创新驱动的航空科技发展概述-连载1-垂直起降技术-V2

1、创新驱动的航空科技发展概述（连载1：垂直起降技术）罗竑 张正 彭亮1 前言由于航空航天的进入门槛太高，长期以来，国际航空航天工业的尖端技术一直由几个大型企业巨头所掌控，随着全球经济的高速发展，民间资本的投入创造了很多新兴航空企业。这些企业将颠覆性创新技术和快速发展的信息技术引入进来，开辟新的市场。如SPACEX公司、蓝色起源公司、Boom公司、Spike公司、Aerion公司、JOBY公司、XTI公司、Terrafugia公司等，这些企业都有自己的特殊设计思路和先进技术，从传统大型航空航天企业挖掘了高端专业人才，组成了充满激情的研究队伍，有些还已经取得了举世瞩目的成就，并且得到了大型机构或大型

2、财团的支持。美国国防先进研究项目局（DARPA）、美国航空航天局（NASA）、美国军方、欧盟等机构通过建立相关研究项目牵引，面向传统企业并扶持新型企业，对各种新的航空航天创新技术开展了研究，取得了不少成果，曾经阻挡航空技术前进的很多关键点逐个被突破，各种创新型思维百家争鸣，对传统航空航天工业起到了良好的刺激和促进作用。本连载将简述国外典型技术领域创新发展概况，主要包括垂直起降、绿色飞行、新一代超音速客机、飞行汽车等，供研究参考。2 垂直起降技术2.1 贝尔 V-280“勇气”贝尔公司称V-280是第三代倾斜旋翼机，计划用于替代陆军UH-60系列直升机。目前该机赢得了美国陆军联合多功能技术验证机

3、(JMR-TD)项目的竞争，正在制造原型机，预计2017年首飞。贝尔公司与波音曾经联合研制了著名的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机，解决了垂直起降与高速长航时的矛盾。但是在使用中也发现了一些严重的问题，如涡流环问题（直升机的涡流环现象相当于飞机垂直下降时在空气中打滑，升力丧失，导致飞机进一步快速下降坠毁）。“鱼鹰”曾多次因为涡流环问题而导致机毁人亡，影响很坏，还曾经被国防部长要求停止项目（后来国会保下来了）。V-280的翼展设计没有海军陆战队上舰要求的限制，相应地旋翼直径也可以按照最优要求放大，同时降低转速。这些措施都有利于缓解涡流环问题。贝尔也在飞控系统设计中注意避免进入涡流环状态，有利于飞行员的

4、无忧虑操作。另外，由于V-22在垂直起降的时候，发动机整体向下偏转，转动惯量大使得结构重量也大，炽热的气流及吹起的大量尘土会磨损动力系统，并使得作战人员无法从侧面下飞机或警戒，只能等飞机降落后才可以从尾部下来。硕大的发动机竖立起来后，遮挡了士兵们侧面的视线，使得机上人员不能射击地面目标掩护飞机降落。在V-280的设计上，只偏转螺旋桨，发动机的喷流始终是向后的，而且不会遮挡侧面的视野。机翼不再像V-22那样有前掠，变成了简单的平直翼，机翼使用了大蜂窝碳基复合材料，取消了加强肋和紧固件等结构，结构重量得以降低。V-280在35°C的高温环境下，无地效悬停高度可达1830米，在保持519千

5、米/时巡航速度条件下作战航程可以达到9301480千米；其无空中加油情况下最大航程可以达到3890千米，具备出色的全球自部署能力。速度、航程均达到了UH-60的两倍，满足计划需求。V-280将参与美国陆军的“未来垂直起降飞行器”（FVL）项目的竞争。图 1 V-22降落图 2 V-280降落2.2 西科斯基/波音 SB>1SB>1这个名字的来源挺有意思的，S代表西科斯基（Sikersky），B代表波音（Boeing），中间的“>”符号表示两者协作力量远大于一家。这个布局在X-2上已经进行了验证，并曾经在2010年创造了直升机的最大平飞速度417km/hr。西科斯基与波音的SB

6、>1项目将与贝尔V-280等一起竞争美国陆军未来垂直起降飞行器（FVL）项目。SB>1的最大起飞重量约为13.6吨（比X-2的2.7吨和S-97的5.2吨都要大，但是这几个直升机的布局形式都相似），可在高温-高原环境下搭载4名机组成员和12名全副武装的士兵，最大飞行速度能够达到250节（463千米/时）。SB>1方案的初始设计评审于2014年完成，目前的设计方案并未对初始设计方案进行较大的更改。直升机采用共轴反转刚性双旋翼，每组旋翼由4片桨叶组成，在直升机的尾部还有一个专用的推进螺旋桨，这个螺旋桨只有在平飞时才会启动，起降时不会旋转，避免对地面人员的伤害，在推进尾桨之前，还有

7、水平的尾翼，可以在高速下起到气动控制面的作用，并且可以避免大型异物缠绕到推进尾桨上。在两个反转桨盘之间，设置了一个翼型形式的顺航向垂直整流，可以降低噪音并降低阻力。与其竞争对手、贝尔公司的V-280相比，SB>1的进度要略微滞后，V-280在去年就交付了首个机身结构件，目前已经基本完成了记忆和短舱的装配工作。SB>1计划在2017-2018年首飞。图 3 降落中的SB>1尾桨停转 图 4 巡航中的SB>1启动了推进尾桨2.3 极光飞行科学 雷霆打击2016年3月，极光飞行科学公司的“雷霆打击”方案获得了DARPA VTOL X-Pane项目的最终胜利。DARPA的VTO

8、L X-Pane项目的目标是开发一种性能更强的垂直起降飞行器，其主要技术指标包括，持续飞行速度能够达到556741千米/时；悬停效率不低于75%；巡航状态升阻比不低于10；有效载重不低于总重的40%，商载不低于12.5%；机动性能要求能够承受-0.5g2.0g过载；验证机最大起飞重量在45005400千克之间，技术可扩展应用在最大起飞重量180010800千克之间不同吨位的平台上。“雷霆打击”采用了鸭式布局+倾转机翼设计，由1台罗罗公司的涡轴发动机驱动，通过其驱动3台霍尼韦尔公司的发电机来产生电力，并将电力分配至全机24个涵道式风扇上，2个鸭翼上各安装3个，2个主机翼上则各安装9个风扇。在20

9、16年3月29日，其1/5的验证机进行了试飞。该方案还有其他不同的动力和发电机的配置，以适应不同的使用场景需求。“雷霆打击”计划参与陆军的“未来垂直起降飞行器”（FVL）项目竞争。图 5 “雷霆打击”的气动布局2.4 波音 幽灵雨燕波音公司的“幽灵雨燕”在DARPA的VXP项目最终落败给了极光飞行科学方案，但波音认为这种涵道风扇式垂直起降概念能够在无人机上找到用途。一个潜在出路就是美国陆军逐渐形成的“未来战术无人飞机系统”（FTUAS）需求，该项目已于3月发布了信息征询书（RFI）。RFI强调了美国陆军对于不依赖跑道系统的渴望。“幽灵雨燕”装有四个轴驱动的涵道式风扇，其中两个风扇装在机身内，另

10、外两个装在翼尖。垂直飞行时四个风扇全部工作，机身风扇下方的导流片和可旋转的翼尖风扇提供飞行控制。前飞时，机身风扇不再工作，上部的舱门和下部的导流片将涵道封闭起来以降低阻力。创新的可变面积喷管根据垂直飞行和水平前飞对涵道进行优化。波音公司提出的VTOL X-Plane方案是一种具有与AH-64“阿帕奇”直升机相似尺寸的无人飞行器，由两台安装在机身两侧突出部的通用电气涡轴发动机驱动。设置在中机身的载荷舱足够容纳4枚“海尔法”导弹。为改善悬停效率，与风洞模型相比在尺寸上增大了机身上的风扇，缩小了翼尖风扇。但波音表示，翼尖风扇可以做得更大，确保该飞行器悬停时无需使用机身风扇，这样可以显著减小机身下方的

11、下洗。提交给DARPA的“幽灵雨燕”方案重5448kg，但波音公司认为缩小尺寸成为一种战术无人飞行系统后这种高速VTOL概念会工作得更好。这时的“幽灵雨燕”只需要一个机身风扇，简化了设计。图 6 波音 幽灵雨燕2.5 卡里姆 速度优化倾转旋翼机卡里姆参与DARPA VTOL X-Plane的方案也是倾转旋翼，但与V-22“鱼鹰”有很大的技术差异。按照上舰要求，“鱼鹰”的旋翼折叠起来后，要能与机翼整体旋转到与机体齐平的位置，最大限度地减小舰上占地，便于上舰，因此翼展不可能大于机长，机翼难以按照气动要求最优化为更加细长的形状。卡里姆方案机翼细长，大大提高机翼的升阻比，有利于提高速度和航程。卡里姆声

12、称最大速度可达380节（约700公里/小时），大大超过JMR的最低要求。另外，卡里姆方案的发动机短舱不是在翼尖，而是在翼展一半的位置。短舱外侧的外翼段与发动机短舱同步倾转，减少垂直起落状态下机翼对旋翼的遮挡。不容易从外观上看出的是，卡里姆方案的旋翼还是可变转速的。旋翼通过变速箱由发动机带动，转速本来就是随发动机转速而变的，但变速比通常是固定的。然而，在同样的发动机出力下，高速平飞要求较高的转速来达到较高的推力，而垂直起落则要求较低的转速才能达到最大升力。卡里姆方案采用可变变速比的变速箱，在不同飞行状态下保持最优变速比，这个技术已经在他设计波音A-160“蜂鸟”长航时无人直升机上得到使用。该方案

13、最终落选第3阶段合同。图 7 卡里姆公司的OSTR2.6 诺斯罗普格鲁曼 燕鸥由美国防高级研究计划局（DARPA）和美国海军研究办公室共同设立的战术侦察节点（TERN，燕鸥的单词）项目可实现在海上移动平台上发射和回收中空长航时无人机系统，这将为前沿部署的小型舰船提供空前的作战能力。中空长航时无人机能够提供远距ISR和其他能力，相比于舰载直升机，航程和航时将显著提升；相比于传统固定翼有人/无人机，所需的专用设施资源要少得多。2015年12月24日，DARPA向诺格公司授予“战术侦察节点”（TERN）项目价值9300万美元（$93,076,636）的第三阶段合同。诺格公司的TERN无人机的展弦比较

14、大，翼展大约9.14米，前缘后掠角适中，在后缘有4个主控制面。该无人机用4个机轮作为起落架，其中2个安装在后缘，另外2个安装在机身后部上下翼面的鼓包内。机轮在水平飞行时不回收。无人机在垂直起降和水平飞行时由安装在机翼前缘中间位置的直径3米左右的反转螺旋桨提供升力和拉力。发动机只有一个进气道，位于旋翼桨彀的一侧，靠近机翼前缘。目前诺格公司没有透露该无人机发动机的类型，但从进气道的位置和尺寸可判断为涡轴发动机。无人机的螺旋桨配装常规的桨毂，使用倾斜盘（swash plate）控制叶片的桨距。在陆军JMR项目中竞争失败的AVX公司参与了其螺旋桨系统的设计。诺格公司的TERN无人机可以从甲板上垂直起飞

15、，并转换成水平飞行，其在硬挂点上挂载272.4千克载荷时的作战半径可达到1700千米。在由水平飞行转换成垂直降落时，该无人机将增大攻角并拉起，螺旋桨的拉力可以控制垂直降落的速度。目前诺格公司针对降落已经开展了大量的仿真工作，以模拟引导、导航和控制流程。图 8 诺斯罗普格鲁曼 TERN2.7 美国航空航天局 GL-10美国国家航空航天局（NASA）GL-10研制目的是验证此分布式螺旋桨+全动翼气动布局的效率，目前评估相当于常规直升机的4倍。“闪电”的翼展为3米，一共有10个旋翼，8个位于机翼上，2个位于尾翼上。机翼和平尾均可转动，实现倾转旋翼的效果，与V-22不同的是，前后水平翼面都会转动。而分布式的螺旋桨对翼面气流进行有利干扰，可以降低平飞时翼面面积需求，提高升阻比。这些螺旋桨和机翼的转动结构使得“闪电”可以像直升飞机那样垂直起飞和悬停，然后像普通的固定翼飞机那样前行。这架无人机由NASA兰利研究中心研发。该中心一共制作了12个原型，有简单的2公斤重的泡沫模型，也有25公斤重的高质量碳纤维机型。“闪电”的重量为28公斤，利用电池供电。图 9 NASA GL-10在垂直起飞2.8 其他在DARPA的VTOL X-Plane 方案中，还有西科斯基的尾座式起降吹气下洗机翼设计方案，在国内也有类似设计（VD-200），本文未做介绍。不少民营小型企业加入到了先进创新技术的行列，如欧空局支持