(jī)計(jì)劃（JHL），并提出了“最優(yōu)速度傾轉(zhuǎn)旋翼方案”，機(jī)型代號(hào)TR75。TR75在設(shè)計(jì)上采用了與V-22“魚鷹”相同的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型，在性能上非常了得。該機(jī)具備更強(qiáng)的運(yùn)輸能力，有效載荷36噸，最高航速達(dá)330節(jié)（611千米/時(shí)），計(jì)劃燃料效率與最好的固定翼飛機(jī)相當(dāng)。有消息稱，卡萊姆飛機(jī)公司在垂直起降X-飛機(jī)的設(shè)計(jì)方案上已經(jīng)瞄準(zhǔn)了能夠達(dá)到最佳航速的“傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”，相信會(huì)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(chǎn)有人駕駛飛機(jī)外，在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的成就也是有目共睹。曾經(jīng)參加過(guò)美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局牽頭實(shí)施的“聯(lián)合無(wú)人作戰(zhàn)航空系統(tǒng)項(xiàng)目”（J-UCAS）競(jìng)標(biāo)的X-45A無(wú)人機(jī)。雖然后來(lái)J-UCAS項(xiàng)目下馬，但X-45A衍生出來(lái)“幻影射線”（Phantom Ray），并參與了美海軍新近推出的“無(wú)人艦載發(fā)射偵察與打擊項(xiàng)目”（UNCLASS）競(jìng)標(biāo)。此外，還有擁有全新三角翼布局設(shè)計(jì)、通過(guò)減少舷窗座位來(lái)提高氣動(dòng)性能和更高燃料使用率的未來(lái)飛行器X-48B。

波音公司此次拿來(lái)競(jìng)標(biāo)X-飛機(jī)項(xiàng)目的驗(yàn)證性產(chǎn)品被命名為“幻影敏捷”（Phantom Swift）。波音也是4家公司當(dāng)中唯一公布產(chǎn)品實(shí)物模型的。作為一款無(wú)人航空器，“幻影敏捷”運(yùn)用了不少新技術(shù)。其中，最顯著的特點(diǎn)就是在機(jī)身內(nèi)部安裝了兩臺(tái)升力風(fēng)扇，用于提供垂直起降階段的主升力。飛機(jī)在進(jìn)入巡航狀態(tài)后，兩臺(tái)升力風(fēng)扇將停止工作，其上的機(jī)蓋會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。除此之外，在機(jī)翼的兩個(gè)翼尖上各安裝有一臺(tái)能夠進(jìn)行180度旋轉(zhuǎn)的函道風(fēng)扇，用來(lái)提供附加升力和水平飛行時(shí)的推力，以及在懸停時(shí)控制機(jī)身。據(jù)悉，該機(jī)的實(shí)物模型，是2013年波音公司使用先進(jìn)的3D打印技術(shù)制造的縮尺模型，并已經(jīng)進(jìn)行了若干項(xiàng)基礎(chǔ)測(cè)試。

波音公司項(xiàng)目組的工程師表示，“幻影敏捷”設(shè)計(jì)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(gè)項(xiàng)目要力求在不犧牲懸停效率的前提下實(shí)現(xiàn)460節(jié)（852千米/時(shí)）的最大飛行速度。當(dāng)然，這種航空器未來(lái)也將面臨著諸多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

西科斯基的“新概念”

西科斯基公司是美國(guó)主要的直升機(jī)制造商之一，在業(yè)界知名度很高，最著名的產(chǎn)品就是廣為人知的UH-60“黑鷹”多用途直升機(jī)和X-2高速直升機(jī)。美國(guó)總統(tǒng)使用的直升機(jī)“海軍陸戰(zhàn)隊(duì)一號(hào)”也一直使用西科斯基公司的產(chǎn)品。

為了參加此次競(jìng)標(biāo)，西科斯基公司與洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠將實(shí)施為期22個(gè)月的概念研究和預(yù)先設(shè)計(jì)工作，斥資1440萬(wàn)美元。他們將聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種低復(fù)雜性、將固定翼的航空動(dòng)力學(xué)與先進(jìn)的旋翼控制技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)。據(jù)悉，新的設(shè)計(jì)方案將應(yīng)用一種被稱為“吹氣翼無(wú)人旋翼機(jī)”（Unmanned Rotor Blown Wing）的“新概念”，目前應(yīng)該是出于保密考慮尚未有任何資料披露細(xì)節(jié)。

有分析人員認(rèn)為，西科斯基公司此次打造的“新概念”垂直起降飛機(jī)似乎與波音公司曾經(jīng)推出的一款名為“Heliwing”的無(wú)人機(jī)有著某些相同之處?！癏eliwing”無(wú)人機(jī)采用尾部坐地、機(jī)身豎直的立式垂直起降方式（Tail Sitter），起飛并達(dá)到一定速度后，機(jī)身再轉(zhuǎn)平進(jìn)行水平飛行。該無(wú)人機(jī)翼展為17英尺（5.18米），起飛重量1450磅（658千克）。機(jī)翼兩側(cè)各安裝一臺(tái)功率為240軸馬力（132千瓦）的WTS117型渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)直徑為7英尺（2.13米）的螺旋槳為該機(jī)提供動(dòng)力。該機(jī)航速可達(dá)到180節(jié)（333千米/時(shí)），裝載200磅（91千克）有效載荷可飛行約5小時(shí)?！癏eliwing”的驗(yàn)證機(jī)于1995年4月實(shí)現(xiàn)了首飛，同年6月墜毀，之后該項(xiàng)目被取消。

結(jié)語(yǔ)

上面的4種方案都各有特點(diǎn)，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局最終會(huì)選擇哪一款還需要時(shí)間的檢驗(yàn)。不過(guò)，任何一款航空產(chǎn)品都是符合本國(guó)實(shí)際作戰(zhàn)需求的，X-飛機(jī)也不例外。美軍在海外部署上十分注重特種作戰(zhàn)的應(yīng)用，因此對(duì)旋翼機(jī)類產(chǎn)品的要求也相對(duì)較高。多年來(lái)的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)證明，優(yōu)秀的旋翼機(jī)對(duì)于美軍獲得戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)而言至關(guān)重要。

當(dāng)前，比較常見(jiàn)的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼主要用作運(yùn)輸使用，而MQ-8B“火力偵察兵”無(wú)人偵察/攻擊直升機(jī)、K-MAX無(wú)人運(yùn)輸直升機(jī)等諸多無(wú)人直升機(jī)也在逐步推廣應(yīng)用。那么垂直起降X-飛機(jī)的作戰(zhàn)應(yīng)用應(yīng)該也是以運(yùn)輸為主，未來(lái)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(wù)。相信X-飛機(jī)會(huì)在旋翼技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，不斷帶給外界新看點(diǎn)。endprint