承袭与创新――V-280倾转旋翼机
2018-03-07温杰
温杰
2017年12月18日，得克萨斯州阿马里洛市，贝尔直升机公司研制的V-280“勇士”（Valor）倾转旋翼验证机停放在总装厂的测试跑道上，等待第一次升空。下午1时59分，随着发动机轰鸣，巨大的螺旋桨开始加速旋转，V-280缓缓升空，在距离地面6～9米的高度持续盘旋了大约20分钟，初步测试了传动系统的基本性能，以垂直起降模式成功地完成首次飞行。
此举标志着贝尔公司在为美国国防部提供下一代垂直起降飞机的研制工作迈出了重要一步。作为新一代倾转旋翼机，V-280旨在以可负担的成本提供更加出色的飞行速度、航程、机动性和有效载荷能力。凭借着较为成熟的技术，贝尔公司在美国陆军的联合多用途旋翼机（JMR）验证计划中先声夺人，将在未来垂直起降（FVL）计划的选型中占据主动，有望彻底改变美国陆军的作战概念和前线行动，满足未来立体作战的需要。
评估垂直起降技术
V-280验证机的横空出世很大程度上是验证所采用的关键技术能否满足美国陆军对于未来新一代垂直起降平台的作战需求。自20世纪80年代开始装备AH-64“阿帕奇”武装直升机以来，美国陆军航空兵长期使用着上世纪50年代到70年代设计和生产的直升机，一直没有采购任何一种新型直升机。与美国空军和海军相比，美国陆军在航空装备上已经难以满足当前和未来战场的作战需求。
近年来，美国军方在阿富汗战争和伊拉克战争中暴露出现役直升机在性能上缺陷，包括速度、高度、航程、有效载荷、续航能力以及自我防御和态势感知。虽然美国陆军和海军陆战队竭尽所能地升级了越南战争时期设计和生产的直升机，由此发展出庞大的“黑鹰”和“蝰蛇”家族，在改进改型中几乎用尽了英文字母表，但是传统技术在总体性能方面已经力不从心。
为了改变当前技术积累薄弱和型号发展缓慢的局面，美国陆军专门启动了JMR计划，目标是立足于总体构型相似的设计方案，全新研制一系列新型直升机。根据作战需求，新一代直升机的飞行速度必须达到至少426千米/小时，比现役常规直升机高出2倍。
具体而言，JMR计划与着眼未来的FVL计划可谓一脉相承，前者是一项技术验证计划，后者为一项装备发展计划，是美国陆军在技术验证的基础上继续实施的型号研制计划，将分别研制轻型、中型和重型垂直起降平台，而根据当前迫切需求，FVL计划将优先研制中型通用垂直起降飞行器，预计在2035年左右替代现役的UH-60“黑鹰”直升机。
2013年10月2日，美国陆军分别与四家公司签订了技术投资协议，着手研制适用于21世纪作战任务的轻型和中型直升机。这四家公司分别是贝尔公司与洛马公司联合团队、西科尔斯基公司与波音公司联合团队、AVX飞机公司和卡雷姆飞机公司。
其中，西科斯基团队的设计方案基于X2验证机构型，采用了共轴双旋翼加尾部推进桨的布局；贝尔团队的设计方案采用了类似V-22飞机的倾转旋翼构型，AVX公司提出共轴双旋翼加两个涵道风扇的构型，卡雷姆公司推出了最优转速倾转旋翼的方案。根据JMR计划的安排，四家公司花费了9个月时间来细化各自的设计方案，然后提交给了美国陆军。
2014年8月12日，美国陆军在对各种方案进行了全面评估后，分别授予贝尔公司团队和西科斯基团队一项JMR-TD计划第一阶段合同，将各自研制V-280和SB-1技术验证机，完成相关的飞行测试。同时，美国陆军也授予AVX公司和卡雷姆公司有关合同，继续研究未来的垂直起降技术。美国陆军希望通过全面测试和评估，从各家公司的设计方案中选取一些最成熟和最先进的技术，细化新一代直升机的作战需求和功能，推动FVL计划的选型工作。
承袭总体构型设计
作为JMR-TD计划的承包商之一，贝尔公司从2012年着手开展V-280方案的初步设计工作。与西科斯基团队设计的SB-1验证机总体构型不同，贝尔公司立足自身技术特长，充分利用了多年来在V-22倾转旋翼机研制和生产过程中积累的丰富经验，为美国陆军研制新一代垂直起降平台。
继XV-15技术验证机和V-22倾转旋翼机后，V-280倾转旋翼机代表了第三代直升機与固定翼飞机的混合式平台，设计目标是为美国陆军提供快速、远距和高效的运送投放能力，以便确保作战效能远远强于对手。从字面来看，V-280名称中的“280”代表了飞行速度达到280节，即520千米/小时，是现役直升机速度的2倍，同时航程是也将增加1倍。
尽管沿用了倾转旋翼技术，但V-280验证机针对V-22在装备使用过程中暴露出的气动、结构等主要问题进行了优化设计，不仅完善了气动布局，提高了飞行性能，还提高了可靠性，同时降低了研制和生产成本。贝尔公司表示，V-280验证机可以最大程度地满足FVL计划的需求，在装备采购、作战使用、后勤保障方面都有很高的性价比，可以为作战人员提供一个作战机动平台，或者执行普通直升机无法进行的垂直起降任务。
考虑到下一步的型号竞争，贝尔公司在设计过程中将V-280验证机定位为中型通用/攻击平台，同时具备承担人员运输任务和武装攻击任务的潜力，只需换装不同任务载荷就可以实现这两种任务。为此，贝尔公司针对美国陆军的换装需求，在V-280验证机构型的基础上设计了两种任务类型：通用型，可以搭载2名机组人员、2名机枪手和14名全副武装的作战人员，用于替换现役UH-60“黑鹰”直升机；攻击型，将采用同样的机身，可以携带多型机载武器执行对地火力支援任务，用于取代AH-64“阿帕奇”直升机。
毫无疑问，采用同一平台承担两种任务的概念方案非常有吸引力，将使美国陆军在零部件、发动机、传动和旋翼系统的研制和采购方面节约至少数十亿美元。研制过程中，贝尔公司与洛马公司、通用电气公司等其它10家公司组成了V280团队，注重降低研制和生产成本，希望将生产型V-280倾转旋翼机的价格控制在当前“黑鹰”直升机的水平。
2015年6月26日，贝尔公司正式启动了首架V-280验证机的制造工作，并成功运用了许多技术创新。其中一个具有突破性的是其机身采用了先进的制造工艺和装配技术，不仅减轻了结构重量，提高了机体防护能力，同时还极大地减小了制造公差，降低了费用和使用成本。
研制过程中，贝尔公司还充分利用商用项目的研制成果，将贝尔525中型直升机的电传飞控技术应用到V-280验证机上。V-280采用了三余度电传飞控系统，侧杆操纵，具有优异的操纵准确性和安全性，同时有助于降低飞行员的工作负荷，减轻系统重量。
优化倾转旋翼系统
客观地说，V-280验证机是一架新型飞机，但是所采用的倾转旋翼技术并不是一项创新技术，因此能否弥补V-22飞机的先天不足，成为外界关注的焦点。作为第三代倾转旋翼平台，V-280在承袭了“鱼鹰”总体设计的基础上，针对美国陆军的作战使用特点，从多个方面优化了局部设计，力求降低研制风险，避免V-22飞机在发展和使用过程中遇到的一些技术问题。
首先是总体构型更加紧凑简洁。V-280采用了更加流线型的复合材料机身，更好地减小气动阻力。不同于V-22飞机，该机采用了V形尾翼，大大减轻了结构重量。
其次是机翼设计进一步简化。与V-22采用具有下反角的前掠翼相比，V-280验证机采用了平直机翼，在确保气动性能的基础上，有效解决了早年在机翼设计中因经验不足而导致的结构复杂性，所产生的直接效果是不再需要在机身上方安装一个连接变速箱。
20世纪80年代，V-22飞机在设计中采用一根驱动轴贯穿机翼来连接两个发动机，如果一台发动机失效，则允许另一台发动机为两个螺旋桨提供动力。为了保证这个功能，贝尔公司专门在机翼与机身连接部位安装了一个中央翼变速箱，用于连接中间的传动轴。
随着V-22投入使用，贝尔公司的工程师们通过飞行试验和后续理论计算发现，前掠翼和下反角等原有的设计是不必要的，但是从“鱼鹰”构型中取消这些设计为时已晚，但是为新一代平台的发展积累了经验。时至今日，贝尔公司在倾转旋翼技术上的多年探索为发展下一代倾转旋翼机奠定了基础。
最后再来对比倾转旋翼系统。直观来看，V-280在推进系统方面与V-22区别不大。作为一个技术验证平台，该机采用了两台5 000轴马力的T64-GE-419发动机，通过变速箱分别驱动一副3桨叶大型旋翼。但是，贝尔公司针对V-22存在的不足，力求简化V-280的推进系统，创新性地采用了水平固定发动机的方式，成为有效控制成本和改进可靠性的一个重要措施。
目前，V-22在改变飞行模式时，需要同时倾斜旋翼和发动机舱，增加了发动机和倾转机构的复杂性，同时影响到机身舱门的位置选择，只能在尾部设计了后舱门。对于美国陆军来说，这种飞机在战区垂直着陆过程中，由于发动机舱处于垂直状态，尾噴口排出的燃气正对着地面，大大限制了突击人员从机身两侧快速进出，还影响到重型机枪的火力压制范围。
通过优化设计发动机舱和倾转旋翼系统，V-280的发动机舱保持固定，旋翼系统通过驱动机构单独偏转，在飞行状态转变过程中，只需旋翼和传动轴偏转，使空中悬停和水平飞行之间的状态转换更加平稳。同时，这一设计还有助于降低研制风险，减少发动机在不同角度工作的认证程序。
这样，该机在机舱两侧分别设计了一个1.83米宽的舱门，方便作战人员快速进出机舱，可以有效执行作战任务。同时，这一设计也有利于人员速降到建筑物顶部。
贝尔公司表示，如果最终赢得竞争，批生产型V-280的推进系统将充分利用美国陆军正在实施的“未来经济可承受涡轮发动机”（FATE）计划的成果，使用更加先进的动力装置。按照FATE计划，新一代动力装置的燃油消耗量减少35%，功率重量比提高80%，设计寿命提高20%（超过6 000小时），生产/维护成本降低45%。
研发人机交互系统
此次首飞的V-280在驾驶舱内仍然采用4个多功能显示器，通过传统按键为试飞员提供各种数据和信息。但是，贝尔公司正在研制一种全新的驾驶舱概念，可能用于生产型V-280上。
2013年10月，贝尔公司与洛马公司、因汉斯数字公司合作，研制下一代军用航空电子设备。2015年6月2日，贝尔公司在五角大楼的庭院内首次展出了V-280全尺寸模型，其中最引人注目的是在并列双座驾驶舱内采用了全景式触摸屏显示系统，可显示三维任务地图的全景视窗，也可选择传统的多功能显示器模式。
从其设计来看，显示屏本身将由一系列小型“即插即用”显示模块构成，这些显示模块可组合成一个巨大的镶嵌图像。这样，在遭受到巨大冲击时，整个系统可以避免丧失原有功能，原来在一个失效模块上显示的数据将自动传输到镶嵌图案的正常功能部分，确保不会出现显示数据丢失的情况。在作战使用中，如果直升机被地面炮火击中，95%的显示屏仍然完好无损。
时隔一年后，V-280全尺寸样机首次出现在范堡罗航展上，工程师杰里米·查维兹在现场向参观人士介绍了这种全景式触摸屏显示系统的使用方式。他表示，操作这种显示屏就像使用平板电脑一样，通过手指点击、缩放和滑动功能就能获得所需的各种信息，非常便捷，不必再通过一层层子系统来确定信息，而是在需要时随时找到它，然后，在不需要的时候关闭它。
接着，他解释了研制这种显示系统的设计缘由。这种驾驶舱将在10～15年内投入使用，因此，驾驶舱发展的趋势是需要更多的触摸屏交互功能，为此专门研究了目前商业市场上的一些技术，以及在这个时间框架内将操作飞机的飞行员。从时间上看，未来驾驶新一代倾转旋翼机的飞行员现在大约8岁，他们伴随着智能手机和平板电脑成长起来，因此这种设计对于他们来说非常容易上手。
目前，贝尔公司在全景式触摸屏显示系统正式投入使用之前还有很长的一段路要走。目前，联合研制团队在有关架构方面已经有了一些明确的设计思路，但是要真正研制出用于V-280的驾驶舱显示系统可能还需要10年时间。
值得一提的是，作为V-280团队的成员，洛马公司可以充分利用F-35战斗机上的相关技术，为V-280打造一种具有飞行员显示孔径系统（PDAS）的“智能头盔”，将极大地提升驾驶员的态势感知能力。
同时，研制人员充分考虑到人体工程学，为机组人员提供了商用直升机驾驶舱的舒适度，其中一个细节是在侧杆后面设计了一个前臂支撑部件，使飞行员只需细微的腕部动作，就可以长时间地操纵新型倾转旋翼机。
此外，以色列飞机工业公司（IAI）为V-280原型机提供了复合材料制成的先进内舱座椅，不仅具有结构坚固和耐冲击的特点，同时还具备先进的功能性，可以为作战人员随身携带的无线电接收机进行无线充电，确保投入作战后的通信和联络。
着眼自主飞行能力
从一纸方案到正式出厂，V-280的设计与研制工作较为顺利，只是在倾转旋翼系统的共轴部件生产方面遇到一些挑战，导致首飞时间推迟了3个月。2017年8月30日，首架V-280（注册号N280BH）在贝尔公司阿马里洛总装中心曝光，开始接受发动机运转、旋翼系统转向控制等一系列功能测试，为首次升空做好各项准备。
在成功完成首飞后，V-280将在2018年进行更多飞行测试，向美国陆军全面展示设计性能和任务能力。从目前公布的一些作战能力来看，V-280凭借着飞行速度快、作战半径大的优势，可以有效执行运送作战人员、实施突击速降、支援坦克部队、打击地面目标和营救受伤人员等多种任务，甚至还能來去自如地在城市中降落，加快清剿匿藏的恐怖分子。
根据最新消息，贝尔公司已经开始考虑V-280在未来的应用可能性，并希望在2018年获得美国国防部的支持，验证可选有人驾驶模式，实现V-280的自主飞行。贝尔公司军用产品副总裁文斯·托宾表示，V-280上采用的电传飞控系统和相应研制的控制率，为其增加自主飞行能力提供了便利条件。更为重要的是，自主飞行技术将为下一步发展一种舰载倾转旋翼无人机铺平道路。
一年多前，贝尔公司针对美国海军陆战队的作战需求，提出了V-247“警惕”（Vigilant）舰载无人机方案，在总体设计上与V-280如出一辙，可以根据任务需要集成多种传感器和机载武器，在舰载垂直起降无人机竞争中异军突起。从任务能力来看，V-247具有十分出色的持续远征和长航时监视能力，不仅可与V-280倾转旋翼机同时部署在海军陆战队的两栖攻击舰上，还能停放在美国海军导弹驱逐舰上，执行反舰和反潜等任务。
着眼长远，贝尔公司希望V-280验证机在JMR-TD阶段飞行测试结束后能继续充当一个飞行测试平台，用来测试武器系统集成等研制项目。
客观地讲，V-280是一架全新设计的飞机，但是所采用的倾转旋翼技术已经日趋成熟。正是出于这个原因，贝尔公司建议美国陆军可以考虑跳过风险降低阶段，加快研制进度，直接在2018年进入到工程制造与发展（EMD）阶段。此举足以表明，贝尔公司迫切希望将V-280率先实现首飞的优势及时转变为赢得FVL合同的胜势。
根据目前计划，美国陆军将在2019年正式授出FVL计划的研制合同，并在2030年后具备作战能力。从当前的技术验证来看，V-280具有速度更快、航程更远的优势，而SB-1验证机的悬停突击性能好，技术风险相对较低。随着验证试飞工作陆续展开，美国陆军更加看好哪种设计方案？会将FVL中型垂直起降旋翼机的合同授予哪家承包商？目前还是一个未知数。endprint
