美軍高速垂直起降飛機挑戰賽中的特色飛行器

李悅立

創新中心AFwerx成立

2018年1月11日，美空軍在內華達州拉斯維加斯市啟用了一個新的創新中心AFwerx。美國副總統彭斯、空軍部長威爾遜、空軍參謀長古德芬等人出席了啟動儀式。

美空軍設立AFwerx的目的是為了推動創新性、顛覆性技術的集成與實施，確保美空軍保持對未來對手的能力優勢，為解決國家安全問題孕育新的思路或方法。AFwerx將面向公眾、學術界、小企業及行業遠見者征集意見，發揮協作性/創新性思想交流中心的作用。彭斯稱，AFwerx將成為新創意和新技術的“孵化器”，“將聚焦于打破壁壘。因為防止沖突的最好方法是做好應對沖突的準備，而這正是AFwerx的工作。”

美空軍設立AFwerx當年就發起了兩項挑戰賽。關于美空軍AFwerx挑戰賽所有信息可訪問https：// afwerxchallenge.com/網站。

高速垂直起降飛機挑戰賽

2021年4月，AFwerx發起了高速垂直起降（High-Speed Vertical Take-Off and Landing，HSVTOL）飛機挑戰賽。該項目由美國空軍（USAF）和美國特種作戰司令部（USSOCOM）共同構思、設計和開發最先進的高速垂直起降解決方案，以在惡劣環境中實現最佳敏捷性。

該項目應該具備四種任務能力：

（1）特種作戰部隊和裝備的滲透：特種作戰部隊希望能夠在簡陋的地點開展行動，獨立于主要作戰基地和大型物流設施，進入有爭議的環境，并在短時間內秘密交付和取回他們的團隊和裝備。

（2）人員搜救：人員搜救部隊希望能夠在類似的嚴峻地點開展行動，進入具有各種地形和水域的競爭環境，以便在短時間內營救孤立的人員。

（3）航空醫療后送：航空醫療后送和機動部隊希望有一架可配置的飛機，能夠在嚴峻的地點運行，以確保危重傷患者的黃金時段響應時間。

（4）戰術機動性：美國空軍需要敏捷的、獨立于跑道的戰術空運能力，提供更高的有效載荷能力，并可能降低懸停能力，以加快將重要貨物運送到需要的地點。

因此對飛行器平臺提出了以下的要求：

（1）噴氣式飛機般的速度和更大的航程；

（2）從低速/懸停到高速/巡航的飛行中過渡，反之亦然；

（3）在中低飛行高度增加航程；

（4）來自所有當前和未來燃料存儲平臺的空氣加油和快速加油能力；

（5）具有高度的生存能力，可在各種任務環境中使用，具有防撞系統和識別潛在危險的能力，例如，在飛行的所有階段進行主動/被動威脅檢測和對策；

（6）處理有效載荷以滿足任務特定需求；

（7）體積兼容，符合標準托盤尺寸；

（8）能夠在簡陋/未準備好的地點快速裝卸貨物或人員；

（9）模塊化貨物區，可容納廣泛的設備、人員和/或醫療服務。

參與項目的團隊可以選擇提交集成解決方案與子系統解決方案。

HSVTOL集成解決方案：數字工程環境中的系統概念化、設計和架構，通過廣泛的高保真建模和仿真減少開發時間、風險和成本。

HSVTOL子系統解決方案：利用使能技術和/或數字工程原理，為開發能夠滿足未來作戰人員需求的整體HSVTOL解決方案提供途徑。示例包括但不限于：

（1）先進的推進技術為HSVTOL概念提供動力，實現垂直升力，敏捷移動和噴氣式速度的水平行駛。

（2）支持HSVTOL概念運行的新技術（子系統，軟件和硬件），包括支持制造，建造和/或生存能力以確保任務成功的材料。

2021年11月，美空軍從218個方案中選擇了11個項目進行投資，如圖5所示。

11家公司中，除了維爾德歌航空公司（VerdeGo Aero）是為HSVTOL計劃開發更強大的多兆瓦渦輪混合動力裝置這樣的分系統及Whisper公司提供超靜音電動涵道風扇這樣的動力分系統解決方案外，其余公司的方案都是集成解決方案。在上述9個整機方案中有3個飛行器非常具有特色。分別是貝爾公司的新式傾轉旋翼飛行器，遠足空中交通公司（Jaunt Air Mobility）的基于慢速旋翼的MAV55以及Jetoptera公司基于其自適應流體推進系統（FPS）飛行器。

貝爾公司新式傾轉旋翼飛行器

貝爾公司一直在從事傾轉旋翼的研究工作，從V-22到V280，在該領域貝爾公司積累了豐富的經驗。在此次挑戰賽中，貝爾公司進一步改進了其原來傾轉旋翼的設計方案，提出了類似F-35B的可折疊槳葉傾轉旋翼飛行器。

傾轉旋翼飛行器，顧名思義就是旋翼在飛行過程中可以根據不同的狀態產生傾轉。早期的XV-15、V-22采用的短艙傾轉方案，最新的V280采用的是旋翼傾轉方案。傾轉旋翼構型極大的提升了垂直起降飛行器的飛行速度，但是，在巡航階段，畢竟還是一款具備大尺寸螺旋槳的渦槳飛機，飛行速度還是無法進一步提升。

貝爾公司提出的新式傾轉旋翼飛行器有可能會極大的提升原有傾轉旋翼的飛行速度。貝爾公司表示，這款飛機的巡航速度將超過400kn（約740km/h），據稱它的起飛重量在4000-100000lb（約1800-45000kg）不等，而且它將提供一定程度的懸停續航力，并可配置為載人或無人操作。該飛行器關鍵技術“用于在飛行中折疊槳葉的方法和設備”于2010年6月15日在中國申請專利，2011年12月22日在國際公開，2013年1月30日專利首次公開，2015年2月11日獲得中國授權，專利編號為CN102905972。

該方案機翼翼梢處為可傾轉的動力艙，發動機通過傳動軸和離合器為動力艙提供驅動力。懸停狀態、渦槳飛機狀態與常規傾轉旋翼飛機一致，第三種飛行模態就是斷開離合器，并折疊旋翼，使用噴氣式發動機提供推進力。在該狀態模式下跟常規噴氣式飛機幾乎一樣，無非就是增加了動力艙的阻力。在該模式下飛行速度（740km/h）可以比常規傾轉旋翼飛機V-280（520km/h）快了200km/h多，幾乎提升了50%的飛行速度。

MAV55

直升機是一種常見的可垂直起降和前飛的飛行器，限制其前飛速度的因素在于其旋翼的基本氣動特性。直升機在前飛時，向飛行前方運動的槳葉叫前行槳葉，向飛行后方運動的槳葉叫后行槳葉。槳葉的槳尖線速度由旋翼旋轉帶來的槳尖線速度疊加飛行速度而成。一旦槳尖速度接近音速就會極大的降低槳葉的性能，這就意味著隨著飛行速度的增加，為了保證旋翼本身的氣動特性，就需要采取措施降低槳尖的當地馬赫數影響，常規直升機的做法是槳尖后掠設計。

MAV55基于慢速旋翼概念（Slowed Rotor Compound，SRC），在SRC飛機中，隨著飛機加速并且機翼開始支撐飛機，旋翼可以產生較小的升力并減速。旋翼升力的減少和轉速的降低顯著降低了旋翼的阻力——轉速降低3倍會導致旋轉阻力減少約27倍。低轉速和低升力的旋翼阻力基本上成為其面積和飛機速度的函數。按照高速飛行設計的機翼在減速時無法提供足夠的升力。在大多數飛機中，機翼的尺寸明顯大于巡航所需的尺寸，以便飛行員可以飛行得更慢。大多數飛機也有某種類型的高升力裝置，如襟翼，這提高了低速性能，但增加了機翼的重量和復雜性。SRC飛機的機翼非常簡單，尺寸比類似尺寸的傳統飛機小得多，因為機翼只需要高速支撐飛機。減速、空載的旋翼和簡單的小機翼相結合，使SRC飛機能夠如此高效地運行，基于與固定翼飛機相當，并且在高速下比任何傳統旋翼機效率更高。

美國Carter公司在NASA項目合同中研發的旋翼機高速型命名為Cartercopter，最大平飛速度達到640km/h（海平面）和960km/h（h=13500m）。Juant公司就是從Carter公司購買了相關的知識產權，形成了本次競賽的方案。

自適應流體推進系統

自適應流體推進系統（Fluidic Propulsive System，FPS）可以看作是一種增強版的無扇葉風扇技術。風扇底部馬達抽進空氣后，風扇內部有一個氣旋加速器，可將空氣流動速度加強十幾倍，被加速的氣流進入風扇的環形內唇環繞，其環繞力帶動扇頭附近的空氣隨之進入扇頭，并以高速度向外吹出。

Jetoptera飛機以其起飛時的最大重量命名。該公司最小的產品是J-55，最大重量為55lb（約24.94kg）。為了滿足對總重量的要求，它由帶有推力矢量的渦噴發動機而不是他們公司的推進系統提供動力。受益于新穎的機身設計，它可以作為尾座式懸停和起飛并提供非常高的速度。最小的FPS動力飛機是具有垂直/短距起降（V/STOL）能力的J-220。他們的技術可擴展到VTOL的5000lb（約2268kg）起飛推力以上，同時保持出色的推重比，分布式推力能力和設計簡單性，這使得其高端四座飛行汽車J-4000成為可能。相同的推進系統可以與嵌入機翼的推進器配對，為具有極端短距起降性能的飛機提供動力，可支持重量范圍為800-9000lb（約363-4082kg）。

結語

相較于其他公司的方案，上述三種方案都具備一定的創新性和實用性。同時，認真分析可以看出，其關鍵技術在多年前其實已經得到了突破，并在相關的飛機平臺上得到了部分驗證。因此，未來無論是常規無人機還是電動垂直起降飛行器（eVTOL）的動力選擇和構型設計有可能既復刻過去經典的設計，但又能引領未來的發展。