美國國防部預(yù)研局完成“雷擊”縮比驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)

在歷經(jīng)數(shù)場局部戰(zhàn)爭后，美國國防部目前已經(jīng)明確表示其對高性能垂直起降飛行器的需求十分迫切。希望擁有既不需要跑道、可在任何地點(diǎn)垂直起降，又具備噴氣機(jī)飛行速度的航空武器裝備，以快速向偏遠(yuǎn)戰(zhàn)場遂行空地打擊或運(yùn)送部隊(duì)和補(bǔ)給等任務(wù)。因此，美國國防科學(xué)委員會(huì)（DSB）已將高速垂直起降飛行器視為改變美軍作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)方式、維持美國軍事優(yōu)勢的重要裝備。但是，美軍現(xiàn)役的垂直起降飛行器性能卻難以滿足需求，不能兼顧空中持續(xù)懸停和快速飛行這兩種大相徑庭的能力。為此，美國國防部預(yù)研局（DARPA）啟動(dòng)了“垂直起降試驗(yàn)飛機(jī)”（VTOL X-Plane，VXP）項(xiàng)目，以開展垂直起降高速飛行器的技術(shù)研發(fā)。

VXP項(xiàng)目概況

DARPA于2013年2月25日公布了VXP項(xiàng)目的招標(biāo)書，VXP驗(yàn)證機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)包括：持續(xù)飛行速度556～741km/h，懸停效率不低于75%，巡航狀態(tài)升阻比不低于10，有效載荷不低于總重的12.5%，最大起飛重量4500～5400kg。經(jīng)過第1階段的激烈競爭，2016年3月4日，DARPA宣布極光飛行科學(xué)公司（簡稱極光公司）的“雷擊”（Lightning Strike）驗(yàn)證機(jī)方案贏得競標(biāo)，并獲得了總金額8944萬美元的第2、3階段研究合同。目前，該驗(yàn)證機(jī)已被 DARPA和美軍聯(lián)合命名為XV-24A。

XV-24A驗(yàn)證機(jī)結(jié)構(gòu)新穎，采用了可傾轉(zhuǎn)的鴨翼和機(jī)翼布局，并使用了分布式電推進(jìn)系統(tǒng)。XV-24A配裝的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電力將被分配至全機(jī)24個(gè)可變槳距涵道風(fēng)扇，其中2個(gè)鴨翼各安裝3個(gè)，2個(gè)機(jī)翼則各安裝9個(gè)。為容納涵道風(fēng)扇，XV-24A的機(jī)翼實(shí)際有兩層，因此，在巡航模式下，可將其視為一架“雙翼機(jī)”。極光公司表示，如果XV-24A驗(yàn)證機(jī)成功開展試驗(yàn)將創(chuàng)下航空史上的數(shù)項(xiàng)第一，即第一架使用分布式電推進(jìn)涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的飛行器、第一架采用創(chuàng)新的同步電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的飛行器、第一架在垂直起降時(shí)主翼和鴨翼都可傾轉(zhuǎn)的飛行器和第一架具備高效的懸停和高速前飛能力的飛行器。

開展縮比驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)

縮比驗(yàn)證機(jī)是全新飛機(jī)研制的重要組成部分，目的是在制造昂貴的全尺寸飛機(jī)之前驗(yàn)證部分關(guān)鍵技術(shù)，以降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)。鑒于XV-24A結(jié)構(gòu)新穎、研發(fā)難度大，因此，極光公司在贏得項(xiàng)目競標(biāo)的當(dāng)月，便開展了五分之一縮比驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證構(gòu)型的空氣動(dòng)力學(xué)和飛行動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，以及開發(fā)適用于全尺寸驗(yàn)證機(jī)的飛行與任務(wù)系統(tǒng)控制方案。

“雷擊”縮比驗(yàn)證機(jī)重約146kg，安裝了約54kg的鋰離子電池，機(jī)翼和鴨翼采用了碳纖維和3D打印熔融沉積成形塑料的雜化結(jié)構(gòu)，以在盡可能降低重量的前提下滿足復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)構(gòu)型所需。縮比驗(yàn)證機(jī)使用了相對簡單的單余度飛控系統(tǒng)，另外，還改進(jìn)了空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)方法（飛行控制系統(tǒng)基于該數(shù)據(jù)庫建模），可以為未來的飛行控制系統(tǒng)研發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

“雷擊”縮比驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)在馬里蘭州南部韋伯斯特測試場進(jìn)行，并于近期取得圓滿成功。試驗(yàn)最初完成了6次飛行試驗(yàn)，演示驗(yàn)證了自動(dòng)起飛、持續(xù)懸停、方向與平移控制（包括側(cè)向和向后飛行）、航路點(diǎn)導(dǎo)航和自動(dòng)著陸等能力。隨后測試了機(jī)翼和鴨翼傾轉(zhuǎn)裝置、傾轉(zhuǎn)流程和機(jī)翼上的飛行控制機(jī)構(gòu)。其中四次飛行試驗(yàn)擴(kuò)大了飛行包線，使風(fēng)速增加到機(jī)翼能夠提供大部分升力為止。驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間僅5min，最高速度達(dá)到85km/h。在縮比驗(yàn)證機(jī)開始試驗(yàn)之前，DARPA對能否試驗(yàn)成功仍抱有懷疑態(tài)度。但是在試驗(yàn)中，“雷擊”縮比驗(yàn)證機(jī)表現(xiàn)出了優(yōu)秀的飛行特性，即使在從垂直飛行向水平飛行的過渡中也可以保持飛行高度不變。此外，分布式推進(jìn)系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)特性也十分出色。

縮比驗(yàn)證機(jī)完成試飛后，各方都給予了極高評價(jià)。DARPA項(xiàng)目經(jīng)理阿西斯？巴蓋里（Ashish Bagai）表示：“極光公司團(tuán)隊(duì)的全新工程和技術(shù)手段在‘雷擊’縮比驗(yàn)證機(jī)的試飛中展示出了巨大潛力。該飛行試驗(yàn)極具挑戰(zhàn)性，發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)可以為未來的垂直起降飛行和航空武器型號(hào)研制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。”極光公司創(chuàng)始人和CEO約翰？蘭福特（John Langford）也表示：“‘雷擊’縮比驗(yàn)證機(jī)成功試飛是前無古人的成就，只有全尺寸驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)會(huì)超越它。”而針對縮比驗(yàn)證機(jī)的飛控系統(tǒng)，極光公司首席技術(shù)官湯姆？克蘭西（Tom Clancy）認(rèn)為：“XV-24A的分布式電推進(jìn)系統(tǒng)使用了全新的飛行控制系統(tǒng)，這需要一系列復(fù)雜的操控裝置，而試飛的成功表明飛行控制和氣動(dòng)設(shè)計(jì)完全符合我們的預(yù)期。”

即將開展全尺寸驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)

雖然縮比驗(yàn)證機(jī)的試驗(yàn)取得了成功，但VXP項(xiàng)目面臨的最大挑戰(zhàn)也即將到來，即在2018年下半年開展全尺寸XV-24A驗(yàn)證機(jī)的飛行試驗(yàn)，而且需要達(dá)到DARPA提出的高難度技術(shù)指標(biāo)。巴蓋里為此指出：“項(xiàng)目設(shè)立的十分激進(jìn)的性能參數(shù)將把相關(guān)技術(shù)推向極限。而如果成功，將為美軍帶來全新一代垂直起降作戰(zhàn)能力。”

針對全尺寸飛行試驗(yàn)，DARPA表示縮比驗(yàn)證機(jī)的大部分飛行設(shè)計(jì)和任務(wù)控制架構(gòu)將得到沿用，但也會(huì)做出一些調(diào)整。重量約5443kg的全尺寸XV-24A驗(yàn)證機(jī)將采用三余度飛行控制系統(tǒng)，安全性大大增強(qiáng)；涵道風(fēng)扇采用同步電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以保持轉(zhuǎn)速恒定，通過調(diào)節(jié)總距控制拉力。而縮比驗(yàn)證機(jī)的槳距不可調(diào)，僅通過控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速模擬調(diào)節(jié)槳距效果。另外，涵道風(fēng)扇將使用ThinGap公司的無刷電動(dòng)機(jī)，其中機(jī)翼風(fēng)扇功率為100kW，鴨翼風(fēng)扇功率為70kW；發(fā)動(dòng)機(jī)將使用V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的羅羅北美公司AE1107C渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是采用鋰電池。該發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)多年使用技術(shù)成熟可靠，最大起飛功率3458kW、功重比達(dá)到10.41；最后，AE1107C將驅(qū)動(dòng)3臺(tái)霍尼韋爾公司的1MW發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。該發(fā)電機(jī)是霍尼韋爾公司的最新研究成果，重127kg，被封裝在約60cm×35cm的體積中，效率可以達(dá)到98%。這意味著3臺(tái)發(fā)電機(jī)只產(chǎn)生2%、約60kW的廢熱。相比波音787功率250kW、重95kg的發(fā)電機(jī)，霍尼韋爾的1MW發(fā)電機(jī)功率是其4倍，而重量僅比其重33%。另外，霍尼韋爾公司聲稱其發(fā)電機(jī)的另一個(gè)創(chuàng)新是不需要電機(jī)控制器。目前，大多數(shù)的航空電機(jī)都需要在電源和作動(dòng)部件之間安裝電機(jī)控制器，以減緩頻率輸出波動(dòng)，提供全速控制。霍尼韋爾1MW發(fā)電機(jī)使用了固定頻率，不需要額外的電子部件進(jìn)行調(diào)節(jié)，這既減輕了重量、壓縮了成本，又降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。

展望未來發(fā)展，巴蓋里說：“XV-24A驗(yàn)證機(jī)不會(huì)進(jìn)行量產(chǎn)，但是其發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)可帶來作戰(zhàn)能力的變革，如隱身能力更強(qiáng)、更省油、適應(yīng)能力更強(qiáng)等。另外，雖然目前XV-24A驗(yàn)證機(jī)是無人駕駛的，但其研發(fā)的先進(jìn)技術(shù)可以快速應(yīng)用到有人作戰(zhàn)飛機(jī)上。”

結(jié)束語

海外作戰(zhàn)時(shí)缺少可用的機(jī)場一直是限制美軍裝備作戰(zhàn)能力發(fā)揮的一個(gè)重要因素，其使美軍空中作戰(zhàn)力量較難及時(shí)、全面覆蓋戰(zhàn)場各個(gè)角落，作戰(zhàn)能力的發(fā)揮嚴(yán)重受限。因此，五角大樓才對不受地形限制的垂直起降飛行器存在大量需求，也導(dǎo)致DARPA啟動(dòng)了一些相關(guān)的項(xiàng)目。例如除了本文的VXP項(xiàng)目，該局同時(shí)也在實(shí)施“戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點(diǎn)”（TERN）和“可重構(gòu)嵌入式航空系統(tǒng)”（ARES）等項(xiàng)目。TERN項(xiàng)目旨在為美軍普通艦船發(fā)展一型中空長航時(shí)察打一體無人技術(shù)原型機(jī)，作戰(zhàn)半徑1700km，可以覆蓋全球95%的陸地面積，使美軍空中作戰(zhàn)力量存在于全球各地。目前TERN原型機(jī)研發(fā)順利，將于2018年年底進(jìn)行一系列海上飛行試驗(yàn)。ARES項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理也是巴蓋里，該項(xiàng)目將發(fā)展出具備模塊化任務(wù)單元的垂直起降無人運(yùn)輸原型機(jī)，其可根據(jù)不同任務(wù)，搭載醫(yī)療救護(hù)、貨物補(bǔ)給或情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）等任務(wù)模塊中的任意一種進(jìn)行垂直起降和快速飛行，提供靈活、不受地形限制的運(yùn)輸能力，有效避免地面威脅。ARES原型機(jī)的將于今年秋季首飛。目前來看，DARPA的上述垂直起降飛行器項(xiàng)目都極有可能被軍方采用，如果完成技術(shù)轉(zhuǎn)化，將使美軍空中作戰(zhàn)力量快速出現(xiàn)在之前難以到達(dá)的空域，有效填補(bǔ)作戰(zhàn)能力空白，可以全面提升全球存在和全球作戰(zhàn)能力。

（袁成 李昊，中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心）