承襲與創(chuàng)新――V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機

溫杰

2017年12月18日，得克薩斯州阿馬里洛市，貝爾直升機公司研制的V-280“勇士”（Valor）傾轉(zhuǎn)旋翼驗證機停放在總裝廠的測試跑道上，等待第一次升空。下午1時59分，隨著發(fā)動機轟鳴，巨大的螺旋槳開始加速旋轉(zhuǎn)，V-280緩緩升空，在距離地面6～9米的高度持續(xù)盤旋了大約20分鐘，初步測試了傳動系統(tǒng)的基本性能，以垂直起降模式成功地完成首次飛行。

此舉標(biāo)志著貝爾公司在為美國國防部提供下一代垂直起降飛機的研制工作邁出了重要一步。作為新一代傾轉(zhuǎn)旋翼機，V-280旨在以可負擔(dān)的成本提供更加出色的飛行速度、航程、機動性和有效載荷能力。憑借著較為成熟的技術(shù)，貝爾公司在美國陸軍的聯(lián)合多用途旋翼機（JMR）驗證計劃中先聲奪人，將在未來垂直起降（FVL）計劃的選型中占據(jù)主動，有望徹底改變美國陸軍的作戰(zhàn)概念和前線行動，滿足未來立體作戰(zhàn)的需要。

評估垂直起降技術(shù)

V-280驗證機的橫空出世很大程度上是驗證所采用的關(guān)鍵技術(shù)能否滿足美國陸軍對于未來新一代垂直起降平臺的作戰(zhàn)需求。自20世紀(jì)80年代開始裝備AH-64“阿帕奇”武裝直升機以來，美國陸軍航空兵長期使用著上世紀(jì)50年代到70年代設(shè)計和生產(chǎn)的直升機，一直沒有采購任何一種新型直升機。與美國空軍和海軍相比，美國陸軍在航空裝備上已經(jīng)難以滿足當(dāng)前和未來戰(zhàn)場的作戰(zhàn)需求。

近年來，美國軍方在阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中暴露出現(xiàn)役直升機在性能上缺陷，包括速度、高度、航程、有效載荷、續(xù)航能力以及自我防御和態(tài)勢感知。雖然美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊竭盡所能地升級了越南戰(zhàn)爭時期設(shè)計和生產(chǎn)的直升機，由此發(fā)展出龐大的“黑鷹”和“蝰蛇”家族，在改進改型中幾乎用盡了英文字母表，但是傳統(tǒng)技術(shù)在總體性能方面已經(jīng)力不從心。

為了改變當(dāng)前技術(shù)積累薄弱和型號發(fā)展緩慢的局面，美國陸軍專門啟動了JMR計劃，目標(biāo)是立足于總體構(gòu)型相似的設(shè)計方案，全新研制一系列新型直升機。根據(jù)作戰(zhàn)需求，新一代直升機的飛行速度必須達到至少426千米/小時，比現(xiàn)役常規(guī)直升機高出2倍。

具體而言，JMR計劃與著眼未來的FVL計劃可謂一脈相承，前者是一項技術(shù)驗證計劃，后者為一項裝備發(fā)展計劃，是美國陸軍在技術(shù)驗證的基礎(chǔ)上繼續(xù)實施的型號研制計劃，將分別研制輕型、中型和重型垂直起降平臺，而根據(jù)當(dāng)前迫切需求，F(xiàn)VL計劃將優(yōu)先研制中型通用垂直起降飛行器，預(yù)計在2035年左右替代現(xiàn)役的UH-60“黑鷹”直升機。

2013年10月2日，美國陸軍分別與四家公司簽訂了技術(shù)投資協(xié)議，著手研制適用于21世紀(jì)作戰(zhàn)任務(wù)的輕型和中型直升機。這四家公司分別是貝爾公司與洛馬公司聯(lián)合團隊、西科爾斯基公司與波音公司聯(lián)合團隊、AVX飛機公司和卡雷姆飛機公司。

其中，西科斯基團隊的設(shè)計方案基于X2驗證機構(gòu)型，采用了共軸雙旋翼加尾部推進槳的布局；貝爾團隊的設(shè)計方案采用了類似V-22飛機的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型，AVX公司提出共軸雙旋翼加兩個涵道風(fēng)扇的構(gòu)型，卡雷姆公司推出了最優(yōu)轉(zhuǎn)速傾轉(zhuǎn)旋翼的方案。根據(jù)JMR計劃的安排，四家公司花費了9個月時間來細化各自的設(shè)計方案，然后提交給了美國陸軍。

2014年8月12日，美國陸軍在對各種方案進行了全面評估后，分別授予貝爾公司團隊和西科斯基團隊一項JMR-TD計劃第一階段合同，將各自研制V-280和SB-1技術(shù)驗證機，完成相關(guān)的飛行測試。同時，美國陸軍也授予AVX公司和卡雷姆公司有關(guān)合同，繼續(xù)研究未來的垂直起降技術(shù)。美國陸軍希望通過全面測試和評估，從各家公司的設(shè)計方案中選取一些最成熟和最先進的技術(shù)，細化新一代直升機的作戰(zhàn)需求和功能，推動FVL計劃的選型工作。

承襲總體構(gòu)型設(shè)計

作為JMR-TD計劃的承包商之一，貝爾公司從2012年著手開展V-280方案的初步設(shè)計工作。與西科斯基團隊設(shè)計的SB-1驗證機總體構(gòu)型不同，貝爾公司立足自身技術(shù)特長，充分利用了多年來在V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機研制和生產(chǎn)過程中積累的豐富經(jīng)驗，為美國陸軍研制新一代垂直起降平臺。

繼XV-15技術(shù)驗證機和V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機后，V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機代表了第三代直升機與固定翼飛機的混合式平臺，設(shè)計目標(biāo)是為美國陸軍提供快速、遠距和高效的運送投放能力，以便確保作戰(zhàn)效能遠遠強于對手。從字面來看，V-280名稱中的“280”代表了飛行速度達到280節(jié)，即520千米/小時，是現(xiàn)役直升機速度的2倍，同時航程是也將增加1倍。

盡管沿用了傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)，但V-280驗證機針對V-22在裝備使用過程中暴露出的氣動、結(jié)構(gòu)等主要問題進行了優(yōu)化設(shè)計，不僅完善了氣動布局，提高了飛行性能，還提高了可靠性，同時降低了研制和生產(chǎn)成本。貝爾公司表示，V-280驗證機可以最大程度地滿足FVL計劃的需求，在裝備采購、作戰(zhàn)使用、后勤保障方面都有很高的性價比，可以為作戰(zhàn)人員提供一個作戰(zhàn)機動平臺，或者執(zhí)行普通直升機無法進行的垂直起降任務(wù)。

考慮到下一步的型號競爭，貝爾公司在設(shè)計過程中將V-280驗證機定位為中型通用/攻擊平臺，同時具備承擔(dān)人員運輸任務(wù)和武裝攻擊任務(wù)的潛力，只需換裝不同任務(wù)載荷就可以實現(xiàn)這兩種任務(wù)。為此，貝爾公司針對美國陸軍的換裝需求，在V-280驗證機構(gòu)型的基礎(chǔ)上設(shè)計了兩種任務(wù)類型：通用型，可以搭載2名機組人員、2名機槍手和14名全副武裝的作戰(zhàn)人員，用于替換現(xiàn)役UH-60“黑鷹”直升機；攻擊型，將采用同樣的機身，可以攜帶多型機載武器執(zhí)行對地火力支援任務(wù)，用于取代AH-64“阿帕奇”直升機。

毫無疑問，采用同一平臺承擔(dān)兩種任務(wù)的概念方案非常有吸引力，將使美國陸軍在零部件、發(fā)動機、傳動和旋翼系統(tǒng)的研制和采購方面節(jié)約至少數(shù)十億美元。研制過程中，貝爾公司與洛馬公司、通用電氣公司等其它10家公司組成了V280團隊，注重降低研制和生產(chǎn)成本，希望將生產(chǎn)型V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機的價格控制在當(dāng)前“黑鷹”直升機的水平。

2015年6月26日，貝爾公司正式啟動了首架V-280驗證機的制造工作，并成功運用了許多技術(shù)創(chuàng)新。其中一個具有突破性的是其機身采用了先進的制造工藝和裝配技術(shù)，不僅減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了機體防護能力，同時還極大地減小了制造公差，降低了費用和使用成本。

研制過程中，貝爾公司還充分利用商用項目的研制成果，將貝爾525中型直升機的電傳飛控技術(shù)應(yīng)用到V-280驗證機上。V-280采用了三余度電傳飛控系統(tǒng)，側(cè)桿操縱，具有優(yōu)異的操縱準(zhǔn)確性和安全性，同時有助于降低飛行員的工作負荷，減輕系統(tǒng)重量。

優(yōu)化傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)

客觀地說，V-280驗證機是一架新型飛機，但是所采用的傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)并不是一項創(chuàng)新技術(shù)，因此能否彌補V-22飛機的先天不足，成為外界關(guān)注的焦點。作為第三代傾轉(zhuǎn)旋翼平臺，V-280在承襲了“魚鷹”總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對美國陸軍的作戰(zhàn)使用特點，從多個方面優(yōu)化了局部設(shè)計，力求降低研制風(fēng)險，避免V-22飛機在發(fā)展和使用過程中遇到的一些技術(shù)問題。

首先是總體構(gòu)型更加緊湊簡潔。V-280采用了更加流線型的復(fù)合材料機身，更好地減小氣動阻力。不同于V-22飛機，該機采用了V形尾翼，大大減輕了結(jié)構(gòu)重量。

其次是機翼設(shè)計進一步簡化。與V-22采用具有下反角的前掠翼相比，V-280驗證機采用了平直機翼，在確保氣動性能的基礎(chǔ)上，有效解決了早年在機翼設(shè)計中因經(jīng)驗不足而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，所產(chǎn)生的直接效果是不再需要在機身上方安裝一個連接變速箱。

20世紀(jì)80年代，V-22飛機在設(shè)計中采用一根驅(qū)動軸貫穿機翼來連接兩個發(fā)動機，如果一臺發(fā)動機失效，則允許另一臺發(fā)動機為兩個螺旋槳提供動力。為了保證這個功能，貝爾公司專門在機翼與機身連接部位安裝了一個中央翼變速箱，用于連接中間的傳動軸。

隨著V-22投入使用，貝爾公司的工程師們通過飛行試驗和后續(xù)理論計算發(fā)現(xiàn)，前掠翼和下反角等原有的設(shè)計是不必要的，但是從“魚鷹”構(gòu)型中取消這些設(shè)計為時已晚，但是為新一代平臺的發(fā)展積累了經(jīng)驗。時至今日，貝爾公司在傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)上的多年探索為發(fā)展下一代傾轉(zhuǎn)旋翼機奠定了基礎(chǔ)。

最后再來對比傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)。直觀來看，V-280在推進系統(tǒng)方面與V-22區(qū)別不大。作為一個技術(shù)驗證平臺，該機采用了兩臺5 000軸馬力的T64-GE-419發(fā)動機，通過變速箱分別驅(qū)動一副3槳葉大型旋翼。但是，貝爾公司針對V-22存在的不足，力求簡化V-280的推進系統(tǒng)，創(chuàng)新性地采用了水平固定發(fā)動機的方式，成為有效控制成本和改進可靠性的一個重要措施。

目前，V-22在改變飛行模式時，需要同時傾斜旋翼和發(fā)動機艙，增加了發(fā)動機和傾轉(zhuǎn)機構(gòu)的復(fù)雜性，同時影響到機身艙門的位置選擇，只能在尾部設(shè)計了后艙門。對于美國陸軍來說，這種飛機在戰(zhàn)區(qū)垂直著陸過程中，由于發(fā)動機艙處于垂直狀態(tài)，尾噴口排出的燃氣正對著地面，大大限制了突擊人員從機身兩側(cè)快速進出，還影響到重型機槍的火力壓制范圍。

通過優(yōu)化設(shè)計發(fā)動機艙和傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)，V-280的發(fā)動機艙保持固定，旋翼系統(tǒng)通過驅(qū)動機構(gòu)單獨偏轉(zhuǎn)，在飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，只需旋翼和傳動軸偏轉(zhuǎn)，使空中懸停和水平飛行之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換更加平穩(wěn)。同時，這一設(shè)計還有助于降低研制風(fēng)險，減少發(fā)動機在不同角度工作的認證程序。

這樣，該機在機艙兩側(cè)分別設(shè)計了一個1.83米寬的艙門，方便作戰(zhàn)人員快速進出機艙，可以有效執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。同時，這一設(shè)計也有利于人員速降到建筑物頂部。

貝爾公司表示，如果最終贏得競爭，批生產(chǎn)型V-280的推進系統(tǒng)將充分利用美國陸軍正在實施的“未來經(jīng)濟可承受渦輪發(fā)動機”（FATE）計劃的成果，使用更加先進的動力裝置。按照FATE計劃，新一代動力裝置的燃油消耗量減少35%，功率重量比提高80%，設(shè)計壽命提高20%（超過6 000小時），生產(chǎn)/維護成本降低45%。

研發(fā)人機交互系統(tǒng)

此次首飛的V-280在駕駛艙內(nèi)仍然采用4個多功能顯示器，通過傳統(tǒng)按鍵為試飛員提供各種數(shù)據(jù)和信息。但是，貝爾公司正在研制一種全新的駕駛艙概念，可能用于生產(chǎn)型V-280上。

2013年10月，貝爾公司與洛馬公司、因漢斯數(shù)字公司合作，研制下一代軍用航空電子設(shè)備。2015年6月2日，貝爾公司在五角大樓的庭院內(nèi)首次展出了V-280全尺寸模型，其中最引人注目的是在并列雙座駕駛艙內(nèi)采用了全景式觸摸屏顯示系統(tǒng)，可顯示三維任務(wù)地圖的全景視窗，也可選擇傳統(tǒng)的多功能顯示器模式。

從其設(shè)計來看，顯示屏本身將由一系列小型“即插即用”顯示模塊構(gòu)成，這些顯示模塊可組合成一個巨大的鑲嵌圖像。這樣，在遭受到巨大沖擊時，整個系統(tǒng)可以避免喪失原有功能，原來在一個失效模塊上顯示的數(shù)據(jù)將自動傳輸?shù)借偳秷D案的正常功能部分，確保不會出現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)丟失的情況。在作戰(zhàn)使用中，如果直升機被地面炮火擊中，95%的顯示屏仍然完好無損。

時隔一年后，V-280全尺寸樣機首次出現(xiàn)在范堡羅航展上，工程師杰里米·查維茲在現(xiàn)場向參觀人士介紹了這種全景式觸摸屏顯示系統(tǒng)的使用方式。他表示，操作這種顯示屏就像使用平板電腦一樣，通過手指點擊、縮放和滑動功能就能獲得所需的各種信息，非常便捷，不必再通過一層層子系統(tǒng)來確定信息，而是在需要時隨時找到它，然后，在不需要的時候關(guān)閉它。

接著，他解釋了研制這種顯示系統(tǒng)的設(shè)計緣由。這種駕駛艙將在10～15年內(nèi)投入使用，因此，駕駛艙發(fā)展的趨勢是需要更多的觸摸屏交互功能，為此專門研究了目前商業(yè)市場上的一些技術(shù)，以及在這個時間框架內(nèi)將操作飛機的飛行員。從時間上看，未來駕駛新一代傾轉(zhuǎn)旋翼機的飛行員現(xiàn)在大約8歲，他們伴隨著智能手機和平板電腦成長起來，因此這種設(shè)計對于他們來說非常容易上手。

目前，貝爾公司在全景式觸摸屏顯示系統(tǒng)正式投入使用之前還有很長的一段路要走。目前，聯(lián)合研制團隊在有關(guān)架構(gòu)方面已經(jīng)有了一些明確的設(shè)計思路，但是要真正研制出用于V-280的駕駛艙顯示系統(tǒng)可能還需要10年時間。

值得一提的是，作為V-280團隊的成員，洛馬公司可以充分利用F-35戰(zhàn)斗機上的相關(guān)技術(shù)，為V-280打造一種具有飛行員顯示孔徑系統(tǒng)（PDAS）的“智能頭盔”，將極大地提升駕駛員的態(tài)勢感知能力。

同時，研制人員充分考慮到人體工程學(xué)，為機組人員提供了商用直升機駕駛艙的舒適度，其中一個細節(jié)是在側(cè)桿后面設(shè)計了一個前臂支撐部件，使飛行員只需細微的腕部動作，就可以長時間地操縱新型傾轉(zhuǎn)旋翼機。

此外，以色列飛機工業(yè)公司（IAI）為V-280原型機提供了復(fù)合材料制成的先進內(nèi)艙座椅，不僅具有結(jié)構(gòu)堅固和耐沖擊的特點，同時還具備先進的功能性，可以為作戰(zhàn)人員隨身攜帶的無線電接收機進行無線充電，確保投入作戰(zhàn)后的通信和聯(lián)絡(luò)。

著眼自主飛行能力

從一紙方案到正式出廠，V-280的設(shè)計與研制工作較為順利，只是在傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)的共軸部件生產(chǎn)方面遇到一些挑戰(zhàn)，導(dǎo)致首飛時間推遲了3個月。2017年8月30日，首架V-280（注冊號N280BH）在貝爾公司阿馬里洛總裝中心曝光，開始接受發(fā)動機運轉(zhuǎn)、旋翼系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制等一系列功能測試，為首次升空做好各項準(zhǔn)備。

在成功完成首飛后，V-280將在2018年進行更多飛行測試，向美國陸軍全面展示設(shè)計性能和任務(wù)能力。從目前公布的一些作戰(zhàn)能力來看，V-280憑借著飛行速度快、作戰(zhàn)半徑大的優(yōu)勢，可以有效執(zhí)行運送作戰(zhàn)人員、實施突擊速降、支援坦克部隊、打擊地面目標(biāo)和營救受傷人員等多種任務(wù)，甚至還能來去自如地在城市中降落，加快清剿匿藏的恐怖分子。

根據(jù)最新消息，貝爾公司已經(jīng)開始考慮V-280在未來的應(yīng)用可能性，并希望在2018年獲得美國國防部的支持，驗證可選有人駕駛模式，實現(xiàn)V-280的自主飛行。貝爾公司軍用產(chǎn)品副總裁文斯·托賓表示，V-280上采用的電傳飛控系統(tǒng)和相應(yīng)研制的控制率，為其增加自主飛行能力提供了便利條件。更為重要的是，自主飛行技術(shù)將為下一步發(fā)展一種艦載傾轉(zhuǎn)旋翼無人機鋪平道路。

一年多前，貝爾公司針對美國海軍陸戰(zhàn)隊的作戰(zhàn)需求，提出了V-247“警惕”（Vigilant）艦載無人機方案，在總體設(shè)計上與V-280如出一轍，可以根據(jù)任務(wù)需要集成多種傳感器和機載武器，在艦載垂直起降無人機競爭中異軍突起。從任務(wù)能力來看，V-247具有十分出色的持續(xù)遠征和長航時監(jiān)視能力，不僅可與V-280傾轉(zhuǎn)旋翼機同時部署在海軍陸戰(zhàn)隊的兩棲攻擊艦上，還能停放在美國海軍導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上，執(zhí)行反艦和反潛等任務(wù)。

著眼長遠，貝爾公司希望V-280驗證機在JMR-TD階段飛行測試結(jié)束后能繼續(xù)充當(dāng)一個飛行測試平臺，用來測試武器系統(tǒng)集成等研制項目。

客觀地講，V-280是一架全新設(shè)計的飛機，但是所采用的傾轉(zhuǎn)旋翼技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。正是出于這個原因，貝爾公司建議美國陸軍可以考慮跳過風(fēng)險降低階段，加快研制進度，直接在2018年進入到工程制造與發(fā)展（EMD）階段。此舉足以表明，貝爾公司迫切希望將V-280率先實現(xiàn)首飛的優(yōu)勢及時轉(zhuǎn)變?yōu)橼A得FVL合同的勝勢。

根據(jù)目前計劃，美國陸軍將在2019年正式授出FVL計劃的研制合同，并在2030年后具備作戰(zhàn)能力。從當(dāng)前的技術(shù)驗證來看，V-280具有速度更快、航程更遠的優(yōu)勢，而SB-1驗證機的懸停突擊性能好，技術(shù)風(fēng)險相對較低。隨著驗證試飛工作陸續(xù)展開，美國陸軍更加看好哪種設(shè)計方案？會將FVL中型垂直起降旋翼機的合同授予哪家承包商？目前還是一個未知數(shù)。endprint