美国垂直起降飞机研发趋势

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412000）

0.概述

VTOL飞机是一种具有垂直起降能力的飞机，其巡航速度等同于普通固定翼飞机且满足完成远程任务的要求。VTOL飞机具有其独特的优势，如对跑道依赖性低，可在复杂地形环境下执行任务，又具备远超出直升机的巡航速度，其隐蔽性和机动性使得该类型飞机一直以来受到了美国军方的青睐。典型的VTOL飞机包含有以西科斯基S-97为代表的复合型飞机、以贝尔V-22为代表的倾转推进飞机、以NASA研发的GL-10为代表的倾转翼飞机、以NASA研发的Puffin为代表的尾坐式飞机、以洛克希德F-35B为代表的升力风扇飞机以及以英国鹞系列战斗机为代表的矢量喷管飞机。这6类典型的VTOL飞机具备其各自的优势和局限。但可见，VTOL飞机长期是各大主机厂关注且不断研究的对象。本文以回顾5个主要的美国VTOL飞机研发计划为基础，揭示其研发趋势。

1.美国VTOL飞机研发计划

美国无疑是当今的航空界的领导者，并且其长期在VTOL技术研发方面处于垄断地位。近年，有许多国家也致力于VTOL技术研发，但其起点也是花大量的精力来分析美国VTOL研发历史，以便从中学习相关技术的经验。

1.1 联合研制垂直起降试验机（JVX）计划

1980年伊朗人质危机期间，美军解救行动“鹰爪行动”失败，使得美国国防部加大了对新型远程、高速、垂直起飞飞机研发的重视。为此，1981年，美国国防部启动了JVX飞机研制计划[1]。由于海军陆战队的主要任务是执行两栖登陆，集中的打击力量很容易受到单枚核武器的伤害，如果有兼备高速和远程特性的空中解决方案将可有效地实现分散撤退，为此他们对JVX计划表现出了特别的兴趣。因此，JVX计划中要求VTOL飞机具有高速和远程特性。该计划是研究现代VTOL飞机的起点，侧重于开发直升机的替代品，而在其他方面没有严格的要求。最终，贝尔V-22“鱼鹰”赢得了该计划。

1.2 联合攻击机（JSF）计划

JSF计划是一项开发和采购计划，旨在取代美国、英国、土耳其、意大利、加拿大、澳大利亚、荷兰及其盟国现有的战斗机、攻击机和地面攻击机，包括美国的F-16、A-10、F/A-18A-D、AV-8B和英国鹞式GR7和GR9。JSF计划合并了低成本通用轻战斗机（CALF）计划和联合先进打击技术（JAST）计划。合并初期，仍采用了JAST这一名称，直至工程制造开发（EMD）阶段才更名为JSF计划。

1996年11月16日，两份开发原型机的合同分别被授予洛克希德·马丁公司和波音公司。每个公司需生产两架飞机，以展示其常规起降、航母起降以及短距起飞垂直降落的能力。与其共同竞争的麦克唐纳·道格拉斯公司因其设计过于复杂而被拒。随后，两家公司分别获得了7.5亿美元的资金用于研发概念验证机和定义“首选武器系统概念”。

从概念选取到设计研发再到完成试验，美国国防部在该计划启动8年后最终选取了洛克希德·马丁F-35B作为其最终计划产物[2]。

1.3 联合重型运输旋翼机（JHL）计划

基于伊拉克战争和阿富汗战争中所获得的经验，美国更加意识到研发VTOL飞机的重要性，并且将研发适应复杂地形环境的VTOL飞机作为美国未来十大军事关键技术之一。自此，美国陆军航空应用技术部启动了JHL直升机计划，与西科斯基公司、波音公司、贝尔波音公司和卡莱姆飞机公司分别签署了为期18个月总金额超过3000万美元的设计和分析合同。美军发布的JHL初步能力文件（草案）要求JHL需要满足未来联合作战计划的要求，包括垂直包围、扩展作战以及作为联合远征的一部分实现陆海反接近策略，其基本设计目标是能够在463km范围内运输重量超过20t的未来战斗系统（FCS）装甲车。既要能垂直起飞，又要基于最基本的性能指标实现20t以上的有效负载，这并非易事。目前，最大的重型直升机俄罗斯的M-26最大有效载荷达到了20t，但在实际战斗使用条件下，其最大有效载荷仅为13t。JHL计划基线设计规范中明确研发出的飞机需要实现在4000英尺的密度高度和95°F的条件下，将未来战斗系统装甲车、斯特瑞克装甲车或轻装甲车从陆地/海上基地或作战区域运输至超过250海里（NM）半径范围内。此外，还列出了8种需要考虑的具体适用情况，包括运送轻型或重型货物（16t～26t）、较短或较长的任务半径（210～500NM）、极端环境条件（6000英尺密度高度和95°F）以及完全匹配未来战舰。2008年，JHL计划成为了美国空军/陆军联合未来战区旋翼机（JFTL）计划的一部分。2015年，美国国防部制定了以JFTL为组成部分的垂直升降飞机计划。

1.4 垂直起降试验机（VTOL X-Plane）计划

在新的国际形势下，美军对VTOL飞机提出了更高的要求。2013年2月，由DARPA出资的VTOL X-Plane计划正式启动，其目标是验证某一垂直起降、高效悬停、高速飞行的飞机设计。之前曾有多个设计试图满足这些要求，但大多以失败告终。

2014年3月18日，DARPA宣布西科斯基公司、欧罗拉飞行科技公司、波音公司和卡莱姆飞机公司入选VTOL X-Plane计划。

VTOL X-Plane计划旨在开发高性能VTOL飞机，其主要技术要求包括：300～400节的巡航速度，超过75%的悬停效率，超过10的巡航升阻力，有用负载超过预计总重量的40%，可承受-0.5g～2.0g的过载，4500kg～5400kg的最大起飞重量，超过20000英尺的最大升限，以及142海里（NM）的作战半径[3]。最终，欧罗拉飞行科技公司的设计“闪电击”获胜，并于2018年进行了试飞。由于DARPA的预算调整，该计划于2019年被取消。

1.5 联合多任务旋翼机技术演示机（JMR-TD）计划

自2004年起，美国陆军就开始构思联合多任务旋翼机（JMR）计划，这一计划便是未来垂直起降飞行器（FVL）计划的前身。FVL计划旨在为美国武装部开发一系列军用VTOL飞机，替换所有美军现有旋翼机。

FVL计划旨在创建一种新的旋翼机，利用新技术、新材料和新设计，以拥有更快的飞行速度、更远的航程、更大的有效载荷、更佳的可靠性、维护性和操作性以及更低的使用/维护成本和后勤保障支持。为了完成该计划，美国陆军开发了三种不同类型的新型旋翼机平台：未来攻击/侦察飞机（Future ARA）、未来远程攻击飞机（FLRAA）和先进无人机（Advanced UAS）。尽管计划要求至今仍在不断完善，但其基本技术规范已明确：飞行速度230节，最多可搭载12名士兵，6000英尺（1800 m）和95°F（35℃）的高温高原飞行性能，战斗半径424km，无空中加油航程848km。任务集包括货物运输、武装侦察、攻击、人道主义援助、医疗后送、反潜战、反地面战、陆海搜救、特种战支持、垂直补给、以及空中反雷等。FVL系列飞机还同时具备飞行员驾驶和自动飞行能力[4]。

2014年8月11日，美国陆军宣布，贝尔V-280“勇气”和西科斯基-波音SB-1“无畏”最终入选进入JMRTD计划的第一阶段。JMR-TD计划的目的就是为了对FLRAA进行技术演示，确定需求和能力，并且降低研发风险而进行一系列飞试验。2017年12月18日，V-280完成了首飞，而SB-1稍稍落后，于2019年3月21日完成首飞。目前，两者都已完成了多项关键试验。由于2019年美国的财务预算调整，FVL计划开始了一个为期五年的技术成熟度和降低风险（TMRR）阶段，随后在2024年实施一个为期5年的工程制造开发（EMD）阶段，最后到2030年实现小批量生产。

2.VTOL飞机研发趋势

表1列出了美国5项VTOL飞机研发计划的参与竞争机型和最终获选机型（以粗体标识）。

表1 VTOL飞机研发计划的参与竞争机型

可见以下几个规律：

第一，参与竞争机型始终来自于几家掌握核心技术的大公司，且贝尔的倾转旋翼机和卡莱姆的倾转旋翼机多次出现。尽管倾转旋翼机积累了较多的设计以及飞行经验，似乎是最为成熟也最为流行的技术，但始终有着其自身的弱点，例如，贝尔V-22倾转发动机机舱的布局对平衡飞机左右两侧升力提出了很高的要求，且旋翼的下洗气流远高于同等级直升机。因此，必须创新思维、革新技术，以充分发挥倾转旋翼机的优势。

第二，全新的飞机方案在一定程度上有着出奇制胜的效果。在JSF计划中，波音公司的X-32B与英国鹞系列飞机极其类似，但却未根本解决鹞系列飞机存在的问题，最终输给了洛克希德·马丁公司的新概念方案。此外，欧罗拉的“闪电击”结合了倾斜翼技术和升降风扇技术的优势，帮助其击败了传统大公司。从历史的发展中可以看出，针对不同的计划和不同的应用，必须要根据其特定的需求采用合适的技术。显然，要在计划中胜出，必然需要综合采用多种技术，以适应所有的技术条件。

第三，相互合作、共同发展非常重要。波音公司在多次竞争失败后，尝试了新技术，最终，其与西科斯基合作的SB-1复合直升机在JMR-TD计划中给出了亮眼的成绩。向其他公司学习或从现有的技术经验中学习是一种聪明且高效的方法。公司间的强强联合，也为排除竞争，综合各公司的强势技术提供的条件。

3.结语

自1950年代VTOL飞机首次出现以来，已经开发出许多不同类型的VTOL飞机，并且此类飞机越来越受到了美国军方的关注和投入，各大公司也竞相采用新设计、开发新技术、运用新材料以满足日益苛严的要求。复合式直升机和倾转旋翼机一直受到了青睐；倾斜翼飞机和升力风扇飞机成为新发展方向；随着技术的进步，尾坐式飞机又重新被拉回到竞争舞台；矢量喷管技术虽未在VTOL计划竞争中获胜过，但其优良的机动性必然有其展示之地，如鹞系列飞机经历半个世纪仍在美军服役。所有技术都可以在一定范围内找到应用平台，关键在于针对不同条件选择相应的技术。