美國國防部預研局完成“雷擊”縮比驗證機飛行試驗

在歷經數場局部戰爭后，美國國防部目前已經明確表示其對高性能垂直起降飛行器的需求十分迫切。希望擁有既不需要跑道、可在任何地點垂直起降，又具備噴氣機飛行速度的航空武器裝備，以快速向偏遠戰場遂行空地打擊或運送部隊和補給等任務。因此，美國國防科學委員會（DSB）已將高速垂直起降飛行器視為改變美軍作戰戰術方式、維持美國軍事優勢的重要裝備。但是，美軍現役的垂直起降飛行器性能卻難以滿足需求，不能兼顧空中持續懸停和快速飛行這兩種大相徑庭的能力。為此，美國國防部預研局（DARPA）啟動了“垂直起降試驗飛機”（VTOL X-Plane，VXP）項目，以開展垂直起降高速飛行器的技術研發。

VXP項目概況

DARPA于2013年2月25日公布了VXP項目的招標書，VXP驗證機的主要技術指標包括：持續飛行速度556～741km/h，懸停效率不低于75%，巡航狀態升阻比不低于10，有效載荷不低于總重的12.5%，最大起飛重量4500～5400kg。經過第1階段的激烈競爭，2016年3月4日，DARPA宣布極光飛行科學公司（簡稱極光公司）的“雷擊”（Lightning Strike）驗證機方案贏得競標，并獲得了總金額8944萬美元的第2、3階段研究合同。目前，該驗證機已被 DARPA和美軍聯合命名為XV-24A。

XV-24A驗證機結構新穎，采用了可傾轉的鴨翼和機翼布局，并使用了分布式電推進系統。XV-24A配裝的渦軸發動機可以帶動發電機，產生的電力將被分配至全機24個可變槳距涵道風扇，其中2個鴨翼各安裝3個，2個機翼則各安裝9個。為容納涵道風扇，XV-24A的機翼實際有兩層，因此，在巡航模式下，可將其視為一架“雙翼機”。極光公司表示，如果XV-24A驗證機成功開展試驗將創下航空史上的數項第一，即第一架使用分布式電推進涵道風扇系統的飛行器、第一架采用創新的同步電驅動系統的飛行器、第一架在垂直起降時主翼和鴨翼都可傾轉的飛行器和第一架具備高效的懸停和高速前飛能力的飛行器。

開展縮比驗證機試驗

縮比驗證機是全新飛機研制的重要組成部分，目的是在制造昂貴的全尺寸飛機之前驗證部分關鍵技術，以降低項目風險、節約項目經費。鑒于XV-24A結構新穎、研發難度大，因此，極光公司在贏得項目競標的當月，便開展了五分之一縮比驗證機的飛行試驗，驗證構型的空氣動力學和飛行動力學設計，以及開發適用于全尺寸驗證機的飛行與任務系統控制方案。

“雷擊”縮比驗證機重約146kg，安裝了約54kg的鋰離子電池，機翼和鴨翼采用了碳纖維和3D打印熔融沉積成形塑料的雜化結構，以在盡可能降低重量的前提下滿足復雜的結構和氣動構型所需。縮比驗證機使用了相對簡單的單余度飛控系統，另外，還改進了空氣動力學數據庫的開發方法（飛行控制系統基于該數據庫建模），可以為未來的飛行控制系統研發積累經驗。

“雷擊”縮比驗證機的飛行試驗在馬里蘭州南部韋伯斯特測試場進行，并于近期取得圓滿成功。試驗最初完成了6次飛行試驗，演示驗證了自動起飛、持續懸停、方向與平移控制（包括側向和向后飛行）、航路點導航和自動著陸等能力。隨后測試了機翼和鴨翼傾轉裝置、傾轉流程和機翼上的飛行控制機構。其中四次飛行試驗擴大了飛行包線，使風速增加到機翼能夠提供大部分升力為止。驗證機飛行試驗的持續時間僅5min，最高速度達到85km/h。在縮比驗證機開始試驗之前，DARPA對能否試驗成功仍抱有懷疑態度。但是在試驗中，“雷擊”縮比驗證機表現出了優秀的飛行特性，即使在從垂直飛行向水平飛行的過渡中也可以保持飛行高度不變。此外，分布式推進系統的空氣動力學特性也十分出色。

縮比驗證機完成試飛后，各方都給予了極高評價。DARPA項目經理阿西斯？巴蓋里（Ashish Bagai）表示：“極光公司團隊的全新工程和技術手段在‘雷擊’縮比驗證機的試飛中展示出了巨大潛力。該飛行試驗極具挑戰性，發展的先進技術可以為未來的垂直起降飛行和航空武器型號研制打下堅實基礎。”極光公司創始人和CEO約翰？蘭福特（John Langford）也表示：“‘雷擊’縮比驗證機成功試飛是前無古人的成就，只有全尺寸驗證機的飛行試驗會超越它。”而針對縮比驗證機的飛控系統，極光公司首席技術官湯姆？克蘭西（Tom Clancy）認為：“XV-24A的分布式電推進系統使用了全新的飛行控制系統，這需要一系列復雜的操控裝置，而試飛的成功表明飛行控制和氣動設計完全符合我們的預期。”

即將開展全尺寸驗證機試驗

雖然縮比驗證機的試驗取得了成功，但VXP項目面臨的最大挑戰也即將到來，即在2018年下半年開展全尺寸XV-24A驗證機的飛行試驗，而且需要達到DARPA提出的高難度技術指標。巴蓋里為此指出：“項目設立的十分激進的性能參數將把相關技術推向極限。而如果成功，將為美軍帶來全新一代垂直起降作戰能力。”

針對全尺寸飛行試驗，DARPA表示縮比驗證機的大部分飛行設計和任務控制架構將得到沿用，但也會做出一些調整。重量約5443kg的全尺寸XV-24A驗證機將采用三余度飛行控制系統，安全性大大增強；涵道風扇采用同步電驅動系統，可以保持轉速恒定，通過調節總距控制拉力。而縮比驗證機的槳距不可調，僅通過控制風扇轉速模擬調節槳距效果。另外，涵道風扇將使用ThinGap公司的無刷電動機，其中機翼風扇功率為100kW，鴨翼風扇功率為70kW；發動機將使用V-22“魚鷹”傾轉旋翼機的羅羅北美公司AE1107C渦軸發動機，而不是采用鋰電池。該發動機經多年使用技術成熟可靠，最大起飛功率3458kW、功重比達到10.41；最后，AE1107C將驅動3臺霍尼韋爾公司的1MW發電機產生電力。該發電機是霍尼韋爾公司的最新研究成果，重127kg，被封裝在約60cm×35cm的體積中，效率可以達到98%。這意味著3臺發電機只產生2%、約60kW的廢熱。相比波音787功率250kW、重95kg的發電機，霍尼韋爾的1MW發電機功率是其4倍，而重量僅比其重33%。另外，霍尼韋爾公司聲稱其發電機的另一個創新是不需要電機控制器。目前，大多數的航空電機都需要在電源和作動部件之間安裝電機控制器，以減緩頻率輸出波動，提供全速控制。霍尼韋爾1MW發電機使用了固定頻率，不需要額外的電子部件進行調節，這既減輕了重量、壓縮了成本，又降低了系統復雜性。

展望未來發展，巴蓋里說：“XV-24A驗證機不會進行量產，但是其發展的先進技術可帶來作戰能力的變革，如隱身能力更強、更省油、適應能力更強等。另外，雖然目前XV-24A驗證機是無人駕駛的，但其研發的先進技術可以快速應用到有人作戰飛機上。”

結束語

海外作戰時缺少可用的機場一直是限制美軍裝備作戰能力發揮的一個重要因素，其使美軍空中作戰力量較難及時、全面覆蓋戰場各個角落，作戰能力的發揮嚴重受限。因此，五角大樓才對不受地形限制的垂直起降飛行器存在大量需求，也導致DARPA啟動了一些相關的項目。例如除了本文的VXP項目，該局同時也在實施“戰術偵察節點”（TERN）和“可重構嵌入式航空系統”（ARES）等項目。TERN項目旨在為美軍普通艦船發展一型中空長航時察打一體無人技術原型機，作戰半徑1700km，可以覆蓋全球95%的陸地面積，使美軍空中作戰力量存在于全球各地。目前TERN原型機研發順利，將于2018年年底進行一系列海上飛行試驗。ARES項目的項目經理也是巴蓋里，該項目將發展出具備模塊化任務單元的垂直起降無人運輸原型機，其可根據不同任務，搭載醫療救護、貨物補給或情報、監視與偵察（ISR）等任務模塊中的任意一種進行垂直起降和快速飛行，提供靈活、不受地形限制的運輸能力，有效避免地面威脅。ARES原型機的將于今年秋季首飛。目前來看，DARPA的上述垂直起降飛行器項目都極有可能被軍方采用，如果完成技術轉化，將使美軍空中作戰力量快速出現在之前難以到達的空域，有效填補作戰能力空白，可以全面提升全球存在和全球作戰能力。

（袁成 李昊，中國航空工業發展研究中心）