SPRINT項(xiàng)目推動(dòng)高速垂直起降飛機(jī)發(fā)展

■ 譚米 劉英杰 / 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院

空軍基地及跑道在衛(wèi)星圖像下一覽無(wú)余，是戰(zhàn)時(shí)的重點(diǎn)被攻擊對(duì)象。為應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）與美國(guó)空軍特種作戰(zhàn)司令部（AFSOC）合作開(kāi)展了高速和不依賴(lài)跑道（SPRINT）項(xiàng)目。

高速垂直起降設(shè)計(jì)可提供更快速的部署和更強(qiáng)的生存能力，對(duì)于平時(shí)的危機(jī)處理和戰(zhàn)時(shí)的軍事支援等場(chǎng)景具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于傳統(tǒng)的旋翼機(jī)更能適應(yīng)分布式作戰(zhàn)的需求。美國(guó)海軍研究辦公室（ONR）曾經(jīng)開(kāi)展了戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點(diǎn)（TERN）項(xiàng)目；陸軍提出了未來(lái)垂直升力（FVL）計(jì)劃；美國(guó)空軍創(chuàng)新孵化機(jī)構(gòu)AFwerx在AFSOC的授意下發(fā)起了高速垂直起降挑戰(zhàn)賽；DARPA先后啟動(dòng)了空中可重構(gòu)嵌入式系統(tǒng)（ARES）、垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)（VTOL X-Plane）和SPRINT等項(xiàng)目來(lái)驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)。

SPRINT項(xiàng)目發(fā)展歷程

美國(guó)SPRINT項(xiàng)目以AFSOC為期兩年的高速垂直起降系列研究為基礎(chǔ)，旨在發(fā)展一種不依賴(lài)跑道的高速垂直起降（HSVTOL）飛機(jī)，能夠以741km/h或更高的速度巡航，飛行高度在4572 ～9144m之間，能攜帶2267kg的有效載荷，可在惡劣的環(huán)境中懸停。

2023年3月9日，DARPA發(fā)布了SPRINT項(xiàng)目廣泛機(jī)構(gòu)公告（BAA），征集研制X飛機(jī)（X-Plane）的提案，要求描述一個(gè)操作系統(tǒng)和一個(gè)縮比的X飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)。BAA尋求第一階段（1A基地階段和1B選項(xiàng)階段）的完整方案。1A階段側(cè)重于概念設(shè)計(jì)和需求定義，包括概念設(shè)計(jì)評(píng)審；1B階段通過(guò)更復(fù)雜的分析、模擬、降低風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)、制造和飛行試驗(yàn)計(jì)劃，繼續(xù)使選定的X飛機(jī)設(shè)計(jì)成熟。X飛機(jī)的最終目的不是打造一個(gè)具有特定作戰(zhàn)能力的預(yù)生產(chǎn)飛機(jī)，而是驗(yàn)證可以拓展到不同尺寸平臺(tái)的使能技術(shù)和集成方案。

貝爾公司高速垂直起降飛機(jī)概念

2023年11月，DARPA宣布貝爾公司、皮亞塞基（Piasecki）飛機(jī)公司、諾斯羅普-格魯門(mén)（諾格）公司和極光飛行科學(xué)公司進(jìn)入SPRINT項(xiàng)目1A階段。其中，極光飛行科學(xué)公司、諾格公司和皮亞塞基公司分別獲得了價(jià)值2900萬(wàn)～3450萬(wàn)美元的合同，貝爾公司的合同金額尚未公布。DARPA計(jì)劃選取一家或多家公司的設(shè)計(jì)方案制造原型機(jī)，2027年實(shí)現(xiàn)首飛。

貝爾公司方案

貝爾公司的HSVTOL 概念方案是一個(gè)旋翼槳葉可折疊的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，翼尖旋翼用于提供垂直升力，在高速飛行時(shí)旋翼槳葉向后折疊收起，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力，以固定翼噴氣式飛機(jī)的模式飛行，巡航速度達(dá)741km/h。

該方案目前計(jì)劃采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供高速前飛時(shí)的推力，未來(lái)或?qū)⒉捎靡环N可以在渦軸和渦扇模式之間切換的“可轉(zhuǎn)換發(fā)動(dòng)機(jī)”。由于翼尖短艙上沒(méi)有可見(jiàn)的進(jìn)氣口，這也可能表明飛行采用了某種形式的混合電推進(jìn)系統(tǒng)，由主動(dòng)力裝置提供電力從而驅(qū)動(dòng)旋翼。

貝爾公司希望發(fā)展起飛質(zhì)量從1.8t到45.0t的高速垂直起降飛機(jī)系統(tǒng)簇。貝爾公司披露的概念圖顯示，系統(tǒng)簇包括有人機(jī)和無(wú)人機(jī)，所采用的推進(jìn)系統(tǒng)概念基本相同，但在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣裝置和尾翼等細(xì)節(jié)上有所差異。

2023年9月13日，貝爾公司宣布，已向位于新墨西哥州的美國(guó)空軍霍洛曼基地交付其“高速垂直起降”概念原型，將用于演示驗(yàn)證和技術(shù)鑒定。該公司還將利用美國(guó)空軍阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）的“高速試驗(yàn)軌道”，對(duì)折疊旋翼、綜合推進(jìn)和飛行控制等技術(shù)在典型速度下進(jìn)行試驗(yàn)。此外，在交付美國(guó)空軍前，貝爾公司已在其飛行研究中心完成了該概念原型的功能演示驗(yàn)證。

皮亞塞基公司方案

皮亞賽基公司采用的是傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇方案。該方案是其之前參與過(guò)的ARES項(xiàng)目方案的延續(xù)：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器和傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)涵道風(fēng)扇樞軸上的直角齒輪箱，進(jìn)而帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力或升力。涵道由兩個(gè)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，繞樞軸旋轉(zhuǎn)，使飛機(jī)實(shí)現(xiàn)垂直起降和平飛狀態(tài)的順利轉(zhuǎn)換。

ARES是DARPA于2012年啟動(dòng)的項(xiàng)目，目的是發(fā)展具備模塊化運(yùn)輸和垂直起降能力的無(wú)人運(yùn)輸原型機(jī)。洛克希德-馬?。羼R）公司是主承包商（負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)飛行控制軟件），皮亞塞基公司是飛行器開(kāi)發(fā)的主要分包商。ARES項(xiàng)目成功完成了30h的地面測(cè)試，并于2019年獲準(zhǔn)進(jìn)行懸停飛行。后來(lái)，由于資金提前耗盡，DARPA終止了合同，沒(méi)有進(jìn)行懸停飛行。

ARES項(xiàng)目的飛機(jī)安裝有功率為660kW級(jí)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，原型機(jī)質(zhì)量為1.8t，可吊掛1.4t的任務(wù)模塊，飛行高度為4572 ～6096m，最大飛行速度為370km/h，相較于SPRINT項(xiàng)目計(jì)劃的速度指標(biāo)仍存在一定的差距。皮亞塞基公司下一步的工作重點(diǎn)將放在飛控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和合適動(dòng)力的選擇上。

諾格公司方案

諾格公司與Jetoptera公司合作提出了一種射流推進(jìn)系統(tǒng)（FPS）方案。FPS的工作原理類(lèi)似無(wú)葉風(fēng)扇，將空氣經(jīng)過(guò)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣壓縮機(jī)輸送到環(huán)形噴嘴，在那里增壓排氣，引射并加速大量環(huán)境空氣以增加推力。

概念機(jī)有12個(gè)沿機(jī)翼頂部排列的FPS推進(jìn)器，提供上表面吹氣以提高低速時(shí)的升力系數(shù)。除此之外，在前機(jī)身和后機(jī)身各有4個(gè)垂直安裝的FPS推進(jìn)器，提供垂直起降的升力。所有FPS推進(jìn)器的進(jìn)口空氣由單臺(tái)壓縮機(jī)提供，該壓縮機(jī)包含由現(xiàn)有1860kW級(jí)普惠渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)（推測(cè)為PT6系列改型）驅(qū)動(dòng)的2級(jí)風(fēng)扇。起飛時(shí)，空氣被輸送到所有推進(jìn)器；過(guò)渡階段，安裝在機(jī)身上的推進(jìn)器被收起，靠機(jī)翼推進(jìn)器提供推力；高速巡航時(shí)，機(jī)翼上的推進(jìn)器也被收起，所有的空氣都流向高速?lài)姽?。概念飛機(jī)中的推進(jìn)器可以使用3D打印技術(shù)制造。該方案的優(yōu)勢(shì)在于更低的噪聲和排氣溫度，同時(shí)其渦輪-空氣壓縮機(jī)易于從現(xiàn)有的成熟燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)改裝，維護(hù)成本較低。

皮亞賽基公司傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇驗(yàn)證機(jī)

2023 年5 月，美國(guó)空軍創(chuàng)新機(jī)構(gòu)Afwerx 授予Jetoptera 公司一份價(jià)值75 萬(wàn)美元的第二階段小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移計(jì)劃（STTR）合同，對(duì)一架名為“Hedwig”的HSVTOL 概念機(jī)的30%縮尺模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以驗(yàn)證其FPS 的能力。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，F(xiàn)PS 產(chǎn)生的升力系數(shù)高達(dá)8，比美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的LEAPTech 項(xiàng)目高30% ～50%，懸停效率介于直升機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)之間，最大飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)（Ma）0.8（980km/h）。有待克服的最大挑戰(zhàn)是將FPS 推進(jìn)器植于機(jī)翼內(nèi)，以減少巡航飛行中的阻力。

極光飛行科學(xué)公司方案

2023年11月，波音子公司極光飛行科學(xué)公司公布了其SPRINT項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案。方案采用了被稱(chēng)為“扇翼”（FIW）的內(nèi)嵌升力風(fēng)扇和翼身融合體的設(shè)計(jì)，據(jù)稱(chēng)可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)833km/h的巡航速度。

飛機(jī)中部有兩對(duì)垂直升力風(fēng)扇，隱藏在機(jī)身表面的六邊形蓋子下面。極光飛行科學(xué)公司目前還未透露升力風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)方式，但過(guò)往的設(shè)計(jì)中主要有3種方式：以發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)升力風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)（類(lèi)似F-35B）；以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的分流推動(dòng)風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)動(dòng)；分布式混合電推進(jìn)。

極光飛行科學(xué)公司表示，其設(shè)計(jì)方案建立在之前波音X-48驗(yàn)證機(jī)的翼身融合設(shè)計(jì)，以及極光飛行科學(xué)公司“神劍”（Excalibur）無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上。X-48是波音公司與NASA合作研發(fā)的新一代翼身融合飛機(jī)，由機(jī)身提供大部分的升力。第一代X-48B驗(yàn)證機(jī)按照實(shí)際尺寸8.5%的比例縮小，巡航速度為Ma0.7（857km/h），采用3臺(tái)推力0.2kN的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力；第二代X-48C驗(yàn)證機(jī)為低噪聲設(shè)計(jì)，耗油率降低50%，噪聲降低40dB，巡航速度不變，由2臺(tái)推力0.4kN的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力?！吧駝Α睙o(wú)人機(jī)是極光飛行科學(xué)公司為美國(guó)陸軍航空應(yīng)用技術(shù)局和海軍研究辦公室開(kāi)發(fā)的，速度達(dá)741km/h，采用3個(gè)在可在機(jī)翼內(nèi)伸縮的電動(dòng)升力風(fēng)扇提供垂直升力。

極光飛行科學(xué)公司發(fā)布的SPRINT項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案概念

結(jié)束語(yǔ)

DARPA希望在2027年實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證機(jī)的首飛，開(kāi)發(fā)新的發(fā)動(dòng)機(jī)或推進(jìn)系統(tǒng)勢(shì)必將延誤進(jìn)度，因此目前的技術(shù)提案都基于現(xiàn)有的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)/推進(jìn)系統(tǒng)。通過(guò)將成熟的渦軸/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋槳、涵道風(fēng)扇、射流推進(jìn)器等裝置相結(jié)合，融入可傾轉(zhuǎn)、可折疊、分布式等構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)不同飛行模式的切換。此外，高速垂直起降飛機(jī)已經(jīng)成為美國(guó)各軍種的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域之一，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，預(yù)計(jì)高速垂直起降飛機(jī)將迎來(lái)突破性的進(jìn)展。