美国“雷击”垂直起降试验飞机

张毅+李昊

2016年3月4日，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）宣布，极光飞行科学公司（下称极光公司）的“雷击”无人机方案赢得“垂直起降试验飞机”（VTOL X-Plane，VXP）项目竞标，获得总金额8 944万美元的第二、三阶段研究合同。极光公司将开展原型机研制和试验工作，预计2018年完成首飞。这标志着美国更新一代的新概念高速、高效垂直起降飞机探索项目完成了选型工作，开始进入原型机演示验证阶段。

VXP项目概况

“垂直起降试验飞机”项目于2013年2月启动，旨在开发一种新的垂直起降飞行器，使其兼具当前常规直升机垂直起降能力和悬停性能，以及公务机的有效载重水平、飞行速度和升阻比。开发和设计工作涉及新技术或现有技术改进、子系统、平台概念及构型等方面。

DARPA在VTOL X-Plane项目中对验证机性能提出了极高的要求，最主要的性能指标包括以下几个方面：

*验证机最大起飞重量在4 500～ 5 400千克之间，技术可扩展应用在最大起飞重量1 800～10 800千克之间不同吨位的平台上；

*机动性能要求能够承受-0.5g～ 2.0g过载；

*持续飞行速度能够达到556～741千米/时；

*悬停效率不低于75%；

*巡航状态升阻比不低于10；

*有效载重不低于总重的40%，商载不低于12.5%。

从其提出的性能指标来看，飞行速度、悬停效率和巡航升阻比是挑战性较大的指标，而在这些指标同时满足的条件下能够达到其提出的重量指标则进一步加大了难度，对设计、材料、制造等方面都有极高的要求。

飞行速度方面，项目要求达到556～ 741千米/时的持续飞行速度。这一速度已达到固定翼飞机的水平，与涡桨飞机和部分喷气飞机相当，如C-17和C-130。美军正在进行的高速旋翼机型号研制项目“联合多任务旋翼机”（JMR）项目对飞行速度提出的指标仅为315～ 556千米/时；美军已服役的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机的最大前飞速度也仅为582千米/时。这意味着从飞行速度角度看，该机已明显高于当前在役和在研的高速旋翼机技术水平。

悬停效率方面，“垂直起降试验飞机”项目要求悬停效率不低于75%，也远高于当前旋翼机（60%）的水平。这意味着旋翼系统的气动性能需要大幅提升，不仅需要采用气动性能更好的翼型，同时还需要有更为优化的桨尖形状；并且，由于高速特性和悬停性能两方面的要求，桨叶设计还需要兼顾高速和低速两种不同状态的气动性能，进一步增加了设计难度。

巡航性能方面，“垂直起降试验飞机”要求全机巡航状态升阻比达到10以上，达到早期的通用飞机的水平（如塞斯纳172通用飞机的全机升阻比为11.6）；而目前由于构型的固有限制，常规直升机的全机升阻比仅为4～6左右。这意味着该机很难仅靠旋翼系统提供升力，因此具有固定翼特征的构型方案将成为一个努力的方向；此外，高速巡航状态气动减阻问题也是当前高速旋翼机的技术难点之一，西科斯基X2和空客直升机公司（原欧直公司）的X3都遇到了这一问题。

除极光公司外，该项目第一阶段还曾有另外三家公司提交了设计方案，分别是波音的“幽灵雨燕”、西科斯基飞机公司的“旋翼下洗机翼”和卡雷姆飞机公司的TR36XP“最优转速倾转旋翼机”。

西科斯基/洛马“旋翼下洗机翼”西科斯基/洛马小组提交了一个名为“旋翼下洗机翼”的无人机概念。其由左右两套旋翼系统提供升力从垂直状态起飞，在飞行过程中逐渐提高平飞速度，并将机身转为水平，由机翼提供升力，而旋翼则充当螺旋桨，提供前飞所需拉力。

这一概念与波音公司20世纪90年代研制的“直升翼”无人旋翼机的设计十分类似，区别仅是其将“垂尾”从一个改为两个，布置在两个旋翼的正下方。“直升翼”在1995年完成首飞，其设计飞行速度为180节（334千米/时），飞行高度能够达到20 000英尺（6 096米），但其原型机在一次试飞的减速/下降过程中由于发动机失效而坠毁。

与其它几个方案相比，该方案在结构上相对简单，相对容易满足DARPA对有效载荷的要求，其技术难点主要集中设计方面，尤其是旋翼系统及其控制机构和控制率。然而由于桨盘面积相对较小，悬停效率方面可能会有些问题，而机身从垂直状态与水平状态过渡过程，即起飞/着陆过程的操纵性和稳定性也是一个设计难点。

波音“幽灵雨燕”波音公司提交的方案是一个名为“幽灵雨燕”的无人机，由波音公司鬼怪工厂设计。鬼怪工厂在30天内就完成了一个缩比的原理样机设计和制造工作，并进行了简单飞行，其中设计工作仅用了3天，可见其方案的结构复杂度相对不高。“幽灵雨燕”采用了机体上2个大尺寸涵道风扇、翼尖2个可倾转的涵道风扇的布局。其中机体的风扇主要用于垂直起降和悬停，翼尖的2个涵道风扇则用于提供操纵力。

该构型从结构上看十分简单，不管是倾转涵道风扇还是机体上的升力风扇对于波音公司来说都不是技术难点，该机的主要技术难点在于其旋翼尺寸较小，尽管有4个旋翼系统，但桨盘面积较小、诱导速度过高，恐怕仍会存在悬停效率较低的问题；此外从目前的构型形式来看，其货仓位置很难选择，容积和尺寸的限制也很严重，若不对方案进行调整的话，该构型的实用性不高。

与西科斯基公司方案类似，“幽灵雨燕”也依稀能够看到一些过去的技术验证机和型号的影子，如以色列研制的一个名为“空中骡子”的无人旋翼机，美国陆军于上世纪50年代研制的垂直起降飞机VZ-4DA，以及美国动力飞行系统公司提出的AD-150概念方案等。

卡雷姆公司TR36XP“最优转速倾转旋翼机”与西科斯基/洛马小组和波音的方案相比，卡雷姆公司的TR36XP方案则选择了一个相对中规中矩的倾转旋翼构型。方案的机翼翼展很大，并且呈折线形，外侧机翼随旋翼一起倾转。该方案的构型与NASA“大型民用倾转旋翼机”（LCTR）方案类似。

从技术层面来看，该倾转旋翼方案应该能够满足VXP的巡航升阻比要求，但悬停效率方面会相对有所挑战。因此其采用大翼展、大展弦比机翼，并且机翼外段随旋翼倾转，以尽量降低垂直起飞状态时机翼对旋翼下洗流的影响。此外，卡雷姆公司拿手的“优化转速旋翼”技术也将在这一方案上得到应用，该技术最早在A160“蜂鸟”无人直升机上应用，而A160的总设计师正是卡雷姆公司创始人亚伯拉罕·卡雷姆。该技术应能够较好地解决垂直起降/水平前飞两个状态下旋翼转速不同的问题，从而同时具备良好的悬停效率和巡航升阻比。

“雷击”方案的主要设计特点

“雷击”采用了鸭翼布局、倾转机翼设计，其最大特点是采用分布式混合动力电驱动系统，另外还采用了相应的新颖飞行控制设计。

采用混合动力电驱动设计“雷击”将配装1台罗罗公司的AE1107C涡轴发动机，其起飞功率为4 586千瓦，最大连续功率4 392千瓦；发动机通过一台减速器来带动3台美国霍尼韦尔公司的发电机（每台功率1 000千瓦），该发电机采用了霍尼韦尔公司在美国陆军“未来战斗系统”（FCS）项目中开发的技术，但功率密度较FCS使用的产品更大。

采用电驱动设计的目的，是为了避免在机翼内部布置空间占用较大、结构复杂的机械、液压动力/传动系统，从而实现降低结构重量和复杂度的目的，同时也能够减小机翼的弦长，提高悬停状态的操纵性和抗阵风稳定性。

分布式电驱动涵道风扇推进在“雷击”上，发电机产生的电力被分配至全机24个涵道风扇上，其中2个鸭翼上各安装3个，2个机翼上各安装9个。为容纳涵道风扇，机翼被设计成两层结构，因此在巡航模式下，可将“雷击”视为一架“双翼机”；由于涵道风扇产生的诱导速度，下机翼的上下表面流速差将明显大于上表面，将是其最主要的升力来源。

涵道风扇使用了ThinGap公司提供的无刷电动机，机翼风扇功率为100千瓦，鸭翼风扇功率为70千瓦；风扇采用恒定转速设计，通过调节总距来控制拉力；此外每个风扇所处涵道的上、下表面都可独立控制，以实时优化涵道气动效率和提供矢量推力（仅在垂直平面上）。

采用全新的飞行控制设计极光公司将“雷击”主机翼的涵道风扇的操纵面称为副翼，鸭翼涵道风扇的则称为升降舵，这意味着该机的滚转操纵主要通过主机翼实现，俯仰操纵通过鸭翼实现；偏航操纵则通过主机翼风扇推力的差动实现。“雷击”原型机的飞控系统将在极光公司为其“人马座”和“猎户座”无人机研制的飞控系统基础上开发。

机翼设计缓解重心布置问题按照设计，机翼在巡航模式状态具有一个下反角，因此当其倾转至垂直起降模式时，其机翼向上倾转90°，使机翼从下反状态转变为前掠状态。这样设计的原因是，在巡航模式下，机翼负责提供主要的推力，鸭翼主要用于操纵，对推力输出的贡献较小（鸭翼的6个风扇功率仅为70千瓦），因此当其转换至垂直起降模式时，由于鸭翼提供的升力较小，全机的重心位置将不得不布置在机身后部靠近主机翼处，不利于载荷布置，这种前掠机翼设计能够让重心位置更靠近机身中部，为设计和使用提供便利。

“雷击”方案的难点及解决途径

如前所述，采用分布式混合电驱动系统是“雷击”方案的最大特点。在固定翼飞机领域，美国航空航天局（NASA）和欧洲空客公司等都已在开展分布式混合电驱动技术研究，且也是通过电驱动风扇产生推力。“雷击”方案的参与者之一罗罗公司即参加了空客公司的相关研究项目，负责推进系统研究。因此，随着NASA和空客、罗罗等公司技术研发的推进，“雷击”项目或可从中吸取很多成果，为顺利完成飞行演示验证提供保障。但是，根据极光公司目前公布的设计方案，“雷击”方案仍存在明显的技术难点，主要是以下几个方面。

一是飞行控制。“雷击”全机布置24个风扇，每个风扇的总距角和上、下涵道面都可独立控制，加上机翼的倾转角，全机至少有70多个操纵量，且还涉及到涵道气动效率优化、多个风扇的能量分配等问题，其控制律将非常复杂，系统可靠性可能也会受影响。目前极光公司计划先将其简化成若干个风扇联动操纵的方式开展试验，预计未来技术成熟后才会改进成为全部独立控制的模式。

二是能量效率。由于采用了混合动力电驱动设计，能量从发动机输出，经过电能和机械能两次转换，必然会有一定的损失，目前技术水平下，该损失约为27%。这一定程度上将抵消其气动性能上的优势，对全机的航程、续航时间等飞行性能造成不利影响。根据NASA的判断，随着未来电动机技术的提高，这一损失将降低到8%左右，与机械传动系统大致相当，从而满足未来的需求。

三是重量特性。目前限制电驱动在航空器上应用的一个关键就是电动机功率密度过低，导致电动机重量较大，从而影响飞行器的有效载荷能力，该问题也是影响所有电驱动飞行器发展的主要技术瓶颈之一。目前来看，高温超导电机预计将是解决这一问题的有效途径，但以VXP项目的时间安排来看，“雷击”很难来得及等到高温超导电机技术成熟。

项目意义

战术意义方面，DARPA通常不会发展有明确的作战需求的技术（这些技术通常由有需求的军种来牵头开发），VXP项目最主要的目的也是探索能够用于提升垂直起降飞行器性能的一系列技术，这些技术未来可能会被拆分，并用在不同的平台上。笔者认为，“雷击”方案为美军带来的最重要的技术储备将是能够用于小型飞行器的分布式电推进技术。该技术广泛适用于美军中小型飞行器平台，特别是直升机机队，这将大大简化这些飞机的内部机械结构，从而减少由于机械故障导致的事故，以及机械部件维护带来的人力、物力成本；此外，由于取消了机械传动结构，该技术可有效降低全机振动和噪声水平，提高平台的声隐身性能，而这也将帮助美军获得一定的战场优势，特别是在特种作战方面。

战略意义方面，美国国防科学委员会（DSB）将高速垂直起降飞行器视为改变美军作战战术方式、保持美国军事优势的重要装备。美国国防科学委员会在2013年8月向国防部提交了一份名为《2030年保持优势的技术与创新》的报告，就具有重大潜在影响但目前发展仍不充分的技术，向国防部提出了具体的投资建议。报告认为，目前美军研制的很多结构复杂、费用高昂的武器装备都被对手采用相对廉价的技术所针对，而高速旋翼机能显著提升美军的机动能力、灵活性和保障能力，并一定程度上改变美军作战方式；同时，高速旋翼机由于较低的单机价格，能够形成较大的装备规模，使得其在技术上很难被针对，因而将迫使对手在更大范围内布防，从而对其造成经济上的压力。因此DSB建议国防部为目前唯一的高速旋翼机技术预研项目“垂直起降试验飞机”增加投资，对更多的构型方案进行验证，通过技术压制和成本施压来保持美国的军事优势。

几点看法

目前美军的旋翼机形成了以V-22、JMR和VXP为代表的阶梯状发展态势。美国首个高速旋翼机型号V-22于2008年开始正式部署，截至2015年共装备了265架，此外还有163架左右的采购订单。同时，美国陆军实施的面向未来高速旋翼机型号的“联合多任务旋翼机”（JMR）技术演示验证项目也进入原型机研制竞标阶段。DARPA也同时开展了VXP项目，为研发下一代性能更好的垂直起降高速飞行器进行概念探索和技术储备，以应对2030年之后的军事需求。可见，高速已成为美军的旋翼机技术发展最核心的目标之一，并引领世界军用旋翼机技术的发展方向。

目前，以电能为核心的分布式推进技术成为航空技术领域的一个发展热点，该技术能大大简化机体内部的传动、操纵等结构，为构型设计提供更大的灵活性，并提高气动效率和经济性。目前美国和欧洲都在开展该技术在大型民机上的应用研究。而VXP项目这次选择混合动力电驱动的“雷击”方案，将加速现有研究成果向工程应用的转化，从而为美军未来的旋翼机、无人机等中小型飞行器的性能提升提供更多技术途径，同时也能够为其在民用客机、大型运输机/轰炸机等中大型飞机上的应用提供部分技术储备。