張斌

直升機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中可以執(zhí)行兵力機(jī)動(dòng)、火力支援、反艦反潛、監(jiān)視偵察、戰(zhàn)斗搜救、后勤補(bǔ)給、特種滲透等任務(wù)，特別是當(dāng)遇到崎嶇地形、高海拔山區(qū)以及地面運(yùn)輸受阻時(shí)，直升機(jī)將發(fā)揮不可替代的作用。但目前美軍裝備的直升機(jī)大多是20世紀(jì)90年代前裝備的，有些直升機(jī)服役時(shí)間甚至超過(guò)了50年，如CH-47“支奴干”運(yùn)輸直升機(jī)，而且傳統(tǒng)直升機(jī)速度慢、航程短、效率低，無(wú)法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，所以，美國(guó)需要開(kāi)始著手研制速度高、航程大、懸停效率高、使用成本低的下一代先進(jìn)旋翼機(jī)。為此，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和美國(guó)陸軍分別提出了“垂直起降試驗(yàn)機(jī)（VTOL X-Plane）”項(xiàng)目和“聯(lián)合多用途旋翼機(jī)”（Joint-Multi-Role，JMR）項(xiàng)目。

垂直起降試驗(yàn)機(jī)項(xiàng)目

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)構(gòu)型的直升機(jī)無(wú)法在保證航程、懸停效率的條件下提高飛行速度，因此，DARPA提出了“垂直起降試驗(yàn)機(jī)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目將綜合利用垂直起降飛機(jī)和固定翼飛機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)新型垂直起降技術(shù)和新概念構(gòu)型的發(fā)展。

2013年3月8日，DARPA發(fā)布了研制垂直起降試驗(yàn)機(jī)的項(xiàng)目需求，要求研制一種在巡航速度、懸停效率、巡航升阻比，有效載荷以及平臺(tái)綜合功能等方面優(yōu)于現(xiàn)有常規(guī)直升機(jī)的新機(jī)型，解決長(zhǎng)期困擾常規(guī)直升機(jī)的問(wèn)題，如后行槳葉失速、廢阻力高等。

“垂直起降試驗(yàn)機(jī)”項(xiàng)目分3階段進(jìn)行，第1階段分為2個(gè)子階段—1A和1B，1A是為期6個(gè)月的概念設(shè)計(jì)階段，1B是為期16個(gè)月的預(yù)先設(shè)計(jì)和技術(shù)成熟度發(fā)展階段；第2階段將進(jìn)行為期18個(gè)月的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、研發(fā)和集成；第3階段是為期12個(gè)月的地面和飛行試驗(yàn)。

DARPA對(duì)試驗(yàn)機(jī)提出的具體性能參數(shù)包括：巡航速度556～740千米/小時(shí)；懸停效率從60%至少提高到75%；巡航升阻比從5～6提高到10；總重為4.5～5.5噸，載重不低于飛機(jī)總重的40%，有效載荷不低于總重的15.5%。

聯(lián)合多用途旋翼機(jī)項(xiàng)目

聯(lián)合多用途旋翼機(jī)（JMR）項(xiàng)目是未來(lái)垂直起降（Future Vertical Lift，F(xiàn)VL）計(jì)劃的前期項(xiàng)目。2009年，美國(guó)防部長(zhǎng)為了集中研發(fā)垂直起降技術(shù)提出了FVL計(jì)劃。FVL的目的是采用新設(shè)計(jì)、新材料和新技術(shù)，研制出高速度、大航程、高可靠性、易維護(hù)性、低使用成本的先進(jìn)旋翼機(jī)，擬2030年前后用來(lái)替代UH-60“黑鷹”、AH-64“阿帕奇”、CH-47“支奴干”和OH-58“基奧瓦”等型現(xiàn)役直升機(jī)。

FVL-M項(xiàng)目提出的性能指標(biāo)包括：飛行速度426千米/小時(shí)，無(wú)空中加油航程比UH-60M高40%（超過(guò)800千米），35℃環(huán)境下懸停升限達(dá)到1829米。

JMR項(xiàng)目分2個(gè)階段進(jìn)行：第1階段進(jìn)行平臺(tái)技術(shù)驗(yàn)證；第2階段將進(jìn)行任務(wù)系統(tǒng)驗(yàn)證。第1階段主要對(duì)不同布局方案進(jìn)行分析，明確JMR設(shè)計(jì)要求和性能參數(shù)指標(biāo)，選出初步設(shè)計(jì)方案。第2階段主要研究與任務(wù)系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)、概念、構(gòu)架和程序的經(jīng)濟(jì)可承受性以及任務(wù)系統(tǒng)的性能參數(shù)指標(biāo)，該階段的研發(fā)和測(cè)試將在2015財(cái)年開(kāi)始，任務(wù)系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)定于2017～2019財(cái)年。

2013年10月，美國(guó)陸軍向AVX飛機(jī)公司、凱瑞姆飛機(jī)公司、貝爾直升機(jī)公司和西科斯基飛機(jī)公司授予了技術(shù)投資協(xié)議（TIA），要求這4個(gè)公司9個(gè)月內(nèi)完成先進(jìn)旋翼機(jī)的初步設(shè)計(jì)，美國(guó)陸軍將會(huì)對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審，并且選出其中2個(gè)公司的設(shè)計(jì)于2017年進(jìn)行演示飛行。

JMR有4種型號(hào)，分別為輕型、中型、重型和超重型。其中輕型用于偵察，計(jì)劃2030年用來(lái)替代OH-58“基奧瓦”直升機(jī)；中型分為通用型和攻擊型2種，計(jì)劃2027～2028年分別用來(lái)替代UH-60“黑鷹”直升機(jī)和AH-64“阿帕奇”直升機(jī)；重型用于運(yùn)輸，計(jì)劃2035年用來(lái)替代CH-47“支奴干”直升機(jī)；超重型計(jì)劃2025年用于替代C-130J和A400M運(yùn)輸機(jī)。JMR的4種型號(hào)的性能參數(shù)如表1所示。

設(shè)計(jì)方案

在DARPA垂直起降試驗(yàn)機(jī)的競(jìng)選方案中，有極光飛行科學(xué)公司、波音公司、凱瑞姆飛機(jī)公司和西科斯基飛機(jī)公司參與競(jìng)標(biāo)。這4個(gè)公司都提出了無(wú)人駕駛設(shè)計(jì)方案，其中只有極光飛行科學(xué)公司沒(méi)有公布其具體設(shè)計(jì)方案，但極光飛行科學(xué)公司是涵道風(fēng)扇和混合推進(jìn)飛行器的先驅(qū)。波音公司的設(shè)計(jì)方案是在機(jī)身嵌入2個(gè)升力風(fēng)扇，在機(jī)翼翼尖安裝2個(gè)傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇提供升力和前進(jìn)推力，2013年，波音制造并且試飛了該機(jī)的縮比模型。凱瑞姆飛機(jī)公司推出了一種具有最佳轉(zhuǎn)速的傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器。西科斯基飛機(jī)公司采用共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼加后置推進(jìn)螺旋槳布局。DARPA計(jì)劃從這4個(gè)公司中選出1家在2015年末進(jìn)入第2階段的研制工作，并且在2017～2018年參加飛行試驗(yàn)。

在JMR技術(shù)演示（JMR-TD）的第一階段，有6個(gè)團(tuán)隊(duì)提出了旋翼機(jī)設(shè)計(jì)競(jìng)選方案，分別為AVX飛機(jī)公司、貝爾直升機(jī)公司、西科斯基飛機(jī)公司、凱瑞姆飛機(jī)公司、EADS北美公司、皮亞斯基飛機(jī)（Piasecki Aircraft）公司，其中EADS北美公司由于財(cái)經(jīng)壓力中途放棄了JMD-TD的競(jìng)選。最后，美國(guó)陸軍向AVX飛機(jī)公司、貝爾直升機(jī)公司、西科斯基飛機(jī)公司和凱瑞姆飛機(jī)公司授予了技術(shù)投資協(xié)議（TIA）。這4個(gè)公司提出的設(shè)計(jì)方案可分為2類，一類為是傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)式布局；另一類是旋翼加螺旋槳式布局方案，即復(fù)合式直升機(jī)。其中貝爾直升機(jī)公司和凱瑞姆飛機(jī)公司采用第1類方案，AVX飛機(jī)公司和西科斯基飛機(jī)公司采用的是第2類方案。美陸軍計(jì)劃從這4個(gè)公司中選出2家公司在2017年進(jìn)行演示飛行。

這4家公司的具體設(shè)計(jì)方案如下：

AVX飛機(jī)公司方案

AVX計(jì)劃為美陸軍設(shè)計(jì)通用型和武裝型2種型號(hào)的旋翼機(jī)，AVX飛機(jī)公司的競(jìng)標(biāo)方案采用共軸雙旋翼兩側(cè)涵道風(fēng)扇布局。

其機(jī)身兩側(cè)各有一個(gè)大艙門，尾部有一個(gè)很大的貨艙門，方便人員快速進(jìn)出和貨物的快速卸載。為了提高氣動(dòng)效率，2種型號(hào)的起落架均采用伸縮起落架。共軸雙旋翼可以相互平衡反扭矩，從而可避免尾槳帶來(lái)的能源消耗，還可以提供較高的懸停效率。前飛時(shí)涵道風(fēng)扇提供所有水平拉力，旋翼只需提供升力，在最大速度（430千米/小時(shí)）情況下，旋翼只需提供60%的升力，機(jī)身前部短翼和涵道風(fēng)扇可以提供40%的升力，這樣可以減小槳葉載荷并且降低振動(dòng)。該方案的試驗(yàn)機(jī)將裝備GE T706發(fā)動(dòng)機(jī)，但AVX公司希望未來(lái)能夠裝備輸出功率達(dá)3600千瓦且經(jīng)濟(jì)性好的先進(jìn)渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)在最大速度、巡航速度、載荷等方面都優(yōu)于常規(guī)直升機(jī)，具體性能參數(shù)如表2所示。endprint

貝爾直升機(jī)公司方案

貝爾直升機(jī)公司的競(jìng)標(biāo)方案是第3代傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-280。V-280采用V型尾翼，機(jī)身采用復(fù)合材料，與V-22不同，V-280在進(jìn)行直升機(jī)與飛機(jī)模式轉(zhuǎn)換時(shí)，僅旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)動(dòng)機(jī)并不轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然V-280上的許多技術(shù)都是基于貝爾/波音聯(lián)合研制的V-22傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，但大多數(shù)技術(shù)都進(jìn)行了升級(jí)和改進(jìn)。V-280在低速靈活性、高速大過(guò)載機(jī)動(dòng)性、燃油效率等方面都大大優(yōu)于V-22。V-280將裝備通用動(dòng)力（GE）公司的GE38發(fā)動(dòng)機(jī)，其功率為5520千瓦，與V-22的AE1107C發(fā)動(dòng)機(jī)功率等級(jí)相當(dāng)。GE38發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)運(yùn)用許多未來(lái)可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（FATE）項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，例如先進(jìn)冷卻技術(shù)。GE38發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)完成了3100小時(shí)的試驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)還將裝備在西科斯基公司制造的CH-53K重型直升機(jī)上，該機(jī)將在2014年底進(jìn)行首飛。為保證V-280擁有出色的操縱性能，貝爾直升機(jī)公司希望為V-280研制一套全新的3余度電傳飛控系統(tǒng)。穆格公司將承擔(dān)其綜合飛行控制系統(tǒng)（飛控計(jì)算機(jī)、支持軟件和飛控作動(dòng)器）的設(shè)計(jì)、制造和取證工作。

西科斯基飛機(jī)公司方案

西科斯基飛機(jī)公司的競(jìng)標(biāo)方案是在X2的技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)的S-97“侵襲者”，該機(jī)采用共軸對(duì)轉(zhuǎn)雙旋翼加后置推進(jìn)螺旋槳布局。其尾部螺旋槳可以對(duì)直升機(jī)進(jìn)行加速和減速，前飛時(shí)，后置螺旋槳可以提供前進(jìn)推力，增加飛機(jī)的飛行速度；懸停時(shí)，可以將后置螺旋槳關(guān)閉；減速時(shí)，后置螺旋槳反轉(zhuǎn)可以使直升機(jī)在短距離內(nèi)降低飛機(jī)前飛速度。主旋翼葉片采用電傳控制系統(tǒng)。多任務(wù)駕駛艙可以提高作戰(zhàn)靈活性，其里面的輔助燃油箱可以增加航程、續(xù)航時(shí)間以及提高作戰(zhàn)能力。S-97有可能裝備GE公司的YT706-GE-700R發(fā)動(dòng)機(jī)。YT706發(fā)動(dòng)機(jī)是GE公司享譽(yù)盛名的T700/CT7系列發(fā)動(dòng)機(jī)之一，其功率范圍1837～2205千瓦，現(xiàn)主要用于美國(guó)陸軍的MH-60M直升機(jī)。

與常規(guī)直升機(jī)相比，S-97懸停高度可增加150%、速度和續(xù)航時(shí)間增加一倍、載荷增加40%、作戰(zhàn)半徑增加60%；與機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)特性更加復(fù)雜的V-22相比，懸停效率更高。

凱瑞姆飛機(jī)公司方案

凱瑞姆飛機(jī)公司的競(jìng)選方案是TR36TD，該機(jī)采用了最佳轉(zhuǎn)速傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)概念。最佳轉(zhuǎn)速傾轉(zhuǎn)旋翼設(shè)計(jì)概念是指飛機(jī)在垂直飛行和前飛時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼的轉(zhuǎn)速可以改變，使槳葉載荷最優(yōu)，從而使旋翼推進(jìn)效率最高，發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)旋翼的速度通過(guò)多速變速箱調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)以最優(yōu)轉(zhuǎn)速工作，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。在懸停與前飛時(shí)，旋翼轉(zhuǎn)速最小可以降低25%，最多可以降低40%。

TR36TD機(jī)翼采用翼展和展弦比比V-22更大的薄翼機(jī)翼。V-22的傾轉(zhuǎn)旋翼固定在翼尖，為了避免旋轉(zhuǎn)顫振造成氣動(dòng)彈性失穩(wěn)，必須限制機(jī)翼的翼展，而TR36TD的輕質(zhì)剛性旋翼可以延遲旋轉(zhuǎn)顫振的發(fā)生，因而，TR36TD可以采用大翼展薄翼機(jī)翼，這可以降低飛機(jī)在以飛機(jī)模式飛行時(shí)的阻力。機(jī)翼左右兩側(cè)各裝有一個(gè)可傾轉(zhuǎn)的旋翼，外部機(jī)翼固定在傾轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙上，可與發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙一起旋轉(zhuǎn)，這樣可以減少機(jī)翼在懸停時(shí)的下洗流。輕質(zhì)剛性槳葉固定在輪轂上，輪轂固定在桅桿上，各槳葉與輪轂并不采用鉸鏈聯(lián)接，而是通過(guò)電能進(jìn)行獨(dú)立控制，這種設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、減輕重量以及提高控制能力，進(jìn)而可以減小尾翼面積。TR36TD將采用現(xiàn)有的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)的最大飛行速度可達(dá)670千米/小時(shí)。

設(shè)計(jì)方案分析

傳統(tǒng)直升機(jī)的最大飛行速度主要受前行槳葉局部激波、后行槳葉氣流分離及槳盤前傾的限制。目前，傳統(tǒng)直升機(jī)的最大飛行速度難以超過(guò)370千米/小時(shí)。AVX飛機(jī)公司和西科斯基飛機(jī)公司提出的旋翼加螺旋槳布局方案，即復(fù)合式直升機(jī)，可以大大提高飛行速度。當(dāng)飛行速度較大時(shí)，直升機(jī)所需的水平拉力全部由螺旋槳提供，旋翼槳盤不需要前傾，所以就不存在槳盤前傾對(duì)最大飛行速度的限制。但由于旋翼的存在，復(fù)合式直升機(jī)的速度仍然受到限制。為了避免前行槳葉出現(xiàn)局部激波，前行槳葉速度不能太大，因此，最大旋翼前進(jìn)比（μmax）就會(huì)很大，旋翼反流區(qū)隨μmax增大而增大，當(dāng)μmax>1時(shí)，后行槳葉幾乎全部處于反流區(qū)中。所以，目前復(fù)合式直升機(jī)的最大速度難以超過(guò)500～550千米/小時(shí)。

復(fù)合式直升機(jī)可以提高懸停效率。通常復(fù)合式直升機(jī)的旋翼都采用共軸雙旋翼，因?yàn)楣草S雙旋翼可以平衡反扭矩，如果采用單旋翼，那么就需要尾槳或其他裝置來(lái)平衡反扭矩，這會(huì)增加結(jié)構(gòu)重量和復(fù)雜性，所以AVX和西科斯基公司都采用了共軸雙旋翼。具有共軸雙旋翼的直升機(jī)在懸停時(shí)兩旋翼之間會(huì)產(chǎn)生有利干擾，從而提高直升機(jī)懸停效率。

復(fù)合式直升機(jī)更適合航程要求大的直升機(jī)。因?yàn)閺?fù)合式直升機(jī)往往要損失重量效率，但當(dāng)飛行速度大時(shí)，復(fù)合式直升機(jī)的氣動(dòng)效率高，因而相對(duì)燃油重量就會(huì)降低，有效載荷占總重的比例就會(huì)增大。此外，只有在航程較大的情況下，提高直升機(jī)飛行速度才能顯著提高運(yùn)輸效率，所以，航程越大，復(fù)合式直升機(jī)在有效載荷和運(yùn)輸效率方面就越有優(yōu)勢(shì)。

貝爾直升機(jī)公司和凱瑞姆飛機(jī)公司提出的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可以大大提高飛行速度。在前飛時(shí)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)變成了螺旋槳飛機(jī)，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的最大飛行速度理論上可以達(dá)到800千米/小時(shí)以上。但傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的懸停效率會(huì)稍差，因?yàn)閮A轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在垂直飛行時(shí)，旋翼和機(jī)翼會(huì)產(chǎn)生不利干擾，影響懸停效率。

傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)方案適合速度高、航程大的重型直升機(jī)。首先傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行速度大時(shí)的氣動(dòng)效率高，因此，速度越高、航程越大，其優(yōu)勢(shì)越明顯，原理與前面提到的相同。此外，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)有2個(gè)旋翼和主減速器，從結(jié)構(gòu)重量看，如果直升機(jī)總重較小，那么旋翼和主減速器重量所占總重的比例就很大，其運(yùn)輸效率就會(huì)降低。所以，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)更適合速度高、航程大的重型直升機(jī)。

綜上可知，這4家公司提出的2種方案，在飛行速度、航程以及載荷方面都優(yōu)于傳統(tǒng)直升機(jī)；AVX和西科斯基公司提出的復(fù)合式直升機(jī)方案比貝爾直升機(jī)公司和凱瑞姆飛機(jī)公司提出的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)方案在懸停效率方面可能更優(yōu)，但在最大飛行速度和載荷方面可能要稍差。endprint