1、創新驅動的航空科技發展概述（連載1：垂直起降技術）羅竑 張正 彭亮1 前言由于航空航天的進入門檻太高，長期以來，國際航空航天工業的尖端技術一直由幾個大型企業巨頭所掌控，隨著全球經濟的高速發展，民間資本的投入創造了很多新興航空企業。這些企業將顛覆性創新技術和快速發展的信息技術引入進來，開辟新的市場。如SPACEX公司、藍色起源公司、Boom公司、Spike公司、Aerion公司、JOBY公司、XTI公司、Terrafugia公司等，這些企業都有自己的特殊設計思路和先進技術，從傳統大型航空航天企業挖掘了高端專業人才，組成了充滿激情的研究隊伍，有些還已經取得了舉世矚目的成就，并且得到了大型機構或大型

2、財團的支持。美國國防先進研究項目局（DARPA）、美國航空航天局（NASA）、美國軍方、歐盟等機構通過建立相關研究項目牽引，面向傳統企業并扶持新型企業，對各種新的航空航天創新技術開展了研究，取得了不少成果，曾經阻擋航空技術前進的很多關鍵點逐個被突破，各種創新型思維百家爭鳴，對傳統航空航天工業起到了良好的刺激和促進作用。本連載將簡述國外典型技術領域創新發展概況，主要包括垂直起降、綠色飛行、新一代超音速客機、飛行汽車等，供研究參考。2 垂直起降技術2.1 貝爾 V-280“勇氣”貝爾公司稱V-280是第三代傾斜旋翼機，計劃用于替代陸軍UH-60系列直升機。目前該機贏得了美國陸軍聯合多功能技術驗證機

3、(JMR-TD)項目的競爭，正在制造原型機，預計2017年首飛。貝爾公司與波音曾經聯合研制了著名的V-22“魚鷹”傾轉旋翼機，解決了垂直起降與高速長航時的矛盾。但是在使用中也發現了一些嚴重的問題，如渦流環問題（直升機的渦流環現象相當于飛機垂直下降時在空氣中打滑，升力喪失，導致飛機進一步快速下降墜毀）。“魚鷹”曾多次因為渦流環問題而導致機毀人亡，影響很壞，還曾經被國防部長要求停止項目（后來國會保下來了）。V-280的翼展設計沒有海軍陸戰隊上艦要求的限制，相應地旋翼直徑也可以按照最優要求放大，同時降低轉速。這些措施都有利于緩解渦流環問題。貝爾也在飛控系統設計中注意避免進入渦流環狀態，有利于飛行員的

4、無憂慮操作。另外，由于V-22在垂直起降的時候，發動機整體向下偏轉，轉動慣量大使得結構重量也大，熾熱的氣流及吹起的大量塵土會磨損動力系統，并使得作戰人員無法從側面下飛機或警戒，只能等飛機降落后才可以從尾部下來。碩大的發動機豎立起來后，遮擋了士兵們側面的視線，使得機上人員不能射擊地面目標掩護飛機降落。在V-280的設計上，只偏轉螺旋槳，發動機的噴流始終是向后的，而且不會遮擋側面的視野。機翼不再像V-22那樣有前掠，變成了簡單的平直翼，機翼使用了大蜂窩碳基復合材料，取消了加強肋和緊固件等結構，結構重量得以降低。V-280在35°C的高溫環境下，無地效懸停高度可達1830米，在保持519千

5、米/時巡航速度條件下作戰航程可以達到9301480千米；其無空中加油情況下最大航程可以達到3890千米，具備出色的全球自部署能力。速度、航程均達到了UH-60的兩倍，滿足計劃需求。V-280將參與美國陸軍的“未來垂直起降飛行器”（FVL）項目的競爭。圖 1 V-22降落圖 2 V-280降落2.2 西科斯基/波音 SB>1SB>1這個名字的來源挺有意思的，S代表西科斯基（Sikersky），B代表波音（Boeing），中間的“>”符號表示兩者協作力量遠大于一家。這個布局在X-2上已經進行了驗證，并曾經在2010年創造了直升機的最大平飛速度417km/hr。西科斯基與波音的SB

6、>1項目將與貝爾V-280等一起競爭美國陸軍未來垂直起降飛行器（FVL）項目。SB>1的最大起飛重量約為13.6噸（比X-2的2.7噸和S-97的5.2噸都要大，但是這幾個直升機的布局形式都相似），可在高溫-高原環境下搭載4名機組成員和12名全副武裝的士兵，最大飛行速度能夠達到250節（463千米/時）。SB>1方案的初始設計評審于2014年完成，目前的設計方案并未對初始設計方案進行較大的更改。直升機采用共軸反轉剛性雙旋翼，每組旋翼由4片槳葉組成，在直升機的尾部還有一個專用的推進螺旋槳，這個螺旋槳只有在平飛時才會啟動，起降時不會旋轉，避免對地面人員的傷害，在推進尾槳之前，還有

7、水平的尾翼，可以在高速下起到氣動控制面的作用，并且可以避免大型異物纏繞到推進尾槳上。在兩個反轉槳盤之間，設置了一個翼型形式的順航向垂直整流，可以降低噪音并降低阻力。與其競爭對手、貝爾公司的V-280相比，SB>1的進度要略微滯后，V-280在去年就交付了首個機身結構件，目前已經基本完成了記憶和短艙的裝配工作。SB>1計劃在2017-2018年首飛。圖 3 降落中的SB>1尾槳停轉 圖 4 巡航中的SB>1啟動了推進尾槳2.3 極光飛行科學 雷霆打擊2016年3月，極光飛行科學公司的“雷霆打擊”方案獲得了DARPA VTOL X-Pane項目的最終勝利。DARPA的VTO

8、L X-Pane項目的目標是開發一種性能更強的垂直起降飛行器，其主要技術指標包括，持續飛行速度能夠達到556741千米/時；懸停效率不低于75%；巡航狀態升阻比不低于10；有效載重不低于總重的40%，商載不低于12.5%；機動性能要求能夠承受-0.5g2.0g過載；驗證機最大起飛重量在45005400千克之間，技術可擴展應用在最大起飛重量180010800千克之間不同噸位的平臺上。“雷霆打擊”采用了鴨式布局+傾轉機翼設計，由1臺羅羅公司的渦軸發動機驅動，通過其驅動3臺霍尼韋爾公司的發電機來產生電力，并將電力分配至全機24個涵道式風扇上，2個鴨翼上各安裝3個，2個主機翼上則各安裝9個風扇。在20

9、16年3月29日，其1/5的驗證機進行了試飛。該方案還有其他不同的動力和發電機的配置，以適應不同的使用場景需求。“雷霆打擊”計劃參與陸軍的“未來垂直起降飛行器”（FVL）項目競爭。圖 5 “雷霆打擊”的氣動布局2.4 波音 幽靈雨燕波音公司的“幽靈雨燕”在DARPA的VXP項目最終落敗給了極光飛行科學方案，但波音認為這種涵道風扇式垂直起降概念能夠在無人機上找到用途。一個潛在出路就是美國陸軍逐漸形成的“未來戰術無人飛機系統”（FTUAS）需求，該項目已于3月發布了信息征詢書（RFI）。RFI強調了美國陸軍對于不依賴跑道系統的渴望。“幽靈雨燕”裝有四個軸驅動的涵道式風扇，其中兩個風扇裝在機身內，另

10、外兩個裝在翼尖。垂直飛行時四個風扇全部工作，機身風扇下方的導流片和可旋轉的翼尖風扇提供飛行控制。前飛時，機身風扇不再工作，上部的艙門和下部的導流片將涵道封閉起來以降低阻力。創新的可變面積噴管根據垂直飛行和水平前飛對涵道進行優化。波音公司提出的VTOL X-Plane方案是一種具有與AH-64“阿帕奇”直升機相似尺寸的無人飛行器，由兩臺安裝在機身兩側突出部的通用電氣渦軸發動機驅動。設置在中機身的載荷艙足夠容納4枚“海爾法”導彈。為改善懸停效率，與風洞模型相比在尺寸上增大了機身上的風扇，縮小了翼尖風扇。但波音表示，翼尖風扇可以做得更大，確保該飛行器懸停時無需使用機身風扇，這樣可以顯著減小機身下方的

11、下洗。提交給DARPA的“幽靈雨燕”方案重5448kg，但波音公司認為縮小尺寸成為一種戰術無人飛行系統后這種高速VTOL概念會工作得更好。這時的“幽靈雨燕”只需要一個機身風扇，簡化了設計。圖 6 波音 幽靈雨燕2.5 卡里姆 速度優化傾轉旋翼機卡里姆參與DARPA VTOL X-Plane的方案也是傾轉旋翼，但與V-22“魚鷹”有很大的技術差異。按照上艦要求，“魚鷹”的旋翼折疊起來后，要能與機翼整體旋轉到與機體齊平的位置，最大限度地減小艦上占地，便于上艦，因此翼展不可能大于機長，機翼難以按照氣動要求最優化為更加細長的形狀。卡里姆方案機翼細長，大大提高機翼的升阻比，有利于提高速度和航程。卡里姆聲

12、稱最大速度可達380節（約700公里/小時），大大超過JMR的最低要求。另外，卡里姆方案的發動機短艙不是在翼尖，而是在翼展一半的位置。短艙外側的外翼段與發動機短艙同步傾轉，減少垂直起落狀態下機翼對旋翼的遮擋。不容易從外觀上看出的是，卡里姆方案的旋翼還是可變轉速的。旋翼通過變速箱由發動機帶動，轉速本來就是隨發動機轉速而變的，但變速比通常是固定的。然而，在同樣的發動機出力下，高速平飛要求較高的轉速來達到較高的推力，而垂直起落則要求較低的轉速才能達到最大升力。卡里姆方案采用可變變速比的變速箱，在不同飛行狀態下保持最優變速比，這個技術已經在他設計波音A-160“蜂鳥”長航時無人直升機上得到使用。該方案

13、最終落選第3階段合同。圖 7 卡里姆公司的OSTR2.6 諾斯羅普格魯曼 燕鷗由美國防高級研究計劃局（DARPA）和美國海軍研究辦公室共同設立的戰術偵察節點（TERN，燕鷗的單詞）項目可實現在海上移動平臺上發射和回收中空長航時無人機系統，這將為前沿部署的小型艦船提供空前的作戰能力。中空長航時無人機能夠提供遠距ISR和其他能力，相比于艦載直升機，航程和航時將顯著提升；相比于傳統固定翼有人/無人機，所需的專用設施資源要少得多。2015年12月24日，DARPA向諾格公司授予“戰術偵察節點”（TERN）項目價值9300萬美元（$93,076,636）的第三階段合同。諾格公司的TERN無人機的展弦比較

14、大，翼展大約9.14米，前緣后掠角適中，在后緣有4個主控制面。該無人機用4個機輪作為起落架，其中2個安裝在后緣，另外2個安裝在機身后部上下翼面的鼓包內。機輪在水平飛行時不回收。無人機在垂直起降和水平飛行時由安裝在機翼前緣中間位置的直徑3米左右的反轉螺旋槳提供升力和拉力。發動機只有一個進氣道，位于旋翼槳彀的一側，靠近機翼前緣。目前諾格公司沒有透露該無人機發動機的類型，但從進氣道的位置和尺寸可判斷為渦軸發動機。無人機的螺旋槳配裝常規的槳轂，使用傾斜盤（swash plate）控制葉片的槳距。在陸軍JMR項目中競爭失敗的AVX公司參與了其螺旋槳系統的設計。諾格公司的TERN無人機可以從甲板上垂直起飛

15、，并轉換成水平飛行，其在硬掛點上掛載272.4千克載荷時的作戰半徑可達到1700千米。在由水平飛行轉換成垂直降落時，該無人機將增大攻角并拉起，螺旋槳的拉力可以控制垂直降落的速度。目前諾格公司針對降落已經開展了大量的仿真工作，以模擬引導、導航和控制流程。圖 8 諾斯羅普格魯曼 TERN2.7 美國航空航天局 GL-10美國國家航空航天局（NASA）GL-10研制目的是驗證此分布式螺旋槳+全動翼氣動布局的效率，目前評估相當于常規直升機的4倍。“閃電”的翼展為3米，一共有10個旋翼，8個位于機翼上，2個位于尾翼上。機翼和平尾均可轉動，實現傾轉旋翼的效果，與V-22不同的是，前后水平翼面都會轉動。而分布式的螺旋槳對翼面氣流進行有利干擾，可以降低平飛時翼面面積需求，提高升阻比。這些螺旋槳和機翼的轉動結構使得“閃電”可以像直升飛機那樣垂直起飛和懸停，然后像普通的固定翼飛機那樣前行。這架無人機由NASA蘭利研究中心研發。該中心一共制作了12個原型，有簡單的2公斤重的泡沫模型，也有25公斤重的高質量碳纖維機型。“閃電”的重量為28公斤，利用電池供電。圖 9 NASA GL-10在垂直起飛2.8 其他在DARPA的VTOL X-Plane 方案中，還有西科斯基的尾座式起降吹氣下洗機翼設計方案，在國內也有類似設計（VD-200），本文未做介紹。不少民營小型企業加入到了先進創新技術的行列，如歐空局支持