聚焦美下一代高速旋翼机：改变美军作战方式(图)

　　2014年3月18日，美国国防部国防预先研究计划局（DARPA）正式宣布了其“垂直起降试验飞机”（VTOL X-Plane）项目第一阶段的4家竞标商，至此X飞机项目竞标全面展开。这标志着美国新一代高速垂直起降飞行器的技术预研和验证工作正式开始。

　　DARPA的功能和地位

　　DARPA诞生于20世纪中期的冷战环境中。1958年2月，DARPA成立，其使命是“防止他国技术突袭并力图给对手造成技术突袭”，在国防部科学与技术（S&T）研究活动中发挥“架桥”作用。

　　在航空领域中，DARPA研发的方向通常都定位在美军现役航空装备的换代技术的系统验证或关键技术攻关，其绝大部分都取得了预期的成效，这也是美军航空装备始终领先其他国家半代的原因之一。DARPA开展的多个技术验证机项目大部分都转为型号研制项目，如HAVE BLUE、TACIT BLUE和“经济可承受短距起飞垂直降落”（ASTOVL）分别转化为F-117、B-2和F-35项目。而在直升机领域，DARPA也开展过数个研究项目，如X-Wing高速旋翼机技术验证机、A160无人直升机、“蜻蜓”高速无人旋翼机项目等，以及NOTAR无尾桨系统、OH-58D信号处理技术，以及计划用于RAH-66“科曼奇”直升机的基于人工神经网络的辅助目标识别系统。

　　项目总体情况及进度安排

　　“垂直起降试验飞机”项目于2013年2月启动，旨在开发一种新的旋翼机构型，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。

　　“垂直起降试验飞机”项目预期研制周期为52个月，总预算约为1.3亿美元。项目共分为3个阶段工作。第一阶段工作为概念设计和技术准备，预算为4700万美元。第一阶段分为两个部分，A部分持续6个月，主要完成概念设计，并对子系统及整体构型进行分析、验证和改良，同时还将确定并选择动力系统。B部分将持续16个月，主要进行方案初步设计，并通过建模和仿真来提升关键的基础技术成熟度等级，降低研发风险，并将完成平台构型方案的进一步设计和优化、系统性能和重量参数的评估和调整、关键技术及子系统的初始工程设计等。

　　第二阶段工作是详细设计和系统集成，计划进行18个月。这一阶段将完成平台的详细设计及各子系统的关键设计评估，并在通过最终设计评估后完成验证机系统集成和总装。

　　第三阶段工作是地面及飞行试验，计划进行12个月。预计于合同授出42个月后完成验证机首飞（2017年2月前后）。随后将进行为期1年的飞行试验，对验证机重量、载荷、飞行速度、悬停效率、巡航效率、飞行包线等参数进行试验。

　　第一阶段工作于2013年年底开始，先后授出了4份概念设计合同，进行构型权衡和方案初始设计。获得合同的4个竞标商分别是：西科斯基公司/洛马公司小组、极光飞行科学公司、波音公司和卡雷姆公司。第一阶段工作结束后，DARPA将对设计方案进行评估，并从多个方案中选择一个开展第二、三阶段工作。计划在2017年春天实现验证机首飞，2018年2月完成项目全部研究内容。

　　项目技术指标分析

　　DARPA在“垂直起降试验飞机”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4500~5400千克之间，技术可扩展应用在最大起飞重量1800~10800千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水平。目前来看，能够实现悬停的飞行器只有旋翼机、飞艇和垂直起降飞机（如“鹞”式和F-35B）；但若要具备较高的悬停效率和机动能力，旋翼构型几乎是唯一的解决途径。当前的直升机悬停效率通常只有60%左右。其悬停功率损失中，型阻损失约占30%，桨尖损失和非均匀入流等其他功率损失约占10%。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，桨叶设计还需要同时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，而目前常规直升机由于构型的固有限制，全机升阻比仅为4左右。这意味着该机很难仅靠旋翼系统提供升力，其机身也需要在巡航状态下提供较大比例的升力，因此具有固定翼特征的构型方案将成为一个努力的方向；同时，高速飞行状态下旋翼结构的阻力也需要通过各种方式予以降低，以达到全机升阻比的要求。而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，西科斯基公司X2技术验证机（共轴反转无铰刚性旋翼＋推进桨构型）的技术难点之一就在于如何降低高速飞行时旋翼头部分的气动阻力，欧直公司的X3也遇到了类似的问题。

　　项目意义

　　高速旋翼机将成为改变美军作战战术方式、保持美国军事优势的重要装备。旋翼机一直是美军装备体系中重要的组成部分，其在美军历次的作战和其他行动中都发挥了重要且不可替代的作用，是美军保持其军事优势的关键装备之一。美国国防科学委员会（DSB）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，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，而高速旋翼机技术由于具备较高的性价比，并能够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建议国防部为作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，从而为高速旋翼机性能提升提供更充分的技术准备，从而达到通过技术压制和成本施压两个方面保持美国未来的军事优势。

　　美国已初步形成高速旋翼机研发的良性循环体系。美国的武器装备发展长期以来一直保持着“探索一代、预研一代、生产一代”的特点，而目前在高速旋翼机上也初步形成了这一体系。美军还启动了多个基于高速旋翼机技术的型号发展项目，如JMR、“联合未来战区运输机”（JFTL）等，目前都在进行之中。因此作为为美军提供先进技术储备、推动基础研究在军事领域应用的机构，DARPA认为当前的高速旋翼机技术已基本成熟，应开始为下一代性能更强的高速垂直起降飞行器的研发进行概念探索和技术储备，以应对2030年之后的军事需求。这意味着美国在高速旋翼机领域也形成了其常用的“探索一代、研制一代、生产一代”的发展模式，以继续保持其在军用旋翼机领域的技术优势。（李昊）