■ 譚米 劉英杰 / 中國航空發(fā)動機研究院

空軍基地及跑道在衛(wèi)星圖像下一覽無余，是戰(zhàn)時的重點被攻擊對象。為應(yīng)對這個問題，美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）與美國空軍特種作戰(zhàn)司令部（AFSOC）合作開展了高速和不依賴跑道（SPRINT）項目。

高速垂直起降設(shè)計可提供更快速的部署和更強的生存能力，對于平時的危機處理和戰(zhàn)時的軍事支援等場景具有獨特的優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的旋翼機更能適應(yīng)分布式作戰(zhàn)的需求。美國海軍研究辦公室（ONR）曾經(jīng)開展了戰(zhàn)術(shù)偵察節(jié)點（TERN）項目；陸軍提出了未來垂直升力（FVL）計劃；美國空軍創(chuàng)新孵化機構(gòu)AFwerx在AFSOC的授意下發(fā)起了高速垂直起降挑戰(zhàn)賽；DARPA先后啟動了空中可重構(gòu)嵌入式系統(tǒng)（ARES）、垂直起降試驗飛機（VTOL X-Plane）和SPRINT等項目來驗證相關(guān)技術(shù)。

SPRINT項目發(fā)展歷程

美國SPRINT項目以AFSOC為期兩年的高速垂直起降系列研究為基礎(chǔ)，旨在發(fā)展一種不依賴跑道的高速垂直起降（HSVTOL）飛機，能夠以741km/h或更高的速度巡航，飛行高度在4572 ～9144m之間，能攜帶2267kg的有效載荷，可在惡劣的環(huán)境中懸停。

2023年3月9日，DARPA發(fā)布了SPRINT項目廣泛機構(gòu)公告（BAA），征集研制X飛機（X-Plane）的提案，要求描述一個操作系統(tǒng)和一個縮比的X飛機驗證機。BAA尋求第一階段（1A基地階段和1B選項階段）的完整方案。1A階段側(cè)重于概念設(shè)計和需求定義，包括概念設(shè)計評審；1B階段通過更復(fù)雜的分析、模擬、降低風險試驗、制造和飛行試驗計劃，繼續(xù)使選定的X飛機設(shè)計成熟。X飛機的最終目的不是打造一個具有特定作戰(zhàn)能力的預(yù)生產(chǎn)飛機，而是驗證可以拓展到不同尺寸平臺的使能技術(shù)和集成方案。

貝爾公司高速垂直起降飛機概念

2023年11月，DARPA宣布貝爾公司、皮亞塞基（Piasecki）飛機公司、諾斯羅普-格魯門（諾格）公司和極光飛行科學公司進入SPRINT項目1A階段。其中，極光飛行科學公司、諾格公司和皮亞塞基公司分別獲得了價值2900萬～3450萬美元的合同，貝爾公司的合同金額尚未公布。DARPA計劃選取一家或多家公司的設(shè)計方案制造原型機，2027年實現(xiàn)首飛。

貝爾公司方案

貝爾公司的HSVTOL 概念方案是一個旋翼槳葉可折疊的傾轉(zhuǎn)旋翼機，翼尖旋翼用于提供垂直升力，在高速飛行時旋翼槳葉向后折疊收起，通過發(fā)動機提供推力，以固定翼噴氣式飛機的模式飛行，巡航速度達741km/h。

該方案目前計劃采用渦扇發(fā)動機提供高速前飛時的推力，未來或?qū)⒉捎靡环N可以在渦軸和渦扇模式之間切換的“可轉(zhuǎn)換發(fā)動機”。由于翼尖短艙上沒有可見的進氣口，這也可能表明飛行采用了某種形式的混合電推進系統(tǒng)，由主動力裝置提供電力從而驅(qū)動旋翼。

貝爾公司希望發(fā)展起飛質(zhì)量從1.8t到45.0t的高速垂直起降飛機系統(tǒng)簇。貝爾公司披露的概念圖顯示，系統(tǒng)簇包括有人機和無人機，所采用的推進系統(tǒng)概念基本相同，但在發(fā)動機進氣裝置和尾翼等細節(jié)上有所差異。

2023年9月13日，貝爾公司宣布，已向位于新墨西哥州的美國空軍霍洛曼基地交付其“高速垂直起降”概念原型，將用于演示驗證和技術(shù)鑒定。該公司還將利用美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）的“高速試驗軌道”，對折疊旋翼、綜合推進和飛行控制等技術(shù)在典型速度下進行試驗。此外，在交付美國空軍前，貝爾公司已在其飛行研究中心完成了該概念原型的功能演示驗證。

皮亞塞基公司方案

皮亞賽基公司采用的是傾轉(zhuǎn)涵道風扇方案。該方案是其之前參與過的ARES項目方案的延續(xù)：渦軸發(fā)動機通過減速器和傳動軸驅(qū)動涵道風扇樞軸上的直角齒輪箱，進而帶動風扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力或升力。涵道由兩個作動器驅(qū)動，繞樞軸旋轉(zhuǎn)，使飛機實現(xiàn)垂直起降和平飛狀態(tài)的順利轉(zhuǎn)換。

ARES是DARPA于2012年啟動的項目，目的是發(fā)展具備模塊化運輸和垂直起降能力的無人運輸原型機。洛克希德-馬?。羼R）公司是主承包商（負責開發(fā)飛行控制軟件），皮亞塞基公司是飛行器開發(fā)的主要分包商。ARES項目成功完成了30h的地面測試，并于2019年獲準進行懸停飛行。后來，由于資金提前耗盡，DARPA終止了合同，沒有進行懸停飛行。

ARES項目的飛機安裝有功率為660kW級的渦軸發(fā)動機，原型機質(zhì)量為1.8t，可吊掛1.4t的任務(wù)模塊，飛行高度為4572 ～6096m，最大飛行速度為370km/h，相較于SPRINT項目計劃的速度指標仍存在一定的差距。皮亞塞基公司下一步的工作重點將放在飛控系統(tǒng)的開發(fā)和合適動力的選擇上。

諾格公司方案

諾格公司與Jetoptera公司合作提出了一種射流推進系統(tǒng)（FPS）方案。FPS的工作原理類似無葉風扇，將空氣經(jīng)過渦軸發(fā)動機和空氣壓縮機輸送到環(huán)形噴嘴，在那里增壓排氣，引射并加速大量環(huán)境空氣以增加推力。

概念機有12個沿機翼頂部排列的FPS推進器，提供上表面吹氣以提高低速時的升力系數(shù)。除此之外，在前機身和后機身各有4個垂直安裝的FPS推進器，提供垂直起降的升力。所有FPS推進器的進口空氣由單臺壓縮機提供，該壓縮機包含由現(xiàn)有1860kW級普惠渦軸發(fā)動機（推測為PT6系列改型）驅(qū)動的2級風扇。起飛時，空氣被輸送到所有推進器；過渡階段，安裝在機身上的推進器被收起，靠機翼推進器提供推力；高速巡航時，機翼上的推進器也被收起，所有的空氣都流向高速噴管。概念飛機中的推進器可以使用3D打印技術(shù)制造。該方案的優(yōu)勢在于更低的噪聲和排氣溫度，同時其渦輪-空氣壓縮機易于從現(xiàn)有的成熟燃氣渦輪發(fā)動機改裝，維護成本較低。

皮亞賽基公司傾轉(zhuǎn)涵道風扇驗證機

2023 年5 月，美國空軍創(chuàng)新機構(gòu)Afwerx 授予Jetoptera 公司一份價值75 萬美元的第二階段小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移計劃（STTR）合同，對一架名為“Hedwig”的HSVTOL 概念機的30%縮尺模型進行風洞試驗，以驗證其FPS 的能力。根據(jù)風洞試驗結(jié)果，F(xiàn)PS 產(chǎn)生的升力系數(shù)高達8，比美國國家航空航天局（NASA）的LEAPTech 項目高30% ～50%，懸停效率介于直升機和傾轉(zhuǎn)旋翼機之間，最大飛行速度達到馬赫數(shù)（Ma）0.8（980km/h）。有待克服的最大挑戰(zhàn)是將FPS 推進器植于機翼內(nèi)，以減少巡航飛行中的阻力。

極光飛行科學公司方案

2023年11月，波音子公司極光飛行科學公司公布了其SPRINT項目設(shè)計方案。方案采用了被稱為“扇翼”（FIW）的內(nèi)嵌升力風扇和翼身融合體的設(shè)計，據(jù)稱可以實現(xiàn)超過833km/h的巡航速度。

飛機中部有兩對垂直升力風扇，隱藏在機身表面的六邊形蓋子下面。極光飛行科學公司目前還未透露升力風扇的驅(qū)動方式，但過往的設(shè)計中主要有3種方式：以發(fā)動機的傳動軸驅(qū)動升力風扇轉(zhuǎn)動（類似F-35B）；以發(fā)動機排氣的分流推動風扇葉片轉(zhuǎn)動；分布式混合電推進。

極光飛行科學公司表示，其設(shè)計方案建立在之前波音X-48驗證機的翼身融合設(shè)計，以及極光飛行科學公司“神劍”（Excalibur）無人機設(shè)計的基礎(chǔ)上。X-48是波音公司與NASA合作研發(fā)的新一代翼身融合飛機，由機身提供大部分的升力。第一代X-48B驗證機按照實際尺寸8.5%的比例縮小，巡航速度為Ma0.7（857km/h），采用3臺推力0.2kN的燃氣渦輪發(fā)動機提供動力；第二代X-48C驗證機為低噪聲設(shè)計，耗油率降低50%，噪聲降低40dB，巡航速度不變，由2臺推力0.4kN的燃氣渦輪發(fā)動機提供動力?！吧駝Α睙o人機是極光飛行科學公司為美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)局和海軍研究辦公室開發(fā)的，速度達741km/h，采用3個在可在機翼內(nèi)伸縮的電動升力風扇提供垂直升力。

極光飛行科學公司發(fā)布的SPRINT項目設(shè)計方案概念

結(jié)束語

DARPA希望在2027年實現(xiàn)驗證機的首飛，開發(fā)新的發(fā)動機或推進系統(tǒng)勢必將延誤進度，因此目前的技術(shù)提案都基于現(xiàn)有的燃氣渦輪發(fā)動機/推進系統(tǒng)。通過將成熟的渦軸/渦扇發(fā)動機與螺旋槳、涵道風扇、射流推進器等裝置相結(jié)合，融入可傾轉(zhuǎn)、可折疊、分布式等構(gòu)型，實現(xiàn)不同飛行模式的切換。此外，高速垂直起降飛機已經(jīng)成為美國各軍種的重點關(guān)注領(lǐng)域之一，經(jīng)過多年的技術(shù)積累，預(yù)計高速垂直起降飛機將迎來突破性的進展。