SPRINT項目推動高速垂直起降飛機發展

■ 譚米 劉英杰 / 中國航空發動機研究院

空軍基地及跑道在衛星圖像下一覽無余，是戰時的重點被攻擊對象。為應對這個問題，美國國防預先研究計劃局（DARPA）與美國空軍特種作戰司令部（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時的軍事支援等場景具有獨特的優勢，相對于傳統的旋翼機更能適應分布式作戰的需求。美國海軍研究辦公室（ONR）曾經開展了戰術偵察節點（TERN）項目；陸軍提出了未來垂直升力（FVL）計劃；美國空軍創新孵化機構AFwerx在AFSOC的授意下發起了高速垂直起降挑戰賽；DARPA先后啟動了空中可重構嵌入式系統（ARES）、垂直起降試驗飛機（VTOL X-Plane）和SPRINT等項目來驗證相關技術。

SPRINT項目發展歷程

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，旨在發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，可在惡劣的環境中懸停。

2023年3月9日，DARPA發布了SPRINT項目廣泛機構公告（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階段側重于概念設計和需求定義，包括概念設計評審；1B階段通過更復雜的分析、模擬、降低風險試驗、制造和飛行試驗計劃，繼續使選定的X飛機設計成熟。X飛機的最終目的不是打造一個具有特定作戰能力的預生產飛機，而是驗證可以拓展到不同尺寸平臺的使能技術和集成方案。

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計方案制造原型機，2027年實現首飛。

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動機提供高速前飛時的推力，未來或將采用一種可以在渦軸和渦扇模式之間切換的“可轉換發動機”。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，由主動力裝置提供電力從而驅動旋翼。

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

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鑒定。該公司還將利用美國空軍阿諾德工程發展中心（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：渦軸發動機通過減速器和傳動軸驅動涵道風扇樞軸上的直角齒輪箱，進而帶動風扇旋轉產生推力或升力。涵道由兩個作動器驅動，繞樞軸旋轉，使飛機實現垂直起降和平飛狀態的順利轉換。

ARES是DARPA于2012年啟動的項目，目的是發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-馬丁（洛馬）公司是主承包商（負責開發飛行控制軟件），皮亞塞基公司是飛行器開發的主要分包商。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級的渦軸發動機，原型機質量為1.8t，可吊掛1.4t的任務模塊，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的開發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（FPS）方案。FPS的工作原理類似無葉風扇，將空氣經過渦軸發動機和空氣壓縮機輸送到環形噴嘴，在那里增壓排氣，引射并加速大量環境空氣以增加推力。

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。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，該壓縮機包含由現有1860kW級普惠渦軸發動機（推測為PT6系列改型）驅動的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打印技術制造。該方案的優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有的成熟燃氣渦輪發動機改裝，維護成本較低。

皮亞賽基公司傾轉涵道風扇驗證機

2023 年5 月，美國空軍創新機構Afwerx 授予Jetoptera 公司一份價值75 萬美元的第二階段小企業技術轉移計劃（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。根據風洞試驗結果，FPS 產生的升力系數高達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旋翼機之間，最大飛行速度達到馬赫數（Ma）0.8（980km/h）。有待克服的最大挑戰是將FPS 推進器植于機翼內，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項目設計方案。方案采用了被稱為“扇翼”（FIW）的內嵌升力風扇和翼身融合體的設計，據稱可以實現超過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動方式，但過往的設計中主要有3種方式：以發動機的傳動軸驅動升力風扇轉動（類似F-35B）；以發動機排氣的分流推動風扇葉片轉動；分布式混合電推進。

極光飛行科學公司表示，其設計方案建立在之前波音X-48驗證機的翼身融合設計，以及極光飛行科學公司“神劍”（Excalibur）無人機設計的基礎上。X-48是波音公司與NASA合作研發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的燃氣渦輪發動機提供動力；第二代X-48C驗證機為低噪聲設計，耗油率降低50%，噪聲降低40dB，巡航速度不變，由2臺推力0.4kN的燃氣渦輪發動機提供動力。“神劍”無人機是極光飛行科學公司為美國陸軍航空應用技術局和海軍研究辦公室開發的，速度達741km/h，采用3個在可在機翼內伸縮的電動升力風扇提供垂直升力。

極光飛行科學公司發布的SPRINT項目設計方案概念

結束語

DARPA希望在2027年實現驗證機的首飛，開發新的發動機或推進系統勢必將延誤進度，因此目前的技術提案都基于現有的燃氣渦輪發動機/推進系統。通過將成熟的渦軸/渦扇發動機與螺旋槳、涵道風扇、射流推進器等裝置相結合，融入可傾轉、可折疊、分布式等構型，實現不同飛行模式的切換。此外，高速垂直起降飛機已經成為美國各軍種的重點關注領域之一，經過多年的技術積累，預計高速垂直起降飛機將迎來突破性的進展。