（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412000）

0.概述

VTOL飛機是一種具有垂直起降能力的飛機，其巡航速度等同于普通固定翼飛機且滿足完成遠(yuǎn)程任務(wù)的要求。VTOL飛機具有其獨特的優(yōu)勢，如對跑道依賴性低，可在復(fù)雜地形環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，又具備遠(yuǎn)超出直升機的巡航速度，其隱蔽性和機動性使得該類型飛機一直以來受到了美國軍方的青睞。典型的VTOL飛機包含有以西科斯基S-97為代表的復(fù)合型飛機、以貝爾V-22為代表的傾轉(zhuǎn)推進(jìn)飛機、以NASA研發(fā)的GL-10為代表的傾轉(zhuǎn)翼飛機、以NASA研發(fā)的Puffin為代表的尾坐式飛機、以洛克希德F-35B為代表的升力風(fēng)扇飛機以及以英國鷂系列戰(zhàn)斗機為代表的矢量噴管飛機。這6類典型的VTOL飛機具備其各自的優(yōu)勢和局限。但可見，VTOL飛機長期是各大主機廠關(guān)注且不斷研究的對象。本文以回顧5個主要的美國VTOL飛機研發(fā)計劃為基礎(chǔ)，揭示其研發(fā)趨勢。

1.美國VTOL飛機研發(fā)計劃

美國無疑是當(dāng)今的航空界的領(lǐng)導(dǎo)者，并且其長期在VTOL技術(shù)研發(fā)方面處于壟斷地位。近年，有許多國家也致力于VTOL技術(shù)研發(fā)，但其起點也是花大量的精力來分析美國VTOL研發(fā)歷史，以便從中學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)的經(jīng)驗。

1.1 聯(lián)合研制垂直起降試驗機（JVX）計劃

1980年伊朗人質(zhì)危機期間，美軍解救行動“鷹爪行動”失敗，使得美國國防部加大了對新型遠(yuǎn)程、高速、垂直起飛飛機研發(fā)的重視。為此，1981年，美國國防部啟動了JVX飛機研制計劃[1]。由于海軍陸戰(zhàn)隊的主要任務(wù)是執(zhí)行兩棲登陸，集中的打擊力量很容易受到單枚核武器的傷害，如果有兼?zhèn)涓咚俸瓦h(yuǎn)程特性的空中解決方案將可有效地實現(xiàn)分散撤退，為此他們對JVX計劃表現(xiàn)出了特別的興趣。因此，JVX計劃中要求VTOL飛機具有高速和遠(yuǎn)程特性。該計劃是研究現(xiàn)代VTOL飛機的起點，側(cè)重于開發(fā)直升機的替代品，而在其他方面沒有嚴(yán)格的要求。最終，貝爾V-22“魚鷹”贏得了該計劃。

1.2 聯(lián)合攻擊機（JSF）計劃

JSF計劃是一項開發(fā)和采購計劃，旨在取代美國、英國、土耳其、意大利、加拿大、澳大利亞、荷蘭及其盟國現(xiàn)有的戰(zhàn)斗機、攻擊機和地面攻擊機，包括美國的F-16、A-10、F/A-18A-D、AV-8B和英國鷂式GR7和GR9。JSF計劃合并了低成本通用輕戰(zhàn)斗機（CALF）計劃和聯(lián)合先進(jìn)打擊技術(shù)（JAST）計劃。合并初期，仍采用了JAST這一名稱，直至工程制造開發(fā)（EMD）階段才更名為JSF計劃。

1996年11月16日，兩份開發(fā)原型機的合同分別被授予洛克希德·馬丁公司和波音公司。每個公司需生產(chǎn)兩架飛機，以展示其常規(guī)起降、航母起降以及短距起飛垂直降落的能力。與其共同競爭的麥克唐納·道格拉斯公司因其設(shè)計過于復(fù)雜而被拒。隨后，兩家公司分別獲得了7.5億美元的資金用于研發(fā)概念驗證機和定義“首選武器系統(tǒng)概念”。

從概念選取到設(shè)計研發(fā)再到完成試驗，美國國防部在該計劃啟動8年后最終選取了洛克希德·馬丁F-35B作為其最終計劃產(chǎn)物[2]。

1.3 聯(lián)合重型運輸旋翼機（JHL）計劃

基于伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中所獲得的經(jīng)驗，美國更加意識到研發(fā)VTOL飛機的重要性，并且將研發(fā)適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境的VTOL飛機作為美國未來十大軍事關(guān)鍵技術(shù)之一。自此，美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)部啟動了JHL直升機計劃，與西科斯基公司、波音公司、貝爾波音公司和卡萊姆飛機公司分別簽署了為期18個月總金額超過3000萬美元的設(shè)計和分析合同。美軍發(fā)布的JHL初步能力文件（草案）要求JHL需要滿足未來聯(lián)合作戰(zhàn)計劃的要求，包括垂直包圍、擴(kuò)展作戰(zhàn)以及作為聯(lián)合遠(yuǎn)征的一部分實現(xiàn)陸海反接近策略，其基本設(shè)計目標(biāo)是能夠在463km范圍內(nèi)運輸重量超過20t的未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（FCS）裝甲車。既要能垂直起飛，又要基于最基本的性能指標(biāo)實現(xiàn)20t以上的有效負(fù)載，這并非易事。目前，最大的重型直升機俄羅斯的M-26最大有效載荷達(dá)到了20t，但在實際戰(zhàn)斗使用條件下，其最大有效載荷僅為13t。JHL計劃基線設(shè)計規(guī)范中明確研發(fā)出的飛機需要實現(xiàn)在4000英尺的密度高度和95°F的條件下，將未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)裝甲車、斯特瑞克裝甲車或輕裝甲車從陸地/海上基地或作戰(zhàn)區(qū)域運輸至超過250海里（NM）半徑范圍內(nèi)。此外，還列出了8種需要考慮的具體適用情況，包括運送輕型或重型貨物（16t～26t）、較短或較長的任務(wù)半徑（210～500NM）、極端環(huán)境條件（6000英尺密度高度和95°F）以及完全匹配未來戰(zhàn)艦。2008年，JHL計劃成為了美國空軍/陸軍聯(lián)合未來戰(zhàn)區(qū)旋翼機（JFTL）計劃的一部分。2015年，美國國防部制定了以JFTL為組成部分的垂直升降飛機計劃。

1.4 垂直起降試驗機（VTOL X-Plane）計劃

在新的國際形勢下，美軍對VTOL飛機提出了更高的要求。2013年2月，由DARPA出資的VTOL X-Plane計劃正式啟動，其目標(biāo)是驗證某一垂直起降、高效懸停、高速飛行的飛機設(shè)計。之前曾有多個設(shè)計試圖滿足這些要求，但大多以失敗告終。

2014年3月18日，DARPA宣布西科斯基公司、歐羅拉飛行科技公司、波音公司和卡萊姆飛機公司入選VTOL X-Plane計劃。

VTOL X-Plane計劃旨在開發(fā)高性能VTOL飛機，其主要技術(shù)要求包括：300～400節(jié)的巡航速度，超過75%的懸停效率，超過10的巡航升阻力，有用負(fù)載超過預(yù)計總重量的40%，可承受-0.5g～2.0g的過載，4500kg～5400kg的最大起飛重量，超過20000英尺的最大升限，以及142海里（NM）的作戰(zhàn)半徑[3]。最終，歐羅拉飛行科技公司的設(shè)計“閃電擊”獲勝，并于2018年進(jìn)行了試飛。由于DARPA的預(yù)算調(diào)整，該計劃于2019年被取消。

1.5 聯(lián)合多任務(wù)旋翼機技術(shù)演示機（JMR-TD）計劃

自2004年起，美國陸軍就開始構(gòu)思聯(lián)合多任務(wù)旋翼機（JMR）計劃，這一計劃便是未來垂直起降飛行器（FVL）計劃的前身。FVL計劃旨在為美國武裝部開發(fā)一系列軍用VTOL飛機，替換所有美軍現(xiàn)有旋翼機。

FVL計劃旨在創(chuàng)建一種新的旋翼機，利用新技術(shù)、新材料和新設(shè)計，以擁有更快的飛行速度、更遠(yuǎn)的航程、更大的有效載荷、更佳的可靠性、維護(hù)性和操作性以及更低的使用/維護(hù)成本和后勤保障支持。為了完成該計劃，美國陸軍開發(fā)了三種不同類型的新型旋翼機平臺：未來攻擊/偵察飛機（Future ARA）、未來遠(yuǎn)程攻擊飛機（FLRAA）和先進(jìn)無人機（Advanced UAS）。盡管計劃要求至今仍在不斷完善，但其基本技術(shù)規(guī)范已明確：飛行速度230節(jié)，最多可搭載12名士兵，6000英尺（1800 m）和95°F（35℃）的高溫高原飛行性能，戰(zhàn)斗半徑424km，無空中加油航程848km。任務(wù)集包括貨物運輸、武裝偵察、攻擊、人道主義援助、醫(yī)療后送、反潛戰(zhàn)、反地面戰(zhàn)、陸海搜救、特種戰(zhàn)支持、垂直補給、以及空中反雷等。FVL系列飛機還同時具備飛行員駕駛和自動飛行能力[4]。

2014年8月11日，美國陸軍宣布，貝爾V-280“勇氣”和西科斯基-波音SB-1“無畏”最終入選進(jìn)入JMRTD計劃的第一階段。JMR-TD計劃的目的就是為了對FLRAA進(jìn)行技術(shù)演示，確定需求和能力，并且降低研發(fā)風(fēng)險而進(jìn)行一系列飛試驗。2017年12月18日，V-280完成了首飛，而SB-1稍稍落后，于2019年3月21日完成首飛。目前，兩者都已完成了多項關(guān)鍵試驗。由于2019年美國的財務(wù)預(yù)算調(diào)整，F(xiàn)VL計劃開始了一個為期五年的技術(shù)成熟度和降低風(fēng)險（TMRR）階段，隨后在2024年實施一個為期5年的工程制造開發(fā)（EMD）階段，最后到2030年實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

2.VTOL飛機研發(fā)趨勢

表1列出了美國5項VTOL飛機研發(fā)計劃的參與競爭機型和最終獲選機型（以粗體標(biāo)識）。

表1 VTOL飛機研發(fā)計劃的參與競爭機型

可見以下幾個規(guī)律：

第一，參與競爭機型始終來自于幾家掌握核心技術(shù)的大公司，且貝爾的傾轉(zhuǎn)旋翼機和卡萊姆的傾轉(zhuǎn)旋翼機多次出現(xiàn)。盡管傾轉(zhuǎn)旋翼機積累了較多的設(shè)計以及飛行經(jīng)驗，似乎是最為成熟也最為流行的技術(shù)，但始終有著其自身的弱點，例如，貝爾V-22傾轉(zhuǎn)發(fā)動機機艙的布局對平衡飛機左右兩側(cè)升力提出了很高的要求，且旋翼的下洗氣流遠(yuǎn)高于同等級直升機。因此，必須創(chuàng)新思維、革新技術(shù)，以充分發(fā)揮傾轉(zhuǎn)旋翼機的優(yōu)勢。

第二，全新的飛機方案在一定程度上有著出奇制勝的效果。在JSF計劃中，波音公司的X-32B與英國鷂系列飛機極其類似，但卻未根本解決鷂系列飛機存在的問題，最終輸給了洛克希德·馬丁公司的新概念方案。此外，歐羅拉的“閃電擊”結(jié)合了傾斜翼技術(shù)和升降風(fēng)扇技術(shù)的優(yōu)勢，幫助其擊敗了傳統(tǒng)大公司。從歷史的發(fā)展中可以看出，針對不同的計劃和不同的應(yīng)用，必須要根據(jù)其特定的需求采用合適的技術(shù)。顯然，要在計劃中勝出，必然需要綜合采用多種技術(shù)，以適應(yīng)所有的技術(shù)條件。

第三，相互合作、共同發(fā)展非常重要。波音公司在多次競爭失敗后，嘗試了新技術(shù)，最終，其與西科斯基合作的SB-1復(fù)合直升機在JMR-TD計劃中給出了亮眼的成績。向其他公司學(xué)習(xí)或從現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)驗中學(xué)習(xí)是一種聰明且高效的方法。公司間的強強聯(lián)合，也為排除競爭，綜合各公司的強勢技術(shù)提供的條件。

3.結(jié)語

自1950年代VTOL飛機首次出現(xiàn)以來，已經(jīng)開發(fā)出許多不同類型的VTOL飛機，并且此類飛機越來越受到了美國軍方的關(guān)注和投入，各大公司也競相采用新設(shè)計、開發(fā)新技術(shù)、運用新材料以滿足日益苛嚴(yán)的要求。復(fù)合式直升機和傾轉(zhuǎn)旋翼機一直受到了青睞；傾斜翼飛機和升力風(fēng)扇飛機成為新發(fā)展方向；隨著技術(shù)的進(jìn)步，尾坐式飛機又重新被拉回到競爭舞臺；矢量噴管技術(shù)雖未在VTOL計劃競爭中獲勝過，但其優(yōu)良的機動性必然有其展示之地，如鷂系列飛機經(jīng)歷半個世紀(jì)仍在美軍服役。所有技術(shù)都可以在一定范圍內(nèi)找到應(yīng)用平臺，關(guān)鍵在于針對不同條件選擇相應(yīng)的技術(shù)。