美國X系列飛行器(四)垂直極限的挑戰

自從萊特兄弟于1903年發明飛機后，世界各國的飛機設計師們就希望能研制一種不依賴機場，能隨處起降的飛行器。上世紀30年代末，直升機的發明初步實現了設計師們的夢想，但直升機卻存在震動大、速度慢及運載能力差等諸多問題，遠遠算不上人們心目中的完美飛行器。為此，從40年代開始，各國開始著手開發集直升機垂直起降靈活性和固定翼飛機速度快、運載能力強等優勢于一身的新型飛行器。作為當今世界的頭號航空強國，美國同樣擁有世界頂尖的垂直起降飛機技術。美國多年苦心研制的V-22“魚鷹”垂直起降運輸機已經裝備部隊，F-35B型短距起降垂直降落型(STOVL)戰斗機正在接受測試，在不久的將來也將進入部隊，美國無疑在垂直起降飛機研制上走在了各國的前面。在美國的垂直起降飛機發展史中，x系列飛行器同樣扮演的技術尖兵的角色，在這一領域做出了杰出的貢獻。

噴氣式垂直起降飛機的鼻祖

最開始，設計師們在研制垂直起降飛機時多采用渦輪螺旋槳為動力裝置，他們對渦輪噴氣發動機是否適合垂直起降飛機心存疑慮，認為其動力特性難以滿足垂直起降飛行的要求。直到瑞安公司所研制的X－13取得成功，他們的這一疑慮才算是被徹底打消。

美國海軍很早就對垂直起降飛機這種不需要很大航母飛行甲板的飛機產生了濃厚的興趣。為此，美國海軍于1947年4月與瑞安航空公司簽訂了一項“研究噴氣機反作用控制的可行性”的研究合同，目的是研制能在航母上使用的垂直起降飛機的可行性。在一連串的設計變更后，航空局于1947年4月24日與瑞安簽署了一份價值50000美元的合約。1948年，瑞安開始圍繞著一臺艾里森J33發動機制作一具垂直起降測試平臺，并在其測試中獲得了大量寶貴的技術數據。到了1953年，本·薩爾曼提出的38R方案引起了海軍的濃厚興趣，但因無法擠出足夠的經費而作罷。

瑞安隨即向空軍尋求幫助，后者于1953年8月授予瑞安一份制造兩架X－13驗證機的合約。X-13是一架全鋁制結構飛機，它只在發動機部分高熱區域使用少量鈦合金材料。X－13沒有安裝傳統的起落架，而是改用裝在機身上的小型防滑滑撬及可回收用機鼻鉤。X-13一般在運送拖車上進行垂直起降測試，拖車平臺上以關節連接的兩個機械臂上之間懸有一鋼纜，整架飛機就用鼻鉤懸掛其上。當要從拖車上起飛或著陸時，拖車平臺會在兩個大型液壓泵驅動下升舉至垂直位置。然后X-13可以垂直飛離鋼纜。離地后，X-13為進入平飛狀態，會先向上垂直加速，達到一定的速度和高度后，再俯仰進入平飛。

飛行結束后，以與起飛相反的步驟回收飛機。整架飛機先減速，然后機首慢慢俯仰轉至垂直方向，飛行員控制發動機讓飛機保持在懸停狀態。飛機在懸停的同時，會緩慢地接近拖車。在拖車平臺的兩側，各有一個彩色水平標柱，以便飛行員能在接近鋼纜時根據柱子上的標識來判斷自己的位置和高度，直到最后用機首的掛鉤掛上鋼纜，整個飛行才算告一段落。

首架X-13原型機于1955年秋季完工，8月17日送至愛德華茲空軍基地準備進行測試。由于對X-13的飛行特性缺乏了解，首機安裝了可拆卸的前三點式起落架以傳統方式起降。1955年12月10日，瑞安試飛員彼得·吉拉德駕駛X－13完成首飛。

常規飛行測試結束后，X-13將傳統起落架拆除，換上管狀起落架，準備開始垂直起降測試。1956年5月28日，吉拉德駕駛第2架X-13完成首次垂直起飛測試。1957年4月11日，X-13進行了一次公開演示飛行，它從拖車上起飛，然后轉入水平飛行，再重新回到垂直姿態，最后由拖車上的掛鉤回收。這也是X-13試飛中首次實現垂直起飛、轉換飛行、回收這一完整的飛行過程。

1957年7月30日，X－13在華盛頓五角大樓前的廣場上進行展示飛行。在大約7分鐘的飛行中，X-13垂直起飛、改平，然后重新回到垂直載臺，充分展示了這種飛機獨一無二的性能，給在場觀看的3000余名觀眾留下了深刻印象。然而，這些試飛并沒有產生足夠的動力使軍方繼續支持該計劃。最后在1958年，X-13在花費940萬美元的經費后宣告終止。

兩架X-13是噴氣動力垂直起降飛機的先驅。X-13證明了完全依靠噴氣動力實現垂直起降是完全可行的。X-13完全能完成平飛向垂直懸停的轉換飛行，只是在操縱方面留下少許問題。采用早期垂直起降飛機慣用的尾坐式設計也意味著X-13沒有發展成一款使用作戰飛機的前途，加上X-13的起降程序過于復雜，因而缺乏使用價值。x-13最終沒能獲得軍方的支持，黯然下馬其實也是情理之中，但不管怎樣，x-13仍算是早期垂直起降飛機中比較成功的一款，在航空史上占有一席之地。

走向實用化之路

極具創新思維的貝爾公司是美國最早開始研制垂直起降飛機的飛機制造商之一。早在1941年貝爾就開始研究垂直起降飛機，1950年貝爾對噴氣垂直起降飛機的進行了深入的研究，得出結論認為，未來垂直起降飛機應該以正常的水平姿態起降。

根據這些研究的成果，貝爾于1953年決定自籌資金制造一架噴氣式垂直起降飛機測試平臺，該機就是被稱為65型的空中測試載具(ATV)。受制于性能有限的發動機，ATV從未完成過從垂直到平飛間的轉換，但其試飛仍為貝爾積累了大量寶貴的技術和經驗，并引起了軍方的高度重視。

在對貝爾的研究成果進行仔細的研究后，空軍于1955年7月與貝爾簽約，委托后者制造一架代號X－14的驗證機，用于驗證推力矢量發動機在垂直起降飛機領域的應用前景。X-14采用了傳統的壘金屬機身結構，為盡可能減輕重量并降低成本，X-14大量使用了市面上現成零部件。為了避免威脅飛行員的安全，所有的飛行測試都在762米以上或低至3.6-4.5米以下的高度進行，以便飛行員在意外發生時有足夠的時間跳傘或增加低空事故的生存幾率。

X-14在懸停時的操縱，主要通過將發動機壓氣機段的空氣引向設在翼尖和機尾的反作用力噴口實現。在20多年的測試中，X-14曾試驗過多種噴嘴。推力矢量噴口提供了從垂直方向到低于水平21度方向范圍內調節推力方向的能力。

X-14在簽約一年多后便告完成，1957年2月17日完成首次懸停飛行。早期測試結束后，飛機開始傳統的試飛，并在1524米高度進行了幾次動力轉換，之后又對推力矢量噴口進行了大量測試。接著，X-14順利完成了起飛轉換測試和平飛轉換至著陸的測試。在這些前期的測試完成后，X-14于1958年5月24日成功進行了首次完整的垂直起降循環試飛。測試中，飛行員借助發動機的推力矢量噴口垂直升空，隨后在30秒內從懸停轉換至平飛，轉換過程中飛機的速度低于失速速度。在繞場飛行后，X-14在指定地點實現垂直著陸。這次飛行充分展示了推力矢量技術在垂直起降領域的巨大發展潛力，并展示了水平姿態垂直起降的優越性，在垂直起降飛機發展史上具有歷史性的意義。

在空軍的測試結束后，X-14被移交給NASA下屬的埃姆斯測試中心。NASA在接收X-14后不久就用兩臺推力2500磅的通用動力J85-5渦噴發動機換下了推力僅有794公斤的英制阿姆斯特朗一西德利“蝰蛇”8發動機，飛機的編號隨之改為X-14A。

X-14A干1961年開始執行飛行測試任務，同時扮演可變穩定和控制驗證機。在埃姆斯研究中心試飛近10年后，X-14A于1971年換裝兩臺推力1368公斤的J85-i9發動機，懸停能力得到進一步提升。經過這次換發，飛機的編號變為X-14B。X-14B于1971年2月再度做好試飛準備。之后的測試一直持續到1981年5月。在這年5月29日的一次試飛中，X-14B在著陸時發生事故，導致機體結構嚴重受損，自此告別藍天。

X－14在垂直起降飛機發展史上占有重要地位，不僅驗證了推力矢量在垂直起降飛機上巨大的應用潛力，而且使人們認識到實用型垂直起降飛機在起降時必須采用水平方式。X-14的成功給予英國的霍克公司和布里斯托爾發動機公司很大啟發，后者根據其原理設計出了著名的“飛馬”發動機，前者則利用該發動機和X-14的經驗研制出了大名鼎鼎的“鷂”式系列垂直起降戰斗機，開創了垂直起降飛機發展史上一個全新時代。

傾轉旋翼機的探索

傾轉旋翼機可以算是當今航空界最為炙手可熱的機型，V-22“魚鷹”的服役。標志著該技術正式走入實用化階段。美國目前正打算在V-22基礎上研制更大、更先進的傾轉旋翼機，可以預料，這種集中了直升機和固定翼飛機優點的新類型飛行器很可能會在很大程度上取代直升機的位置，成為航空領域的主流機型之一。由于相關技術相當復雜，傾轉旋翼機的研制歷程也長達數十年之久，其中X系列飛機的貢獻不容小視。

美國的希勒飛機公司自1947年起便開始研究垂直起降飛機在飛行性能上的潛力。至1956年冬季，希勒的研究工作日臻成熟之際，空軍與其簽訂了研制一架傾轉機翼驗證機進行測試的合約，飛機編號X－18。

X-18的機翼平面形狀呈矩形，翼展14.6米。機翼后緣沒有安裝襟翼，只有4片副翼。機翼內外側的前緣可以安裝易于拆裝的前緣縫翼。機翼35％弦長處裝有一根液壓驅動轉軸，能使機翼從水平旋轉90度至垂直位置。整個旋轉過程耗時6秒，在飛行中飛行員可以根據需要選擇機翼的攻角。

飛機的動力由兩臺艾里森YT40-A-14渦槳發動機提供，發動機功率達5850軸馬力，并配以兩副共軸反轉螺旋槳。除兩臺主發動機外，X-18還在后機身安裝了一臺推力3400磅的威斯汀豪斯J34-W E-36渦噴發動機，其用途是在懸停或轉換飛行時提供飛機所需的俯仰控制力矩。

唯一一架X-18于1958年12月出廠=隨后被送往莫非特機場進行地面測試。這些測試完成后，廠方用卡車將飛機運往愛德華茲空軍基地。11個月后的1959年11月20日，X-18以105節的速度垂直爬升至4.26米高度。11月24日完成歷時18分鐘的試飛，期間曾一度爬升至1219米高度。在全部20次試飛中，X-18表現不俗，是一架穩定且容易操縱的飛機，給飛行員留下了深刻印象。

但不幸的是，X-18在第20次試飛中發生嚴重事故，導致項目被迫提前終止。事故發生時，X-18正在3048米高度飛行，機翼迎角大約在20-30度之間。一臺發動機的槳距控制器突然發生故障，導致飛機進入螺旋。試飛員竭盡全力試圖解救飛機，直到距離地面很近的地方才重新控制住飛機，并安全返回基地。這次試飛后，X-18再未進行過任何試飛，原計劃要驗證的科目僅完成了80％，用掉了600萬美元的經費。

1960年7月，提前“結業”的X-18被移交給空軍系統司令部，參加一項新的實驗計劃。該計劃是在愛德華茲空軍基地進行的垂直起降飛機地面效應模擬計劃，X-18充當實驗的測試平臺，以為當時沃特公司研制的xc-142垂直起降運輸機提高參考數據。1964年1月18日，垂直起降測試平臺計劃宣告結束，命運多舛的X-18計劃也隨之告一段落。X-18隨后從測試臺架上被拆下，接著被拆解。

雖然X-18實際試飛時間相當短暫，而且未能完成完整的試飛計劃，但它對垂直起降飛機發展的貢獻卻不容小視。它是美國第一種具備垂直／短距起降能力的運輸機，也是第一種利用傾轉和發動機機翼來實現垂直起降的驗證機。在X-18項目進行的同事，另外一種傾轉旋冀驗證機也為該技術做出了不小的貢獻。

上世紀50年代末，寇蒂斯一萊特公司在研究螺旋槳震動問題時發現，螺旋槳轉動時可以在轉軸為正時產生一定的升力，如果將這個升力應用在傾轉旋翼飛行器上，就能夠在垂直起飛到高速飛行轉換過程產生很大幫助。為了驗證這種現象的實際應用前景，寇蒂斯一萊特于1959年制造了編號100型的單發雙螺旋漿驗證機，結果取得了成功，初步證明了傾轉旋翼機的可行性。

受100型成功的鼓舞，寇蒂斯一萊特提出研制更大的傾轉旋翼驗證機，項目代號X200。1962年6月，寇蒂斯一萊特將X200計劃呈報給空軍，引起了后者的極大興趣。空軍隨后與寇蒂斯一萊特簽訂制造2架原型機的合約，并將其命名為X-19。

X-19外形相當奇特，它擁有前后串列安裝的兩副主翼，四個翼尖各裝一個可旋轉的螺旋槳短艙。螺旋槳的動力來自并排安裝在后機身上方的2臺2200軸馬力的萊康明T55-L-5渦輪軸發動機。發動機動力經由變速箱和傳動軸傳遞至螺旋槳。傳動機構交叉相連，兩臺發動機中的任何一臺都可以獨立驅動螺旋槳，X-19的機身分為機鼻、座艙和后機身三部分。機鼻部分內裝機鼻輪、導航與通訊裝置；座艙段包括設有兩張彈射座椅的駕駛艙及可承載4名成員或454公斤貨物的貨艙；后機身段裝有兩臺發動機、發動機排氣管、燃料箱、變速齒輪箱、輔助動力單元及其他設備。

裝在翼尖的螺旋槳短艙可從水平3度轉至垂直96.5度，傾斜控制機構由液壓動力單元、前后傳動裝置、柔性傳動軸、制動器等裝置構成。傾斜控制機構使用一置于機身座艙段上方的液壓馬達，這具液壓馬達將動力傳至前后傾斜傳動箱，再由柔性控制傳動軸傳至傾斜制動器來改變螺旋槳短艙的角度。每具螺旋槳短艙內都有獨立的槳距改變機構。

首架X-19建造完成后，經過一系列地面靜態測試后，于1963年11月20日完成了首次懸停飛行，但這次試飛在結束時卻發生硬著陸事故，致使主起落架折斷，機身和機翼也輕微受損。這次意外暴露出X-19控制系統上存在的缺陷，因此在X-19進行為期9個月的修復期間，整個飛控系統也做了改良。

1964年6月25日，重新出廠的1號機進行了第二次試飛，并取得了圓滿的成功，之后寇蒂斯一萊特加緊測試步伐。這一階段的試飛目的是驗證飛機的機械式增穩系統。

1965年1月，X-19開始測試垂直／水平飛行轉換特性，首選將螺旋槳短艙從完全垂直方向向下旋轉幾度來了解轉換初期的飛行狀況。1965年7月31日，X-19才重新開始進行懸停測試，以確認飛機的適航性。接著，飛機被移交給聯邦航空局下屬的國家航空實驗中心進行轉換飛行研究。但在1個月后的8月25日，X-19就在第50次試飛中，因螺旋槳飛脫引發的事故中墜毀，所幸飛行員及時彈射逃生，沒有造成人員傷亡。這次嚴重的意外事故使X-19計劃在1965年12月19日被取消，此時2號架連一次試飛都沒來得及進行。

X－19在有限的試飛包線內驗證了串列雙翼、傾轉旋翼垂直起降概念的可行性，而且證明這種方式可使垂直起降飛機擁有比直升機更好的操縱特性。此計劃還驗證了飛機的動態和靜態縱向穩定性，只可惜，從首飛到項目下馬，X-19從未完成從垂直起飛到水平飛行的轉換飛行。X-19的實驗使人們對傾轉旋翼機的認識大為加深，為日后XV-15和現在V-22的成功奠定了良好的基礎。

獨特的涵道風扇

如前所述，貝爾在上世紀40、50年代對垂直起降飛機展開了廣泛的研究，作為這些研究的一部分，貝爾于1953年開始研究涵道風扇這種不同于螺旋槳和噴氣發動機的非常規推進裝置在垂直起降飛機上的應用前景。四年后的1957年，美國海軍與貝爾簽署了為期一年合同，以研究涵道螺旋槳動力運輸機的垂直起降能力，貝爾在此期間曾提出了大量相關設計方案和研究報告，但都無果而終。與此同時，威其塔大學應海軍的委托，對貝爾設計的涵道螺旋槳進行了大量測試，獲得了不少寶貴數據，并初步證實了該動力裝置在垂直起降飛機上應用的可行性。

1961年，美國空軍、海軍及海軍陸戰隊聯合發起一項垂直起降運輸機競標，貝爾與洛克希德組隊競標，但兩家公司所提出的D-2064A方案敗給了沃特公司的XC-142。不過，貝爾在這次競標中并非毫無收獲。為充分了解D-2064方案的飛行特性，海軍要求貝爾在其基礎上制造一種縮小比例的測試平臺。貝爾于1962年11月30日與海軍簽訂了制造兩架D-2127垂直起降驗證機的合約，首架飛機預定在1966年4月交付使用。

貝爾隨后便開始進行飛機的制造工作，同時對飛機的氣動布局和各個子系統做了大量測試。1965年5月25日，首架X-22A正式出廠，2號機在同年11月下線。

X-22A是一架設計非常獨特的飛機，它外形上最搶眼之處莫過于裝在機身前后的四個巨大涵道風扇，每個涵道內各裝有一副直徑2.13米的三葉螺旋槳。在液壓動力裝置的驅動下，涵道可以在0～95度的范圍內傾轉，從而實現垂直起飛和兩種飛行狀態間的轉換。風扇的動力來自裝在翼根處的四臺通用動力YT58-GE-8D發動機提供，發動機單臺功率為1250軸馬力。由于4副螺旋槳間互相連接，因此任意一臺發動機的動力都能傳遞至所有螺旋槳上，大大提高了飛機的安全性。

X-22A的機翼相當短小，且裝在垂尾下方，因此同時還要發揮水平安定面的作用。垂尾為鋁合金構造，面積達68.5平方英尺。X-22A的控制由涵道的角度、螺旋槳的槳距和涵道下方的襟副翼負責。其中襟副翼的工作效率與涵道的角度有著直接的關系。當飛機處在懸停狀態時，襟副翼通過偏轉來控制飛機的俯仰。在轉換階段，襟副翼的功能從俯仰控制逐步變為滾轉控制。在常規飛行中，襟副翼以傳統方式來控制飛機的滾轉動作。

在完成了6月的地面測試后，首架X-22A于1966年3月17日完成首次懸停試飛，飛機在不到7.62米的高度上懸停了10分鐘，取得了非常令人滿意的測試結果。1966年8月8日，1號機遭遇一起因液壓系統故障而引發的嚴重事故，受損嚴重的飛機宣告徹底報廢。1號機失事后，整個項目的測試工作由2號機接手，該機于1967年1月26日完成了首次懸停實驗，宣告首飛成功。同年3月3日，X-22A成功進行了首次從垂直起飛向常規飛行的轉換測試。

在接下來的2年多時間里X-22A共完成220次、110小時的試飛，期間飛機進行了386次垂直起飛和185次轉換測試。在這些測試中，飛機的重量介于6310-7354公斤之間，錄得362公里／小時的最高速度。

由貝爾公司負責的試飛項目結束后，海軍與塞爾斯班公司簽約，委托后者負責X-22A的后續測試與日常維護保養工作。在此之后，X-22A又進行了十多年的試飛，積累了大量關于垂直起降技術的寶貴資料，直到1984年才宣告退役，為這個相當成功的項目劃上了一個圓滿的句號。

X-22是x系列飛行器中最為成功的垂直起降飛機之一，它不僅大大拓展了人們對垂直起降飛機技術的認識，還在垂直起降飛機的先進傳感器研制方面做出了巨大貢獻。X-22A近20年的試飛充分證明了涵道風扇在垂直起降飛機上的發展潛力，盡管涵道風扇從未在量產型飛機上出現，但X-22A多年的成功試飛不但證明該技術不僅可行，而且可靠，涵道風扇技術實際上已經達到了實用化階段，何時出現在量產型飛機上完全看設計人員和決策者的選擇。

總結

除了上述飛機之外，x系列的X-32和X-35也屬于垂直起降飛機的范疇，但考慮到這兩種飛機國內媒體對它們已經做過大量介紹，因此這里就不再贅述了。

縱觀整個航空史，垂直起降飛機可以算是最令飛機設計師們頭痛的飛機。歷經60多年的研制，美、英、蘇、法、德等航空強國等曾發起過大量垂直起降飛機計劃，但其中走入實用化的型號卻是屈指可數。而實質今日，只有美國具有開發和生產新一代垂直起降飛機的能力，個中原因值得深思。

除科技基礎和經濟實力這兩個因素之外，在筆者看來，美國之所以能在垂直起降飛機技術上獨領風騷與其裝備技術研究政策的連貫性和重視基礎研究是分不開。

美國在航空發展中歷來重視基礎研究，在一個項目啟動前，往往會發起很多的基礎技術研究項目，大量積累基礎技術。等到項目正式開始時，其主要技術難題在先期的研究中就已被化解，由此帶來的結果是，美國在研制飛機時，遇到困難往往要比其他國家的同行小得多，而且進展也要快得多。

技術開發的連貫性是另外一個不容忽視的因素，美國的飛機項目雖然有如走馬燈式的不斷變換，但相關研究的廢存卻絲毫不受具體項目的上馬或下馬的影響。反觀歐洲國家，雖然在60、70年代，也研制過包括“巴爾扎克”、VAK-191B及Do-31E在內的多種垂直起降驗證機，但一旦確定這些飛機無法發展成實用型飛機后，相關項目不僅下馬，而且為它們所進行的技術也就也隨之宣告中斷。此外，歐洲的國防研究項目受政策和政府變更的影響過大，往往存在人亡政息之虞。正是在這樣的因素下，歐洲的垂直起降飛機技術在70年代中期之后便停滯不前，而美國則是一直在不斷向前發展，出現目前的局面也實屬正常。

垂直起降飛機雖然有著很高的技術門檻，但一旦研制成功就會為軍用和民用航空領域帶來巨大的進步。因此，我國應在相關研究早做準備，盡量早日研制出屬于我國的垂直起降飛機，在這個過程中，美國人的經驗非常值得我們參考和借鑒。