美軍高速垂直起降飛機(jī)挑戰(zhàn)賽中的特色飛行器

李悅立

創(chuàng)新中心AFwerx成立

2018年1月11日，美空軍在內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯市啟用了一個新的創(chuàng)新中心AFwerx。美國副總統(tǒng)彭斯、空軍部長威爾遜、空軍參謀長古德芬等人出席了啟動儀式。

美空軍設(shè)立AFwerx的目的是為了推動創(chuàng)新性、顛覆性技術(shù)的集成與實施，確保美空軍保持對未來對手的能力優(yōu)勢，為解決國家安全問題孕育新的思路或方法。AFwerx將面向公眾、學(xué)術(shù)界、小企業(yè)及行業(yè)遠(yuǎn)見者征集意見，發(fā)揮協(xié)作性/創(chuàng)新性思想交流中心的作用。彭斯稱，AFwerx將成為新創(chuàng)意和新技術(shù)的“孵化器”，“將聚焦于打破壁壘。因為防止沖突的最好方法是做好應(yīng)對沖突的準(zhǔn)備，而這正是AFwerx的工作?！?/p>

美空軍設(shè)立AFwerx當(dāng)年就發(fā)起了兩項挑戰(zhàn)賽。關(guān)于美空軍AFwerx挑戰(zhàn)賽所有信息可訪問https：// afwerxchallenge.com/網(wǎng)站。

高速垂直起降飛機(jī)挑戰(zhàn)賽

2021年4月，AFwerx發(fā)起了高速垂直起降（High-Speed Vertical Take-Off and Landing，HSVTOL）飛機(jī)挑戰(zhàn)賽。該項目由美國空軍（USAF）和美國特種作戰(zhàn)司令部（USSOCOM）共同構(gòu)思、設(shè)計和開發(fā)最先進(jìn)的高速垂直起降解決方案，以在惡劣環(huán)境中實現(xiàn)最佳敏捷性。

該項目應(yīng)該具備四種任務(wù)能力：

（1）特種作戰(zhàn)部隊和裝備的滲透：特種作戰(zhàn)部隊希望能夠在簡陋的地點(diǎn)開展行動，獨(dú)立于主要作戰(zhàn)基地和大型物流設(shè)施，進(jìn)入有爭議的環(huán)境，并在短時間內(nèi)秘密交付和取回他們的團(tuán)隊和裝備。

（2）人員搜救：人員搜救部隊希望能夠在類似的嚴(yán)峻地點(diǎn)開展行動，進(jìn)入具有各種地形和水域的競爭環(huán)境，以便在短時間內(nèi)營救孤立的人員。

（3）航空醫(yī)療后送：航空醫(yī)療后送和機(jī)動部隊希望有一架可配置的飛機(jī)，能夠在嚴(yán)峻的地點(diǎn)運(yùn)行，以確保危重傷患者的黃金時段響應(yīng)時間。

（4）戰(zhàn)術(shù)機(jī)動性：美國空軍需要敏捷的、獨(dú)立于跑道的戰(zhàn)術(shù)空運(yùn)能力，提供更高的有效載荷能力，并可能降低懸停能力，以加快將重要貨物運(yùn)送到需要的地點(diǎn)。

因此對飛行器平臺提出了以下的要求：

（1）噴氣式飛機(jī)般的速度和更大的航程；

（2）從低速/懸停到高速/巡航的飛行中過渡，反之亦然；

（3）在中低飛行高度增加航程；

（4）來自所有當(dāng)前和未來燃料存儲平臺的空氣加油和快速加油能力；

（5）具有高度的生存能力，可在各種任務(wù)環(huán)境中使用，具有防撞系統(tǒng)和識別潛在危險的能力，例如，在飛行的所有階段進(jìn)行主動/被動威脅檢測和對策；

（6）處理有效載荷以滿足任務(wù)特定需求；

（7）體積兼容，符合標(biāo)準(zhǔn)托盤尺寸；

（8）能夠在簡陋/未準(zhǔn)備好的地點(diǎn)快速裝卸貨物或人員；

（9）模塊化貨物區(qū)，可容納廣泛的設(shè)備、人員和/或醫(yī)療服務(wù)。

參與項目的團(tuán)隊可以選擇提交集成解決方案與子系統(tǒng)解決方案。

HSVTOL集成解決方案：數(shù)字工程環(huán)境中的系統(tǒng)概念化、設(shè)計和架構(gòu)，通過廣泛的高保真建模和仿真減少開發(fā)時間、風(fēng)險和成本。

HSVTOL子系統(tǒng)解決方案：利用使能技術(shù)和/或數(shù)字工程原理，為開發(fā)能夠滿足未來作戰(zhàn)人員需求的整體HSVTOL解決方案提供途徑。示例包括但不限于：

（1）先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)為HSVTOL概念提供動力，實現(xiàn)垂直升力，敏捷移動和噴氣式速度的水平行駛。

（2）支持HSVTOL概念運(yùn)行的新技術(shù)（子系統(tǒng)，軟件和硬件），包括支持制造，建造和/或生存能力以確保任務(wù)成功的材料。

2021年11月，美空軍從218個方案中選擇了11個項目進(jìn)行投資，如圖5所示。

11家公司中，除了維爾德歌航空公司（VerdeGo Aero）是為HSVTOL計劃開發(fā)更強(qiáng)大的多兆瓦渦輪混合動力裝置這樣的分系統(tǒng)及Whisper公司提供超靜音電動涵道風(fēng)扇這樣的動力分系統(tǒng)解決方案外，其余公司的方案都是集成解決方案。在上述9個整機(jī)方案中有3個飛行器非常具有特色。分別是貝爾公司的新式傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器，遠(yuǎn)足空中交通公司（Jaunt Air Mobility）的基于慢速旋翼的MAV55以及Jetoptera公司基于其自適應(yīng)流體推進(jìn)系統(tǒng)（FPS）飛行器。

貝爾公司新式傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器

貝爾公司一直在從事傾轉(zhuǎn)旋翼的研究工作，從V-22到V280，在該領(lǐng)域貝爾公司積累了豐富的經(jīng)驗。在此次挑戰(zhàn)賽中，貝爾公司進(jìn)一步改進(jìn)了其原來傾轉(zhuǎn)旋翼的設(shè)計方案，提出了類似F-35B的可折疊槳葉傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器。

傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器，顧名思義就是旋翼在飛行過程中可以根據(jù)不同的狀態(tài)產(chǎn)生傾轉(zhuǎn)。早期的XV-15、V-22采用的短艙傾轉(zhuǎn)方案，最新的V280采用的是旋翼傾轉(zhuǎn)方案。傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型極大的提升了垂直起降飛行器的飛行速度，但是，在巡航階段，畢竟還是一款具備大尺寸螺旋槳的渦槳飛機(jī)，飛行速度還是無法進(jìn)一步提升。

貝爾公司提出的新式傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器有可能會極大的提升原有傾轉(zhuǎn)旋翼的飛行速度。貝爾公司表示，這款飛機(jī)的巡航速度將超過400kn（約740km/h），據(jù)稱它的起飛重量在4000-100000lb（約1800-45000kg）不等，而且它將提供一定程度的懸停續(xù)航力，并可配置為載人或無人操作。該飛行器關(guān)鍵技術(shù)“用于在飛行中折疊槳葉的方法和設(shè)備”于2010年6月15日在中國申請專利，2011年12月22日在國際公開，2013年1月30日專利首次公開，2015年2月11日獲得中國授權(quán)，專利編號為CN102905972。

該方案機(jī)翼翼梢處為可傾轉(zhuǎn)的動力艙，發(fā)動機(jī)通過傳動軸和離合器為動力艙提供驅(qū)動力。懸停狀態(tài)、渦槳飛機(jī)狀態(tài)與常規(guī)傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)一致，第三種飛行模態(tài)就是斷開離合器，并折疊旋翼，使用噴氣式發(fā)動機(jī)提供推進(jìn)力。在該狀態(tài)模式下跟常規(guī)噴氣式飛機(jī)幾乎一樣，無非就是增加了動力艙的阻力。在該模式下飛行速度（740km/h）可以比常規(guī)傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)V-280（520km/h）快了200km/h多，幾乎提升了50%的飛行速度。

MAV55

直升機(jī)是一種常見的可垂直起降和前飛的飛行器，限制其前飛速度的因素在于其旋翼的基本氣動特性。直升機(jī)在前飛時，向飛行前方運(yùn)動的槳葉叫前行槳葉，向飛行后方運(yùn)動的槳葉叫后行槳葉。槳葉的槳尖線速度由旋翼旋轉(zhuǎn)帶來的槳尖線速度疊加飛行速度而成。一旦槳尖速度接近音速就會極大的降低槳葉的性能，這就意味著隨著飛行速度的增加，為了保證旋翼本身的氣動特性，就需要采取措施降低槳尖的當(dāng)?shù)伛R赫數(shù)影響，常規(guī)直升機(jī)的做法是槳尖后掠設(shè)計。

MAV55基于慢速旋翼概念（Slowed Rotor Compound，SRC），在SRC飛機(jī)中，隨著飛機(jī)加速并且機(jī)翼開始支撐飛機(jī)，旋翼可以產(chǎn)生較小的升力并減速。旋翼升力的減少和轉(zhuǎn)速的降低顯著降低了旋翼的阻力——轉(zhuǎn)速降低3倍會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)阻力減少約27倍。低轉(zhuǎn)速和低升力的旋翼阻力基本上成為其面積和飛機(jī)速度的函數(shù)。按照高速飛行設(shè)計的機(jī)翼在減速時無法提供足夠的升力。在大多數(shù)飛機(jī)中，機(jī)翼的尺寸明顯大于巡航所需的尺寸，以便飛行員可以飛行得更慢。大多數(shù)飛機(jī)也有某種類型的高升力裝置，如襟翼，這提高了低速性能，但增加了機(jī)翼的重量和復(fù)雜性。SRC飛機(jī)的機(jī)翼非常簡單，尺寸比類似尺寸的傳統(tǒng)飛機(jī)小得多，因為機(jī)翼只需要高速支撐飛機(jī)。減速、空載的旋翼和簡單的小機(jī)翼相結(jié)合，使SRC飛機(jī)能夠如此高效地運(yùn)行，基于與固定翼飛機(jī)相當(dāng)，并且在高速下比任何傳統(tǒng)旋翼機(jī)效率更高。

美國Carter公司在NASA項目合同中研發(fā)的旋翼機(jī)高速型命名為Cartercopter，最大平飛速度達(dá)到640km/h（海平面）和960km/h（h=13500m）。Juant公司就是從Carter公司購買了相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)，形成了本次競賽的方案。

自適應(yīng)流體推進(jìn)系統(tǒng)

自適應(yīng)流體推進(jìn)系統(tǒng)（Fluidic Propulsive System，F(xiàn)PS）可以看作是一種增強(qiáng)版的無扇葉風(fēng)扇技術(shù)。風(fēng)扇底部馬達(dá)抽進(jìn)空氣后，風(fēng)扇內(nèi)部有一個氣旋加速器，可將空氣流動速度加強(qiáng)十幾倍，被加速的氣流進(jìn)入風(fēng)扇的環(huán)形內(nèi)唇環(huán)繞，其環(huán)繞力帶動扇頭附近的空氣隨之進(jìn)入扇頭，并以高速度向外吹出。

Jetoptera飛機(jī)以其起飛時的最大重量命名。該公司最小的產(chǎn)品是J-55，最大重量為55lb（約24.94kg）。為了滿足對總重量的要求，它由帶有推力矢量的渦噴發(fā)動機(jī)而不是他們公司的推進(jìn)系統(tǒng)提供動力。受益于新穎的機(jī)身設(shè)計，它可以作為尾座式懸停和起飛并提供非常高的速度。最小的FPS動力飛機(jī)是具有垂直/短距起降（V/STOL）能力的J-220。他們的技術(shù)可擴(kuò)展到VTOL的5000lb（約2268kg）起飛推力以上，同時保持出色的推重比，分布式推力能力和設(shè)計簡單性，這使得其高端四座飛行汽車J-4000成為可能。相同的推進(jìn)系統(tǒng)可以與嵌入機(jī)翼的推進(jìn)器配對，為具有極端短距起降性能的飛機(jī)提供動力，可支持重量范圍為800-9000lb（約363-4082kg）。

結(jié)語

相較于其他公司的方案，上述三種方案都具備一定的創(chuàng)新性和實用性。同時，認(rèn)真分析可以看出，其關(guān)鍵技術(shù)在多年前其實已經(jīng)得到了突破，并在相關(guān)的飛機(jī)平臺上得到了部分驗證。因此，未來無論是常規(guī)無人機(jī)還是電動垂直起降飛行器（eVTOL）的動力選擇和構(gòu)型設(shè)計有可能既復(fù)刻過去經(jīng)典的設(shè)計，但又能引領(lǐng)未來的發(fā)展。