美國“雷擊”垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)

張毅+李昊

2016年3月4日，美國國防部國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）宣布，極光飛行科學(xué)公司（下稱極光公司）的“雷擊”無人機(jī)方案贏得“垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)”（VTOL X-Plane，VXP）項(xiàng)目競標(biāo)，獲得總金額8 944萬美元的第二、三階段研究合同。極光公司將開展原型機(jī)研制和試驗(yàn)工作，預(yù)計(jì)2018年完成首飛。這標(biāo)志著美國更新一代的新概念高速、高效垂直起降飛機(jī)探索項(xiàng)目完成了選型工作，開始進(jìn)入原型機(jī)演示驗(yàn)證階段。

VXP項(xiàng)目概況

“垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)”項(xiàng)目于2013年2月啟動(dòng)，旨在開發(fā)一種新的垂直起降飛行器，使其兼具當(dāng)前常規(guī)直升機(jī)垂直起降能力和懸停性能，以及公務(wù)機(jī)的有效載重水平、飛行速度和升阻比。開發(fā)和設(shè)計(jì)工作涉及新技術(shù)或現(xiàn)有技術(shù)改進(jìn)、子系統(tǒng)、平臺(tái)概念及構(gòu)型等方面。

DARPA在VTOL X-Plane項(xiàng)目中對驗(yàn)證機(jī)性能提出了極高的要求，最主要的性能指標(biāo)包括以下幾個(gè)方面：

*驗(yàn)證機(jī)最大起飛重量在4 500～ 5 400千克之間，技術(shù)可擴(kuò)展應(yīng)用在最大起飛重量1 800～10 800千克之間不同噸位的平臺(tái)上；

*機(jī)動(dòng)性能要求能夠承受-0.5g～ 2.0g過載；

*持續(xù)飛行速度能夠達(dá)到556～741千米/時(shí)；

*懸停效率不低于75%；

*巡航狀態(tài)升阻比不低于10；

*有效載重不低于總重的40%，商載不低于12.5%。

從其提出的性能指標(biāo)來看，飛行速度、懸停效率和巡航升阻比是挑戰(zhàn)性較大的指標(biāo)，而在這些指標(biāo)同時(shí)滿足的條件下能夠達(dá)到其提出的重量指標(biāo)則進(jìn)一步加大了難度，對設(shè)計(jì)、材料、制造等方面都有極高的要求。

飛行速度方面，項(xiàng)目要求達(dá)到556～ 741千米/時(shí)的持續(xù)飛行速度。這一速度已達(dá)到固定翼飛機(jī)的水平，與渦槳飛機(jī)和部分噴氣飛機(jī)相當(dāng)，如C-17和C-130。美軍正在進(jìn)行的高速旋翼機(jī)型號研制項(xiàng)目“聯(lián)合多任務(wù)旋翼機(jī)”（JMR）項(xiàng)目對飛行速度提出的指標(biāo)僅為315～ 556千米/時(shí)；美軍已服役的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的最大前飛速度也僅為582千米/時(shí)。這意味著從飛行速度角度看，該機(jī)已明顯高于當(dāng)前在役和在研的高速旋翼機(jī)技術(shù)水平。

懸停效率方面，“垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)”項(xiàng)目要求懸停效率不低于75%，也遠(yuǎn)高于當(dāng)前旋翼機(jī)（60%）的水平。這意味著旋翼系統(tǒng)的氣動(dòng)性能需要大幅提升，不僅需要采用氣動(dòng)性能更好的翼型，同時(shí)還需要有更為優(yōu)化的槳尖形狀；并且，由于高速特性和懸停性能兩方面的要求，槳葉設(shè)計(jì)還需要兼顧高速和低速兩種不同狀態(tài)的氣動(dòng)性能，進(jìn)一步增加了設(shè)計(jì)難度。

巡航性能方面，“垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)”要求全機(jī)巡航狀態(tài)升阻比達(dá)到10以上，達(dá)到早期的通用飛機(jī)的水平（如塞斯納172通用飛機(jī)的全機(jī)升阻比為11.6）；而目前由于構(gòu)型的固有限制，常規(guī)直升機(jī)的全機(jī)升阻比僅為4～6左右。這意味著該機(jī)很難僅靠旋翼系統(tǒng)提供升力，因此具有固定翼特征的構(gòu)型方案將成為一個(gè)努力的方向；此外，高速巡航狀態(tài)氣動(dòng)減阻問題也是當(dāng)前高速旋翼機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)之一，西科斯基X2和空客直升機(jī)公司（原歐直公司）的X3都遇到了這一問題。

除極光公司外，該項(xiàng)目第一階段還曾有另外三家公司提交了設(shè)計(jì)方案，分別是波音的“幽靈雨燕”、西科斯基飛機(jī)公司的“旋翼下洗機(jī)翼”和卡雷姆飛機(jī)公司的TR36XP“最優(yōu)轉(zhuǎn)速傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”。

西科斯基/洛馬“旋翼下洗機(jī)翼”西科斯基/洛馬小組提交了一個(gè)名為“旋翼下洗機(jī)翼”的無人機(jī)概念。其由左右兩套旋翼系統(tǒng)提供升力從垂直狀態(tài)起飛，在飛行過程中逐漸提高平飛速度，并將機(jī)身轉(zhuǎn)為水平，由機(jī)翼提供升力，而旋翼則充當(dāng)螺旋槳，提供前飛所需拉力。

這一概念與波音公司20世紀(jì)90年代研制的“直升翼”無人旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)十分類似，區(qū)別僅是其將“垂尾”從一個(gè)改為兩個(gè)，布置在兩個(gè)旋翼的正下方?！爸鄙怼痹?995年完成首飛，其設(shè)計(jì)飛行速度為180節(jié)（334千米/時(shí)），飛行高度能夠達(dá)到20 000英尺（6 096米），但其原型機(jī)在一次試飛的減速/下降過程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)失效而墜毀。

與其它幾個(gè)方案相比，該方案在結(jié)構(gòu)上相對簡單，相對容易滿足DARPA對有效載荷的要求，其技術(shù)難點(diǎn)主要集中設(shè)計(jì)方面，尤其是旋翼系統(tǒng)及其控制機(jī)構(gòu)和控制率。然而由于槳盤面積相對較小，懸停效率方面可能會(huì)有些問題，而機(jī)身從垂直狀態(tài)與水平狀態(tài)過渡過程，即起飛/著陸過程的操縱性和穩(wěn)定性也是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

波音“幽靈雨燕”波音公司提交的方案是一個(gè)名為“幽靈雨燕”的無人機(jī)，由波音公司鬼怪工廠設(shè)計(jì)。鬼怪工廠在30天內(nèi)就完成了一個(gè)縮比的原理樣機(jī)設(shè)計(jì)和制造工作，并進(jìn)行了簡單飛行，其中設(shè)計(jì)工作僅用了3天，可見其方案的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度相對不高?！坝撵`雨燕”采用了機(jī)體上2個(gè)大尺寸涵道風(fēng)扇、翼尖2個(gè)可傾轉(zhuǎn)的涵道風(fēng)扇的布局。其中機(jī)體的風(fēng)扇主要用于垂直起降和懸停，翼尖的2個(gè)涵道風(fēng)扇則用于提供操縱力。

該構(gòu)型從結(jié)構(gòu)上看十分簡單，不管是傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇還是機(jī)體上的升力風(fēng)扇對于波音公司來說都不是技術(shù)難點(diǎn)，該機(jī)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于其旋翼尺寸較小，盡管有4個(gè)旋翼系統(tǒng)，但槳盤面積較小、誘導(dǎo)速度過高，恐怕仍會(huì)存在懸停效率較低的問題；此外從目前的構(gòu)型形式來看，其貨倉位置很難選擇，容積和尺寸的限制也很嚴(yán)重，若不對方案進(jìn)行調(diào)整的話，該構(gòu)型的實(shí)用性不高。

與西科斯基公司方案類似，“幽靈雨燕”也依稀能夠看到一些過去的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)和型號的影子，如以色列研制的一個(gè)名為“空中騾子”的無人旋翼機(jī)，美國陸軍于上世紀(jì)50年代研制的垂直起降飛機(jī)VZ-4DA，以及美國動(dòng)力飛行系統(tǒng)公司提出的AD-150概念方案等。

卡雷姆公司TR36XP“最優(yōu)轉(zhuǎn)速傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”與西科斯基/洛馬小組和波音的方案相比，卡雷姆公司的TR36XP方案則選擇了一個(gè)相對中規(guī)中矩的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型。方案的機(jī)翼翼展很大，并且呈折線形，外側(cè)機(jī)翼隨旋翼一起傾轉(zhuǎn)。該方案的構(gòu)型與NASA“大型民用傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”（LCTR）方案類似。

從技術(shù)層面來看，該傾轉(zhuǎn)旋翼方案應(yīng)該能夠滿足VXP的巡航升阻比要求，但懸停效率方面會(huì)相對有所挑戰(zhàn)。因此其采用大翼展、大展弦比機(jī)翼，并且機(jī)翼外段隨旋翼傾轉(zhuǎn)，以盡量降低垂直起飛狀態(tài)時(shí)機(jī)翼對旋翼下洗流的影響。此外，卡雷姆公司拿手的“優(yōu)化轉(zhuǎn)速旋翼”技術(shù)也將在這一方案上得到應(yīng)用，該技術(shù)最早在A160“蜂鳥”無人直升機(jī)上應(yīng)用，而A160的總設(shè)計(jì)師正是卡雷姆公司創(chuàng)始人亞伯拉罕·卡雷姆。該技術(shù)應(yīng)能夠較好地解決垂直起降/水平前飛兩個(gè)狀態(tài)下旋翼轉(zhuǎn)速不同的問題，從而同時(shí)具備良好的懸停效率和巡航升阻比。

“雷擊”方案的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

“雷擊”采用了鴨翼布局、傾轉(zhuǎn)機(jī)翼設(shè)計(jì)，其最大特點(diǎn)是采用分布式混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，另外還采用了相應(yīng)的新穎飛行控制設(shè)計(jì)。

采用混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)“雷擊”將配裝1臺(tái)羅羅公司的AE1107C渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，其起飛功率為4 586千瓦，最大連續(xù)功率4 392千瓦；發(fā)動(dòng)機(jī)通過一臺(tái)減速器來帶動(dòng)3臺(tái)美國霍尼韋爾公司的發(fā)電機(jī)（每臺(tái)功率1 000千瓦），該發(fā)電機(jī)采用了霍尼韋爾公司在美國陸軍“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”（FCS）項(xiàng)目中開發(fā)的技術(shù)，但功率密度較FCS使用的產(chǎn)品更大。

采用電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的目的，是為了避免在機(jī)翼內(nèi)部布置空間占用較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械、液壓動(dòng)力/傳動(dòng)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)重量和復(fù)雜度的目的，同時(shí)也能夠減小機(jī)翼的弦長，提高懸停狀態(tài)的操縱性和抗陣風(fēng)穩(wěn)定性。

分布式電驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇推進(jìn)在“雷擊”上，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力被分配至全機(jī)24個(gè)涵道風(fēng)扇上，其中2個(gè)鴨翼上各安裝3個(gè)，2個(gè)機(jī)翼上各安裝9個(gè)。為容納涵道風(fēng)扇，機(jī)翼被設(shè)計(jì)成兩層結(jié)構(gòu)，因此在巡航模式下，可將“雷擊”視為一架“雙翼機(jī)”；由于涵道風(fēng)扇產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度，下機(jī)翼的上下表面流速差將明顯大于上表面，將是其最主要的升力來源。

涵道風(fēng)扇使用了ThinGap公司提供的無刷電動(dòng)機(jī)，機(jī)翼風(fēng)扇功率為100千瓦，鴨翼風(fēng)扇功率為70千瓦；風(fēng)扇采用恒定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)總距來控制拉力；此外每個(gè)風(fēng)扇所處涵道的上、下表面都可獨(dú)立控制，以實(shí)時(shí)優(yōu)化涵道氣動(dòng)效率和提供矢量推力（僅在垂直平面上）。

采用全新的飛行控制設(shè)計(jì)極光公司將“雷擊”主機(jī)翼的涵道風(fēng)扇的操縱面稱為副翼，鴨翼涵道風(fēng)扇的則稱為升降舵，這意味著該機(jī)的滾轉(zhuǎn)操縱主要通過主機(jī)翼實(shí)現(xiàn)，俯仰操縱通過鴨翼實(shí)現(xiàn)；偏航操縱則通過主機(jī)翼風(fēng)扇推力的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)?！袄讚簟痹蜋C(jī)的飛控系統(tǒng)將在極光公司為其“人馬座”和“獵戶座”無人機(jī)研制的飛控系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)。

機(jī)翼設(shè)計(jì)緩解重心布置問題按照設(shè)計(jì)，機(jī)翼在巡航模式狀態(tài)具有一個(gè)下反角，因此當(dāng)其傾轉(zhuǎn)至垂直起降模式時(shí)，其機(jī)翼向上傾轉(zhuǎn)90°，使機(jī)翼從下反狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍奥訝顟B(tài)。這樣設(shè)計(jì)的原因是，在巡航模式下，機(jī)翼負(fù)責(zé)提供主要的推力，鴨翼主要用于操縱，對推力輸出的貢獻(xiàn)較?。喴淼?個(gè)風(fēng)扇功率僅為70千瓦），因此當(dāng)其轉(zhuǎn)換至垂直起降模式時(shí)，由于鴨翼提供的升力較小，全機(jī)的重心位置將不得不布置在機(jī)身后部靠近主機(jī)翼處，不利于載荷布置，這種前掠機(jī)翼設(shè)計(jì)能夠讓重心位置更靠近機(jī)身中部，為設(shè)計(jì)和使用提供便利。

“雷擊”方案的難點(diǎn)及解決途徑

如前所述，采用分布式混合電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是“雷擊”方案的最大特點(diǎn)。在固定翼飛機(jī)領(lǐng)域，美國航空航天局（NASA）和歐洲空客公司等都已在開展分布式混合電驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究，且也是通過電驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力?！袄讚簟狈桨傅膮⑴c者之一羅羅公司即參加了空客公司的相關(guān)研究項(xiàng)目，負(fù)責(zé)推進(jìn)系統(tǒng)研究。因此，隨著NASA和空客、羅羅等公司技術(shù)研發(fā)的推進(jìn)，“雷擊”項(xiàng)目或可從中吸取很多成果，為順利完成飛行演示驗(yàn)證提供保障。但是，根據(jù)極光公司目前公布的設(shè)計(jì)方案，“雷擊”方案仍存在明顯的技術(shù)難點(diǎn)，主要是以下幾個(gè)方面。

一是飛行控制?！袄讚簟比珯C(jī)布置24個(gè)風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇的總距角和上、下涵道面都可獨(dú)立控制，加上機(jī)翼的傾轉(zhuǎn)角，全機(jī)至少有70多個(gè)操縱量，且還涉及到涵道氣動(dòng)效率優(yōu)化、多個(gè)風(fēng)扇的能量分配等問題，其控制律將非常復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性可能也會(huì)受影響。目前極光公司計(jì)劃先將其簡化成若干個(gè)風(fēng)扇聯(lián)動(dòng)操縱的方式開展試驗(yàn)，預(yù)計(jì)未來技術(shù)成熟后才會(huì)改進(jìn)成為全部獨(dú)立控制的模式。

二是能量效率。由于采用了混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，能量從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，經(jīng)過電能和機(jī)械能兩次轉(zhuǎn)換，必然會(huì)有一定的損失，目前技術(shù)水平下，該損失約為27%。這一定程度上將抵消其氣動(dòng)性能上的優(yōu)勢，對全機(jī)的航程、續(xù)航時(shí)間等飛行性能造成不利影響。根據(jù)NASA的判斷，隨著未來電動(dòng)機(jī)技術(shù)的提高，這一損失將降低到8%左右，與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)大致相當(dāng)，從而滿足未來的需求。

三是重量特性。目前限制電驅(qū)動(dòng)在航空器上應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵就是電動(dòng)機(jī)功率密度過低，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)重量較大，從而影響飛行器的有效載荷能力，該問題也是影響所有電驅(qū)動(dòng)飛行器發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸之一。目前來看，高溫超導(dǎo)電機(jī)預(yù)計(jì)將是解決這一問題的有效途徑，但以VXP項(xiàng)目的時(shí)間安排來看，“雷擊”很難來得及等到高溫超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)成熟。

項(xiàng)目意義

戰(zhàn)術(shù)意義方面，DARPA通常不會(huì)發(fā)展有明確的作戰(zhàn)需求的技術(shù)（這些技術(shù)通常由有需求的軍種來牽頭開發(fā)），VXP項(xiàng)目最主要的目的也是探索能夠用于提升垂直起降飛行器性能的一系列技術(shù)，這些技術(shù)未來可能會(huì)被拆分，并用在不同的平臺(tái)上。筆者認(rèn)為，“雷擊”方案為美軍帶來的最重要的技術(shù)儲(chǔ)備將是能夠用于小型飛行器的分布式電推進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)廣泛適用于美軍中小型飛行器平臺(tái)，特別是直升機(jī)機(jī)隊(duì)，這將大大簡化這些飛機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而減少由于機(jī)械故障導(dǎo)致的事故，以及機(jī)械部件維護(hù)帶來的人力、物力成本；此外，由于取消了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，該技術(shù)可有效降低全機(jī)振動(dòng)和噪聲水平，提高平臺(tái)的聲隱身性能，而這也將幫助美軍獲得一定的戰(zhàn)場優(yōu)勢，特別是在特種作戰(zhàn)方面。

戰(zhàn)略意義方面，美國國防科學(xué)委員會(huì)（DSB）將高速垂直起降飛行器視為改變美軍作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)方式、保持美國軍事優(yōu)勢的重要裝備。美國國防科學(xué)委員會(huì)在2013年8月向國防部提交了一份名為《2030年保持優(yōu)勢的技術(shù)與創(chuàng)新》的報(bào)告，就具有重大潛在影響但目前發(fā)展仍不充分的技術(shù)，向國防部提出了具體的投資建議。報(bào)告認(rèn)為，目前美軍研制的很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費(fèi)用高昂的武器裝備都被對手采用相對廉價(jià)的技術(shù)所針對，而高速旋翼機(jī)能顯著提升美軍的機(jī)動(dòng)能力、靈活性和保障能力，并一定程度上改變美軍作戰(zhàn)方式；同時(shí)，高速旋翼機(jī)由于較低的單機(jī)價(jià)格，能夠形成較大的裝備規(guī)模，使得其在技術(shù)上很難被針對，因而將迫使對手在更大范圍內(nèi)布防，從而對其造成經(jīng)濟(jì)上的壓力。因此DSB建議國防部為目前唯一的高速旋翼機(jī)技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目“垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)”增加投資，對更多的構(gòu)型方案進(jìn)行驗(yàn)證，通過技術(shù)壓制和成本施壓來保持美國的軍事優(yōu)勢。

幾點(diǎn)看法

目前美軍的旋翼機(jī)形成了以V-22、JMR和VXP為代表的階梯狀發(fā)展態(tài)勢。美國首個(gè)高速旋翼機(jī)型號V-22于2008年開始正式部署，截至2015年共裝備了265架，此外還有163架左右的采購訂單。同時(shí)，美國陸軍實(shí)施的面向未來高速旋翼機(jī)型號的“聯(lián)合多任務(wù)旋翼機(jī)”（JMR）技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目也進(jìn)入原型機(jī)研制競標(biāo)階段。DARPA也同時(shí)開展了VXP項(xiàng)目，為研發(fā)下一代性能更好的垂直起降高速飛行器進(jìn)行概念探索和技術(shù)儲(chǔ)備，以應(yīng)對2030年之后的軍事需求?？梢?，高速已成為美軍的旋翼機(jī)技術(shù)發(fā)展最核心的目標(biāo)之一，并引領(lǐng)世界軍用旋翼機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。

目前，以電能為核心的分布式推進(jìn)技術(shù)成為航空技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，該技術(shù)能大大簡化機(jī)體內(nèi)部的傳動(dòng)、操縱等結(jié)構(gòu)，為構(gòu)型設(shè)計(jì)提供更大的靈活性，并提高氣動(dòng)效率和經(jīng)濟(jì)性。目前美國和歐洲都在開展該技術(shù)在大型民機(jī)上的應(yīng)用研究。而VXP項(xiàng)目這次選擇混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)的“雷擊”方案，將加速現(xiàn)有研究成果向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，從而為美軍未來的旋翼機(jī)、無人機(jī)等中小型飛行器的性能提升提供更多技術(shù)途徑，同時(shí)也能夠?yàn)槠湓诿裼每蜋C(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)/轟炸機(jī)等中大型飛機(jī)上的應(yīng)用提供部分技術(shù)儲(chǔ)備。