美军高速垂直起降飞机挑战赛中的特色飞行器

李悦立

创新中心AFwerx成立

2018年1月11日，美空军在内华达州拉斯维加斯市启用了一个新的创新中心AFwerx。美国副总统彭斯、空军部长威尔逊、空军参谋长古德芬等人出席了启动仪式。

美空军设立AFwerx的目的是为了推动创新性、颠覆性技术的集成与实施，确保美空军保持对未来对手的能力优势，为解决国家安全问题孕育新的思路或方法。AFwerx将面向公众、学术界、小企业及行业远见者征集意见，发挥协作性/创新性思想交流中心的作用。彭斯称，AFwerx将成为新创意和新技术的“孵化器”，“将聚焦于打破壁垒。因为防止冲突的最好方法是做好应对冲突的准备，而这正是AFwerx的工作。”

美空军设立AFwerx当年就发起了两项挑战赛。关于美空军AFwerx挑战赛所有信息可访问https：// afwerxchallenge.com/网站。

高速垂直起降飞机挑战赛

2021年4月，AFwerx发起了高速垂直起降（High-Speed Vertical Take-Off and Landing，HSVTOL）飞机挑战赛。该项目由美国空军（USAF）和美国特种作战司令部（USSOCOM）共同构思、设计和开发最先进的高速垂直起降解决方案，以在恶劣环境中实现最佳敏捷性。

该项目应该具备四种任务能力：

（1）特种作战部队和装备的渗透：特种作战部队希望能够在简陋的地点开展行动，独立于主要作战基地和大型物流设施，进入有争议的环境，并在短时间内秘密交付和取回他们的团队和装备。

（2）人员搜救：人员搜救部队希望能够在类似的严峻地点开展行动，进入具有各种地形和水域的竞争环境，以便在短时间内营救孤立的人员。

（3）航空医疗后送：航空医疗后送和机动部队希望有一架可配置的飞机，能够在严峻的地点运行，以确保危重伤患者的黄金时段响应时间。

（4）战术机动性：美国空军需要敏捷的、独立于跑道的战术空运能力，提供更高的有效载荷能力，并可能降低悬停能力，以加快将重要货物运送到需要的地点。

因此对飞行器平台提出了以下的要求：

（1）喷气式飞机般的速度和更大的航程；

（2）从低速/悬停到高速/巡航的飞行中过渡，反之亦然；

（3）在中低飞行高度增加航程；

（4）来自所有当前和未来燃料存储平台的空气加油和快速加油能力；

（5）具有高度的生存能力，可在各种任务环境中使用，具有防撞系统和识别潜在危险的能力，例如，在飞行的所有阶段进行主动/被动威胁检测和对策；

（6）处理有效载荷以满足任务特定需求；

（7）体积兼容，符合标准托盘尺寸；

（8）能够在简陋/未准备好的地点快速装卸货物或人员；

（9）模块化货物区，可容纳广泛的设备、人员和/或医疗服务。

参与项目的团队可以选择提交集成解决方案与子系统解决方案。

HSVTOL集成解决方案：数字工程环境中的系统概念化、设计和架构，通过广泛的高保真建模和仿真减少开发时间、风险和成本。

HSVTOL子系统解决方案：利用使能技术和/或数字工程原理，为开发能够满足未来作战人员需求的整体HSVTOL解決方案提供途径。示例包括但不限于：

（1）先进的推进技术为HSVTOL概念提供动力，实现垂直升力，敏捷移动和喷气式速度的水平行驶。

（2）支持HSVTOL概念运行的新技术（子系统，软件和硬件），包括支持制造，建造和/或生存能力以确保任务成功的材料。

2021年11月，美空军从218个方案中选择了11个项目进行投资，如图5所示。

11家公司中，除了维尔德歌航空公司（VerdeGo Aero）是为HSVTOL计划开发更强大的多兆瓦涡轮混合动力装置这样的分系统及Whisper公司提供超静音电动涵道风扇这样的动力分系统解决方案外，其余公司的方案都是集成解决方案。在上述9个整机方案中有3个飞行器非常具有特色。分别是贝尔公司的新式倾转旋翼飞行器，远足空中交通公司（Jaunt Air Mobility）的基于慢速旋翼的MAV55以及Jetoptera公司基于其自适应流体推进系统（FPS）飞行器。

贝尔公司新式倾转旋翼飞行器

贝尔公司一直在从事倾转旋翼的研究工作，从V-22到V280，在该领域贝尔公司积累了丰富的经验。在此次挑战赛中，贝尔公司进一步改进了其原来倾转旋翼的设计方案，提出了类似F-35B的可折叠桨叶倾转旋翼飞行器。

倾转旋翼飞行器，顾名思义就是旋翼在飞行过程中可以根据不同的状态产生倾转。早期的XV-15、V-22采用的短舱倾转方案，最新的V280采用的是旋翼倾转方案。倾转旋翼构型极大的提升了垂直起降飞行器的飞行速度，但是，在巡航阶段，毕竟还是一款具备大尺寸螺旋桨的涡桨飞机，飞行速度还是无法进一步提升。

贝尔公司提出的新式倾转旋翼飞行器有可能会极大的提升原有倾转旋翼的飞行速度。贝尔公司表示，这款飞机的巡航速度将超过400kn（约740km/h），据称它的起飞重量在4000-100000lb（约1800-45000kg）不等，而且它将提供一定程度的悬停续航力，并可配置为载人或无人操作。该飞行器关键技术“用于在飞行中折叠桨叶的方法和设备”于2010年6月15日在中国申请专利，2011年12月22日在国际公开，2013年1月30日专利首次公开，2015年2月11日获得中国授权，专利编号为CN102905972。

該方案机翼翼梢处为可倾转的动力舱，发动机通过传动轴和离合器为动力舱提供驱动力。悬停状态、涡桨飞机状态与常规倾转旋翼飞机一致，第三种飞行模态就是断开离合器，并折叠旋翼，使用喷气式发动机提供推进力。在该状态模式下跟常规喷气式飞机几乎一样，无非就是增加了动力舱的阻力。在该模式下飞行速度（740km/h）可以比常规倾转旋翼飞机V-280（520km/h）快了200km/h多，几乎提升了50%的飞行速度。

MAV55

直升机是一种常见的可垂直起降和前飞的飞行器，限制其前飞速度的因素在于其旋翼的基本气动特性。直升机在前飞时，向飞行前方运动的桨叶叫前行桨叶，向飞行后方运动的桨叶叫后行桨叶。桨叶的桨尖线速度由旋翼旋转带来的桨尖线速度叠加飞行速度而成。一旦桨尖速度接近音速就会极大的降低桨叶的性能，这就意味着随着飞行速度的增加，为了保证旋翼本身的气动特性，就需要采取措施降低桨尖的当地马赫数影响，常规直升机的做法是桨尖后掠设计。

MAV55基于慢速旋翼概念（Slowed Rotor Compound，SRC），在SRC飞机中，随着飞机加速并且机翼开始支撑飞机，旋翼可以产生较小的升力并减速。旋翼升力的减少和转速的降低显著降低了旋翼的阻力——转速降低3倍会导致旋转阻力减少约27倍。低转速和低升力的旋翼阻力基本上成为其面积和飞机速度的函数。按照高速飞行设计的机翼在减速时无法提供足够的升力。在大多数飞机中，机翼的尺寸明显大于巡航所需的尺寸，以便飞行员可以飞行得更慢。大多数飞机也有某种类型的高升力装置，如襟翼，这提高了低速性能，但增加了机翼的重量和复杂性。SRC飞机的机翼非常简单，尺寸比类似尺寸的传统飞机小得多，因为机翼只需要高速支撑飞机。减速、空载的旋翼和简单的小机翼相结合，使SRC飞机能够如此高效地运行，基于与固定翼飞机相当，并且在高速下比任何传统旋翼机效率更高。

美国Carter公司在NASA项目合同中研发的旋翼机高速型命名为Cartercopter，最大平飞速度达到640km/h（海平面）和960km/h（h=13500m）。Juant公司就是从Carter公司购买了相关的知识产权，形成了本次竞赛的方案。

自适应流体推进系统

自适应流体推进系统（Fluidic Propulsive System，FPS）可以看作是一种增强版的无扇叶风扇技术。风扇底部马达抽进空气后，风扇内部有一个气旋加速器，可将空气流动速度加强十几倍，被加速的气流进入风扇的环形内唇环绕，其环绕力带动扇头附近的空气随之进入扇头，并以高速度向外吹出。

Jetoptera飞机以其起飞时的最大重量命名。该公司最小的产品是J-55，最大重量为55lb（约24.94kg）。为了满足对总重量的要求，它由带有推力矢量的涡喷发动机而不是他们公司的推进系统提供动力。受益于新颖的机身设计，它可以作为尾座式悬停和起飞并提供非常高的速度。最小的FPS动力飞机是具有垂直/短距起降（V/STOL）能力的J-220。他们的技术可扩展到VTOL的5000lb（约2268kg）起飞推力以上，同时保持出色的推重比，分布式推力能力和设计简单性，这使得其高端四座飞行汽车J-4000成为可能。相同的推进系统可以与嵌入机翼的推进器配对，为具有极端短距起降性能的飞机提供动力，可支持重量范围为800-9000lb（约363-4082kg）。

结语

相较于其他公司的方案，上述三种方案都具备一定的创新性和实用性。同时，认真分析可以看出，其关键技术在多年前其实已经得到了突破，并在相关的飞机平台上得到了部分验证。因此，未来无论是常规无人机还是电动垂直起降飞行器（eVTOL）的动力选择和构型设计有可能既复刻过去经典的设计，但又能引领未来的发展。