雷擊勝出美國新一代垂直起落飛機研制最新進展

2013年3月8日，美國國防高級研究計劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency ）發布了新型垂直起落驗證機（VTOL X-Plane 又稱VXP）的項目需求，要求在垂直起落飛行領域開展一項具有革命性意義的研究。項目經費為1.3億美元，時間為52個月。

美國DARPA是美國國防部重大科技攻關項目的組織、協調、管理機構和軍用高技術預研工作的技術管理部門，主要負責研究、開發和應用具有潛在軍事價值、風險大的高新技術，為解決美國中遠期國家安全問題提供高技術儲備，爭取在軍事技術領域為美國“創造并防止戰略突襲”。該局不生產軍用裝備，而是為有遠見的、有時是怪誕的研究項目提供經費支持以使美國的軍事技術處于最前沿的位置。如果DARPA的研究項目取得成果，這些成果將會轉交給部隊進行下一步的研制。例如，該局對F-35B戰斗機使用的升力風扇技術進行一些初期研究工作，但不直接參與F-35的生產。

DARPA稱，開展VXP項目的目的是通過支持基礎平臺和相關子系統的研究，促進垂直起落飛行技術領域出現突破性的進展。該項目最終將研制出一款在持續高速飛行、懸停與巡航效率、有效載重比及平臺綜合功能等方面大大優于現有傳統旋翼機的新型驗證機。

項目需求

直升機由于具有不需要機場而能垂直起降、懸停、前后側飛等優良的飛行品質，在軍事和民用中獲得廣泛的應用。但是，由于直升機旋翼氣動力學的固有限制，飛行速度很難超過360千米/時，這限制了其發展。從20世紀40年代起，人們就在探索研究一種既具有直升機垂直起落、懸停、前后側飛能力，又具有固定翼飛機航程遠、高速度飛行性能的飛行器。曾探索過復合式直升機、前行槳葉概念（ABC）、X翼方案、旋翼折疊方案、傾轉旋翼機等多種新原理構型旋翼機。經過幾十年的試驗研究，目前取得較大進展的有復合式直升機X-2、X3和已實用化的V-22傾轉旋翼機。常規直升機采用旋翼作為利用空氣動力的手段，由于旋翼氣動力學的固有限制，不僅使常規直升機速度慢，而且航程短和運輸效率低。最新研制的復合式直升機X-2、X3和傾轉旋翼機V-22，雖然在速度上由350千米/時提高到460千米/時，但在運輸效率方面卻提高不多。

DARPA認為，直升機在美國軍事行動中的運用已經比較成熟。目前，各類傳統設計的直升機基本都具備在無準備的復雜地形與天氣條件下作戰和快速飛越廣闊戰場，并將兵力、兵器垂直機降至作戰區域的能力。但是，在現有的直升機中，開放式旋翼仍占主導地位，它們雖然能執行許多作戰任務，但無法滿足未來軍隊在極端惡劣條件下懸停和遠距離、高速度飛行的作戰使用要求。因此，發展在性能指標方面大幅超越現有傳統機型的新機型很有必要，這也是DARPA啟動該項目研究的根本原因。

DARPA稱，VXP項目不是為了某一個特定任務而進行的型號研究，而是為了推進新型垂直起落技術、概念機型或構型的發展，驗證能從根本上提升直升機飛行性能的垂直飛行技術。換言之，該項目也是為了能夠徹底改善未來直升機在速度、懸停效率、航程和有用載重方面的性能，而不僅僅只為了實現某一個特定的任務指標和要求進行技術革新。DARPA強調，對能夠突破現有主流構型的概念設計很感興趣，而對那些僅僅是在現有傳統設計方案基礎上進行“漸進式改進”的提案興趣不大。

該項目中研究和發展的新技術應包括空氣動力學、動力學、飛行控制、推進系統、機體結構等各個方面。DARPA要求各研發單位注意廣泛采用各種新概念新技術，例如提高升力、降低阻力的技術；升力分攤的復合設計和構型；多功能高權限控制技術；提升懸停效率的功率負載技術；旋翼下洗流覆蓋區域控制技術；推力增大技術；地效應用技術；創新性推力應用與整合技術；相關的新型飛行控制技術等。盡管該項目的重點不是研究新材料技術、發動機技術、儲能技術和自主飛行控制技術，但DARPA仍歡迎在該平臺設計中采用上述領域任何可用的最新技術。DARPA還要求設計單位最好能在基礎設計階段注重結構的簡潔與整體優化，并采用綜合設計方法提高效率和降低整個系統的復雜性。

項目目標

最新分析表明，現有2～10噸級直升機的飛行速度限制在350千米/時左右。這些機型基本上都是采用傳統構型，這種設計要受到懸停飛行時功率負載的影響。但是，這些采用“懸停優化”機型的平均懸停效率卻只能達到理論上的60%。而且，這些機型的升阻比要比固定翼機低2倍或更多。

根據這些分析，垂直起落驗證機項目的首要技術目標是，驗證垂直起落機的飛行速度、懸停效率、巡航效率的根本提升程度和驗證垂直起落機在整個飛行包線內有效遂行任務的能力。項目的重點不是設計“高速”直升機或能夠垂直起落的新型固定翼飛機具體型號，而是研究和設計可以克服限制垂直飛行性能的新概念、新構型、新技術和詳細的子系統布局，以解決長期困擾傳統直升機的諸如后行槳葉失速、廢阻力高、功率負載低、前飛時升力效率低、高空重比等問題。

從定性的角度分析，垂直起落驗證機研究項目的根本目標有：提高該機的持續飛行速度；提高該機的懸停效率；提高該機的巡航效率；提高該機的有用載重（燃油、飛行機組、試驗器具、有效載荷）。美國DARPA認為，過去的一些垂直起落試驗機僅僅注重其中某一方面，而該垂直起落驗證機項目要求在同一個平臺上同時滿足這些目標。這是一項基本要求，是該垂直起落驗證機研究的新特點，體現了在提升垂直起落機速度的同時改善其執行有效任務的一種綜合能力。

DARPA稱，研制垂直起落驗證機的目的是確立能使新機具備超常任務能力的性能，具體指標是：（1）以555～740千米/時的真實空速進行持續的高速飛行。（2）飛機懸停效率由60%至少提高到75%。（3）飛機巡航升阻比要達到10。（4）有用載重不低于飛機總重的40%，有效載荷不低于總重的12.5%。

DARPA要求，該項目使用的技術應在4.5～5.5噸相關量級的有人或無人飛行驗證機上得到證實，并且要具備較強的適應性，適用于總重2～11噸的各種平臺。驗證機是采取有人、無人或可選駕駛員模式由研制單位自己決定。研制單位應考慮驗證機的空氣動力學、重量、控制和適航性認證等問題。驗證機應具備充分的載重余度，能在各種飛行條件下實施從-0.5～+2.0g的機動。

垂直起落驗證機項目持續時間為52個月，分3個階段實施，并在授予項目后的第42個月施行首次飛行。第1階段分為兩個子階段：1A階段和1B階段。1A階段是概念設計，為期6個月；1B階段是初步設計和技術完善，為期16個月。第2階段將進行所有的細節設計、研發和集成，時間為18個月。第2階段和第3階段期間將制造2架驗證機。第3階段為地面與飛行試驗，時間為12個月，將進行飛行測試以明確驗證性能包線。2013年3月8日，DARPA發布項目需求的聯合通告（BAA） ，宣告第1階段開始，經費為4700萬美元。第1階段合同按照基礎（1A階段）和可選（1B階段）方案授予。是否進入第2階段，要視研制實施團隊在第1階段取得的技術進步和1B階段投出的下兩個階段詳細方案的質量而定。第2、3階段的方案要從第1階段的實施團隊中選擇。在第2階段及其以后將選擇一個實施團隊。

競爭團隊的投標方案

VXP項目于2013年啟動，2014年3月18日DARPA宣布已分別與4個競爭團隊簽訂了金額為110萬～170萬美元不等的初步設計合同。其中，2個競爭團隊是美國頂尖的軍用航空制造商波音飛機公司和西科斯基/洛克希德·馬丁團隊。另2個合同商是由2名美國最具創新才能的航空工程師領導的較小公司，它們是極光飛行科學公司（Aurora Flight Sciences）和卡萊姆飛機公司（Karem Aircraft）。前者的首席設計師是約翰·蘭福特（John Langford），他領導的設計團隊曾因創造了人力飛行的世界紀錄而嶄露頭角。卡萊姆飛機公司的創建者是亞伯拉罕·卡萊姆（Abraham Karem），他取得了許多航空成就，其中之一是設計制造了著名的“捕食者”無人機。這4個競爭者提出了明顯不同的投標方案，但都是無人駕駛的。

波音飛機公司方案 波音飛機公司依靠“鬼怪工廠”快速原型機制造設施，提出了“幽靈雨燕”（Phantom Swift）方案。其機身長約13.4米，寬約2.3米，外形有點像沖浪板。機身前后各有一臺大直徑內置涵道風扇，在兩機翼翼尖各有一臺小直徑可轉向涵道風扇，后者的直徑波音飛機公司沒有透露。其構型與Doak Model 16 VZ-4的飛機相似，它實際上是在機翼翼尖有轉向涵道風扇的常規飛機。我們把這種可轉向涵道風扇稱之為翼尖推進器，把機身內大涵道升力風扇稱作機身升力風扇。“幽靈雨燕”采用4點升力方法作垂直上下飛行和懸停。垂直起飛后，機身內升力風扇底部的排氣百葉窗能用于控制飛機懸停時的機動。前飛時百葉窗完全閉合，然后機身升力風扇關閉停轉，而翼尖推進器朝前傾轉使飛機像常規飛機一樣飛行。

人們能完全單獨地分別控制所有4臺風扇。機身升力風扇底部的排氣百葉窗能用于操縱飛行方向。翼尖推進器能獨自轉向，這也有助于飛行方向操縱。通過控制每臺風扇的推力及它們不同的組合能進行低速飛行方向操縱。高速飛行時有尾翼和襟副翼，加上翼尖推進器的作用，該機具有良好的機動性和敏捷性。

“幽靈雨燕”的動力裝置是西科斯基飛機公司S-92多用途直升機所使用的2臺通用電氣公司700系列的GE CT7-8發動機。波音飛機公司沒有制造小比例驗證機來進行飛行試驗，但“鬼怪工廠”的工程師制造了一個1.8米大小的模型作為在投標階段的宣傳工具。

“幽靈雨燕”很容易制造成有人駕駛型或無人駕駛型，能從VXP要求的總重4500～5500千克減到1814千克，采取一些工程設計方法又能把“幽靈雨燕”增大到10886千克。

極光飛行科學公司方案 約翰·蘭福特領導的這家公司提出一種超常規的名為“雷擊”（Lightning Strike）的混合動力傾轉機翼飛機。該機使用分布式電推進的現代方式，美國國家航空航天局（NASA）也在進行這種推進方式的試驗。該公司通過“金眼”（Golden Eye） 無人機和“神劍”（Excalibur）無人駕駛飛行器方案驗證機的設計研制獲得了豐富的涵道風扇設計和混合電推進設計經驗。他們憑借這些經驗提出了采用分布式電推進的革命性全新飛機方案。

“雷擊”的機體外形十分怪異，而它真正與眾不同的是產生推力的方法。與常規由一臺或兩臺高耗油發動機通過機械連接來驅動一副螺旋槳或兩副反轉螺旋槳產生拉力不同，“雷擊”的推力由24臺涵道風扇產生。18臺涵道風扇嵌入安裝在可傾轉機翼中，另6臺嵌入安裝在可傾轉鴨式前翼中。這些風扇由3臺霍尼韋爾公司發電機發出的3兆瓦（相當于4023馬力）電力驅動，3臺發電機由1臺與V-22“魚鷹”傾轉旋翼機使用的相同的羅·羅AE1107渦輪發動機帶動，不需要蓄電池。

該機的分布式電推進系統由高度綜合的分布式涵道風扇構成，它與同步電驅動系統一起使得該機具有極高的懸停效率和高速前飛能力。機翼和鴨式前翼都能傾轉以改變涵道風扇的推力方向。前飛時推力向后，懸停時推力朝下，在兩者之間的過渡飛行時推力成某一角度，這樣也使飛機能夠轉彎或反向轉彎。正是這種分布式電推進模式使人們有很大的自由度把空氣動力與推進力整合在一起。輸送給18臺機翼風扇（直徑79厘米）和6臺鴨式前翼風扇（直徑53厘米）所用電機的功率可由3余度飛行控制計算機控制改變。所有風扇的背部都有噴口，人們可以分別單獨改變這些噴口的推力，從而改變升力分布，也就能獲得對飛機的有效控制。飛機構型允許在懸停、過渡飛行和前飛的整個飛行范圍內每片機翼的工作都處在最佳性能狀態下，可以消除其他構型中下洗流吹打在機翼上的升力損失。

“雷擊”用于VXP項目競爭的是無人駕駛和全自主飛行型，與“捕食者”和許多其他無人駕駛飛機一樣不需要遙控飛行員，但是它有駕駛艙，能由飛行員做有人駕駛。原型機的飛行控制技術來源于該公司的“半人馬座”和“獵戶座”無人機計劃。在鴨式翼與機翼之間可加裝機艙，用于乘坐6名士兵或旅客。這種設計能很容易放大與縮小，由涵道風扇和電動機組成的每個風扇單元幾乎能像樂高積木玩具一樣任意增減拼裝與拆卸。

與其他競爭者不同，極光飛行科學公司利用3D打印技術制造了一個1/5比例模型驗證機，以便在美國馬里蘭州克森特河海軍航空站進行試驗，驗證在風洞試驗中采集的數據。“雷擊”飛機將像直升機一樣機動敏捷，前飛時其機動性和敏捷性更好。它有極高的橫滾角速度和很好的俯仰角速度。

卡萊姆飛機公司方案 亞伯拉罕·卡萊姆領導的公司參與了VXP項目競爭。他除了設計制造出“捕食者”無人駕駛飛機之外，還發明了“最佳轉速旋翼”（Optimum Speed Rotor）。這種旋翼技術能使直升機的旋翼在飛行時以最佳角速度旋轉，把轉動旋翼所需功率降到最小，可提高直升機飛行效能。卡萊姆已運用他的發明設計了一系列各種尺寸的最佳轉速傾轉旋翼機，其中包括VXP項目投標方案機TR36XP。

TR36XP因為2副直徑為11米的旋翼而得此命名。它外形細長苗條，機身長12.2米，有朝上的V形尾翼和展長為30.5米的細長機翼。與其他構型的旋翼機比較，其旋翼較大，能排壓大量空氣，因此旋翼下洗流速度不大。TR36XP比大多數直升機的機動性要好，因為它的旋翼剛性較好，飛行員在需要時可以相當粗猛地推拉操縱桿控制飛機。

飛機的旋翼由2臺功率為2540軸馬力的透博梅卡RTM322發動機驅動，在飛機前飛需要較小推力時旋翼轉速可減少50%。如果一臺發動機出現故障，另一臺發動機可以帶動2副旋翼旋轉。相對飛機重量來說TR36XP旋翼直徑比較大，如果兩臺發動機同時出現故障，旋翼能很容易進入自轉狀態使飛機安全著陸。

與其他的競爭者一樣，卡萊姆飛機公司用于投標的TR36XP傾轉旋翼機是無人駕駛的。但該公司原來的設計主要是應用于有人駕駛，它研究這種有人駕駛方案已有許多年。該公司已設計和分析研究了許多不同尺寸和不同應用的最佳轉速旋翼機，其起飛重量從約4536千克到113400千克不等。DARPA VXP項目驗證機方法的低風險，有利于軍事部門和垂直飛行工業界制造遠遠超過現在直升機能力和應用的新型飛行器。

考慮到這家公司對這種方案已做的所有工作，卡萊姆競爭團隊覺得沒有必要制造小比例驗證機。最佳轉速傾轉旋翼機的許多挑戰性問題都已在以前的飛行試驗中解決了。

西科斯基/洛克希德團隊方案 西科斯基飛機公司與洛克希德·馬丁公司著名的“臭鼬工廠”組隊參與VXP項目競爭，他們提出的設計方案是被稱為無人駕駛“旋翼吹氣機翼”（Rotor Blown Wing）的尾坐式飛機方案。上世紀50年代，美國康維爾公司的XFY-1和洛克希德公司的XFV-1就是美海軍提供資金研制的尾坐式飛機，它們以尾部支撐在地面直立停放，垂直向上起飛和向下著陸。起飛與著陸時安裝在機頭的兩副相反旋轉的大直徑螺旋槳產生升力。有人駕駛尾坐式飛機著陸時，飛行員要不斷觀察四周情況使機頭朝上慢慢降落，但西科斯基公司的無人駕駛“旋翼吹氣機翼”飛機沒有這個問題，因為它是由計算機控制飛行的。其自主飛行方式使它具有優良的靈活性。

這種投標方案被稱做“旋翼吹氣機翼”飛機，是因為飛行時該機的機翼大部分經受著旋翼洗流的吹刷，這會增加機翼表面的空氣流速使機翼升力增大，于是飛機能設計成有較小的機翼和較高的飛行速度。預計該機速度比DARPA招標要求的最低555千米/時的速度快很多。

其設想圖顯示，該機的機翼翼展為11米，機翼上裝2副位置固定的直徑為4.57米的旋翼螺旋槳，它們位于兩機翼尖與飛機中線的中間。在2副旋翼螺旋槳之間，機翼支撐著一個類似駕駛艙的機艙。每副旋翼螺旋槳的后面（飛機尾翼朝下直立停放時，在旋翼螺旋槳的下面）有與機翼成直角交叉布置的垂直尾翼，水平飛行時形成一對上下垂尾。

尾坐式飛機是獲得垂直起落和高速飛行的最簡單方法，它不需要在飛行中通過改變飛機形狀來改變飛行模式。飛機支撐在尾翼上垂直起飛，然后逐漸轉向水平位置，過渡到前飛狀態，不必為傾轉機翼或旋翼或者改變飛機形狀而增加重量和系統的復雜性。

“雷擊”勝出

上述4種設計方案都很有創意，在最近的將來都很有研發潛力，但令人意外的是規模較小的極光飛行科學公司“雷擊”方案脫穎而出，取得勝利。2016年3月3日，DARPA宣布極光飛行科學公司戰勝其他3個競爭團隊贏得金額為8940萬美元的VXP項目第2和第3階段研制合同，制造和試驗飛行“雷擊”驗證機。合同要求制造2架“雷擊”驗證機，預計2018年9月完成研制與飛行試驗工作。

極光飛行科學公司獲勝后，該公司主席兼首席設計師約翰·蘭福特說：“極光飛行科學公司為在此項目上支持DARPA感到自豪，因為我們都希望在航空技術上取得真正的歷史性突破。如果獲得成功，VXP將徹底提高飛行器飛行能力，這能導致美國軍隊未來作戰任務能力實現革命性的提升。我們榮幸地已被DARPA選中制造和飛行試驗驗證機。”

與V-22相比，“雷擊”用24臺涵道風扇推進器代替了V-22飛機的2個巨大的大功率推進器。在24臺涵道風扇上分配使用與V-22同樣大小的能量，所以噴氣流不猛烈、溫度不高、噪聲較小并且破壞力較小，這就意味著它能夠飛入V-22不能到達的地方。

“雷擊”現在還不會取代V-22，它只作為技術驗證機來制造。DARPA希望通過它取得經驗和收集技術數據，以便能夠用于研發未來的軍用飛機。也許有朝一日，涵道風扇混合電推進垂直起落飛機能用作運輸部隊或參與作戰。

DARPA戰術技術辦公室VXP項目主任巴蓋（Bagai）說，這種VXP飛機在今后幾年中不會大量生產，但它對于垂直起落飛機能達到的未來能力是重要的。所設想的這種飛機噪聲小、耗油率低并且適應性強，它起落不需要跑道。我們想開創擺脫以前約束條件的全新設計與使命空間，并開發新的垂直起落飛機系統與支系統。雖然這種技術驗證機是無人駕駛的，但VXP研制的技術能完全適用于未來有人駕駛飛機。他說，垂直起落飛行是一個微妙難應對的領域。曾經有人認為直升機設計將不會有進一步進展，我們能證明事實遠非如此。

（編輯/王路）