美國“雷擊”垂直起降試驗飛機

張毅+李昊

2016年3月4日，美國國防部國防高級研究計劃局（DARPA）宣布，極光飛行科學公司（下稱極光公司）的“雷擊”無人機方案贏得“垂直起降試驗飛機”（VTOL X-Plane，VXP）項目競標，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研制和試驗工作，預計2018年完成首飛。這標志著美國更新一代的新概念高速、高效垂直起降飛機探索項目完成了選型工作，開始進入原型機演示驗證階段。

VXP項目概況

“垂直起降試驗飛機”項目于2013年2月啟動，旨在開發一種新的垂直起降飛行器，使其兼具當前常規直升機垂直起降能力和懸停性能，以及公務機的有效載重水平、飛行速度和升阻比。開發和設計工作涉及新技術或現有技術改進、子系統、平臺概念及構型等方面。

DARPA在VTOL X-Plane項目中對驗證機性能提出了極高的要求，最主要的性能指標包括以下幾個方面：

*驗證機最大起飛重量在4 500～ 5 400千克之間，技術可擴展應用在最大起飛重量1 800～10 800千克之間不同噸位的平臺上；

*機動性能要求能夠承受-0.5g～ 2.0g過載；

*持續飛行速度能夠達到556～741千米/時；

*懸停效率不低于75%；

*巡航狀態升阻比不低于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來看，飛行速度、懸停效率和巡航升阻比是挑戰性較大的指標，而在這些指標同時滿足的條件下能夠達到其提出的重量指標則進一步加大了難度，對設計、材料、制造等方面都有極高的要求。

飛行速度方面，項目要求達到556～ 741千米/時的持續飛行速度。這一速度已達到固定翼飛機的水平，與渦槳飛機和部分噴氣飛機相當，如C-17和C-130。美軍正在進行的高速旋翼機型號研制項目“聯合多任務旋翼機”（JMR）項目對飛行速度提出的指標僅為315～ 556千米/時；美軍已服役的V-22“魚鷹”傾轉旋翼機的最大前飛速度也僅為582千米/時。這意味著從飛行速度角度看，該機已明顯高于當前在役和在研的高速旋翼機技術水平。

懸停效率方面，“垂直起降試驗飛機”項目要求懸停效率不低于75%，也遠高于當前旋翼機（60%）的水平。這意味著旋翼系統的氣動性能需要大幅提升，不僅需要采用氣動性能更好的翼型，同時還需要有更為優化的槳尖形狀；并且，由于高速特性和懸停性能兩方面的要求，槳葉設計還需要兼顧高速和低速兩種不同狀態的氣動性能，進一步增加了設計難度。

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

除極光公司外，該項目第一階段還曾有另外三家公司提交了設計方案，分別是波音的“幽靈雨燕”、西科斯基飛機公司的“旋翼下洗機翼”和卡雷姆飛機公司的TR36XP“最優轉速傾轉旋翼機”。

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

這一概念與波音公司20世紀90年代研制的“直升翼”無人旋翼機的設計十分類似，區別僅是其將“垂尾”從一個改為兩個，布置在兩個旋翼的正下方。“直升翼”在1995年完成首飛，其設計飛行速度為180節（334千米/時），飛行高度能夠達到20 000英尺（6 096米），但其原型機在一次試飛的減速/下降過程中由于發動機失效而墜毀。

與其它幾個方案相比，該方案在結構上相對簡單，相對容易滿足DARPA對有效載荷的要求，其技術難點主要集中設計方面，尤其是旋翼系統及其控制機構和控制率。然而由于槳盤面積相對較小，懸停效率方面可能會有些問題，而機身從垂直狀態與水平狀態過渡過程，即起飛/著陸過程的操縱性和穩定性也是一個設計難點。

波音“幽靈雨燕”波音公司提交的方案是一個名為“幽靈雨燕”的無人機，由波音公司鬼怪工廠設計。鬼怪工廠在30天內就完成了一個縮比的原理樣機設計和制造工作，并進行了簡單飛行，其中設計工作僅用了3天，可見其方案的結構復雜度相對不高。“幽靈雨燕”采用了機體上2個大尺寸涵道風扇、翼尖2個可傾轉的涵道風扇的布局。其中機體的風扇主要用于垂直起降和懸停，翼尖的2個涵道風扇則用于提供操縱力。

該構型從結構上看十分簡單，不管是傾轉涵道風扇還是機體上的升力風扇對于波音公司來說都不是技術難點，該機的主要技術難點在于其旋翼尺寸較小，盡管有4個旋翼系統，但槳盤面積較小、誘導速度過高，恐怕仍會存在懸停效率較低的問題；此外從目前的構型形式來看，其貨倉位置很難選擇，容積和尺寸的限制也很嚴重，若不對方案進行調整的話，該構型的實用性不高。

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驗證機和型號的影子，如以色列研制的一個名為“空中騾子”的無人旋翼機，美國陸軍于上世紀50年代研制的垂直起降飛機VZ-4DA，以及美國動力飛行系統公司提出的AD-150概念方案等。

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

從技術層面來看，該傾轉旋翼方案應該能夠滿足VXP的巡航升阻比要求，但懸停效率方面會相對有所挑戰。因此其采用大翼展、大展弦比機翼，并且機翼外段隨旋翼傾轉，以盡量降低垂直起飛狀態時機翼對旋翼下洗流的影響。此外，卡雷姆公司拿手的“優化轉速旋翼”技術也將在這一方案上得到應用，該技術最早在A160“蜂鳥”無人直升機上應用，而A160的總設計師正是卡雷姆公司創始人亞伯拉罕·卡雷姆。該技術應能夠較好地解決垂直起降/水平前飛兩個狀態下旋翼轉速不同的問題，從而同時具備良好的懸停效率和巡航升阻比。

“雷擊”方案的主要設計特點

“雷擊”采用了鴨翼布局、傾轉機翼設計，其最大特點是采用分布式混合動力電驅動系統，另外還采用了相應的新穎飛行控制設計。

采用混合動力電驅動設計“雷擊”將配裝1臺羅羅公司的AE1107C渦軸發動機，其起飛功率為4 586千瓦，最大連續功率4 392千瓦；發動機通過一臺減速器來帶動3臺美國霍尼韋爾公司的發電機（每臺功率1 000千瓦），該發電機采用了霍尼韋爾公司在美國陸軍“未來戰斗系統”（FCS）項目中開發的技術，但功率密度較FCS使用的產品更大。

采用電驅動設計的目的，是為了避免在機翼內部布置空間占用較大、結構復雜的機械、液壓動力/傳動系統，從而實現降低結構重量和復雜度的目的，同時也能夠減小機翼的弦長，提高懸停狀態的操縱性和抗陣風穩定性。

分布式電驅動涵道風扇推進在“雷擊”上，發電機產生的電力被分配至全機24個涵道風扇上，其中2個鴨翼上各安裝3個，2個機翼上各安裝9個。為容納涵道風扇，機翼被設計成兩層結構，因此在巡航模式下，可將“雷擊”視為一架“雙翼機”；由于涵道風扇產生的誘導速度，下機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。

涵道風扇使用了ThinGap公司提供的無刷電動機，機翼風扇功率為100千瓦，鴨翼風扇功率為70千瓦；風扇采用恒定轉速設計，通過調節總距來控制拉力；此外每個風扇所處涵道的上、下表面都可獨立控制，以實時優化涵道氣動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計極光公司將“雷擊”主機翼的涵道風扇的操縱面稱為副翼，鴨翼涵道風扇的則稱為升降舵，這意味著該機的滾轉操縱主要通過主機翼實現，俯仰操縱通過鴨翼實現；偏航操縱則通過主機翼風扇推力的差動實現。“雷擊”原型機的飛控系統將在極光公司為其“人馬座”和“獵戶座”無人機研制的飛控系統基礎上開發。

機翼設計緩解重心布置問題按照設計，機翼在巡航模式狀態具有一個下反角，因此當其傾轉至垂直起降模式時，其機翼向上傾轉90°，使機翼從下反狀態轉變為前掠狀態。這樣設計的原因是，在巡航模式下，機翼負責提供主要的推力，鴨翼主要用于操縱，對推力輸出的貢獻較小（鴨翼的6個風扇功率僅為70千瓦），因此當其轉換至垂直起降模式時，由于鴨翼提供的升力較小，全機的重心位置將不得不布置在機身后部靠近主機翼處，不利于載荷布置，這種前掠機翼設計能夠讓重心位置更靠近機身中部，為設計和使用提供便利。

“雷擊”方案的難點及解決途徑

如前所述，采用分布式混合電驅動系統是“雷擊”方案的最大特點。在固定翼飛機領域，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動技術研究，且也是通過電驅動風扇產生推力。“雷擊”方案的參與者之一羅羅公司即參加了空客公司的相關研究項目，負責推進系統研究。因此，隨著NASA和空客、羅羅等公司技術研發的推進，“雷擊”項目或可從中吸取很多成果，為順利完成飛行演示驗證提供保障。但是，根據極光公司目前公布的設計方案，“雷擊”方案仍存在明顯的技術難點，主要是以下幾個方面。

一是飛行控制。“雷擊”全機布置24個風扇，每個風扇的總距角和上、下涵道面都可獨立控制，加上機翼的傾轉角，全機至少有70多個操縱量，且還涉及到涵道氣動效率優化、多個風扇的能量分配等問題，其控制律將非常復雜，系統可靠性可能也會受影響。目前極光公司計劃先將其簡化成若干個風扇聯動操縱的方式開展試驗，預計未來技術成熟后才會改進成為全部獨立控制的模式。

二是能量效率。由于采用了混合動力電驅動設計，能量從發動機輸出，經過電能和機械能兩次轉換，必然會有一定的損失，目前技術水平下，該損失約為27%。這一定程度上將抵消其氣動性能上的優勢，對全機的航程、續航時間等飛行性能造成不利影響。根據NASA的判斷，隨著未來電動機技術的提高，這一損失將降低到8%左右，與機械傳動系統大致相當，從而滿足未來的需求。

三是重量特性。目前限制電驅動在航空器上應用的一個關鍵就是電動機功率密度過低，導致電動機重量較大，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動飛行器發展的主要技術瓶頸之一。目前來看，高溫超導電機預計將是解決這一問題的有效途徑，但以VXP項目的時間安排來看，“雷擊”很難來得及等到高溫超導電機技術成熟。

項目意義

戰術意義方面，DARPA通常不會發展有明確的作戰需求的技術（這些技術通常由有需求的軍種來牽頭開發），VXP項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，這些技術未來可能會被拆分，并用在不同的平臺上。筆者認為，“雷擊”方案為美軍帶來的最重要的技術儲備將是能夠用于小型飛行器的分布式電推進技術。該技術廣泛適用于美軍中小型飛行器平臺，特別是直升機機隊，這將大大簡化這些飛機的內部機械結構，從而減少由于機械故障導致的事故，以及機械部件維護帶來的人力、物力成本；此外，由于取消了機械傳動結構，該技術可有效降低全機振動和噪聲水平，提高平臺的聲隱身性能，而這也將幫助美軍獲得一定的戰場優勢，特別是在特種作戰方面。

戰略意義方面，美國國防科學委員會（DSB）將高速垂直起降飛行器視為改變美軍作戰戰術方式、保持美國軍事優勢的重要裝備。美國國防科學委員會在2013年8月向國防部提交了一份名為《2030年保持優勢的技術與創新》的報告，就具有重大潛在影響但目前發展仍不充分的技術，向國防部提出了具體的投資建議。報告認為，目前美軍研制的很多結構復雜、費用高昂的武器裝備都被對手采用相對廉價的技術所針對，而高速旋翼機能顯著提升美軍的機動能力、靈活性和保障能力，并一定程度上改變美軍作戰方式；同時，高速旋翼機由于較低的單機價格，能夠形成較大的裝備規模，使得其在技術上很難被針對，因而將迫使對手在更大范圍內布防，從而對其造成經濟上的壓力。因此DSB建議國防部為目前唯一的高速旋翼機技術預研項目“垂直起降試驗飛機”增加投資，對更多的構型方案進行驗證，通過技術壓制和成本施壓來保持美國的軍事優勢。

幾點看法

目前美軍的旋翼機形成了以V-22、JMR和VXP為代表的階梯狀發展態勢。美國首個高速旋翼機型號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，美國陸軍實施的面向未來高速旋翼機型號的“聯合多任務旋翼機”（JMR）技術演示驗證項目也進入原型機研制競標階段。DARPA也同時開展了VXP項目，為研發下一代性能更好的垂直起降高速飛行器進行概念探索和技術儲備，以應對2030年之后的軍事需求。可見，高速已成為美軍的旋翼機技術發展最核心的目標之一，并引領世界軍用旋翼機技術的發展方向。

目前，以電能為核心的分布式推進技術成為航空技術領域的一個發展熱點，該技術能大大簡化機體內部的傳動、操縱等結構，為構型設計提供更大的靈活性，并提高氣動效率和經濟性。目前美國和歐洲都在開展該技術在大型民機上的應用研究。而VXP項目這次選擇混合動力電驅動的“雷擊”方案，將加速現有研究成果向工程應用的轉化，從而為美軍未來的旋翼機、無人機等中小型飛行器的性能提升提供更多技術途徑，同時也能夠為其在民用客機、大型運輸機/轟炸機等中大型飛機上的應用提供部分技術儲備。