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遠超“魚鷹”!美軍下一代垂直起降飛行器
送交者: 三把刀 2024年12月04日22:30:20 於 [軍事天地] 發送悄悄話
美國特種作戰司令部(SOCOM)正在與國防部高級研究計劃局(DARPA)合作,推動“速度與跑道非依賴技術”(SPRINT X)探索演示項目,目的是針對未來的特種作戰需求,探索開發一種能夠垂直起降,且巡航速度接近或達到主流噴氣式運輸機水平的輕型戰術運輸機。

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美軍想要幹什麼?

美軍渴求先進的空中載具,能夠克服天氣和地形阻礙,穿透對手的防空探測體系,在最短時間內實現大縱深飛行,在缺乏支援的敵對環境中實現小規模精銳人員裝備的投放與回收。 

美軍數十年以來,一直在嘗試改進或者研發各種超短距/垂直起降的運輸類飛行器。飛行速度和航程性能遠超傳統直升機的V-22“魚鷹”傾轉旋翼機,實踐經驗證明,V-22的速度依舊不能滿足對於時間極其敏感的遠程特種作戰任務。

要強調的是,SPRINT X並不是一個孤立的項目,而是美軍持續性研究的最新一環;在它之前美國空軍就和DARPA合作推動了一個名為“高速垂直起降概念挑戰”(HSVTOL)的項目,向美國航空工業界徵集了218份設計方案,並重點研究了其中35份。最終目的,是獲得一種取代美國空軍V-22“魚鷹”的新飛機。按照目前公開的節點規劃,DARPA希望在2027年實現技術演示飛機的首飛。

苛刻的性能要求

SPRINT X項目中,針對技術演示飛機提出了非常苛刻的性能要求,綜合性能遠遠超過“魚鷹”。

技術演示飛機必須能在不依賴跑道的情況下,藉助停車場、公路,甚至田野等地面完成起降,能夠在惡劣氣候環境中懸停,同時具備遠高於現有垂直起降飛行器的速度。

技術演示飛機能以400~450 節(740~830 千米/小時)的速度在 15000~30000 英尺(4500~9000 米)高度巡航。這個速度已經達到主流軍用噴氣式運輸機的水平,只比主流客機稍微慢一些。 

它至少具備1000磅(454千克)的載荷能力,90分鐘或者更長的滯空時間,以及至少230英里(370千米)的航程。而作為遠期目標的實用化型號,則需要具備更大的航程載荷能力,機身必須具備貨物裝卸坡道,有效載荷能達到5000磅(2267 千克),貨艙長30英尺(9.1米),寬8英尺(2.4米),可以裝載一輛小型車輛或者兩個半貨物托盤。

貝爾公司的方案

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貝爾公司有非常豐富的垂直起降飛行器研製經驗,四家競標公司中貝爾提交的方案較為成熟。

貝爾方案採用“傾轉旋翼+噴氣發動機”的組合式推進系統,在垂直起降、懸停、低速狀態下,以類似V-22和V-280等傳統傾轉旋翼機的方式工作。進入高速飛行時,旋翼會向後摺疊收起,減小氣動阻力和雷達信號特徵,由噴氣發動機推進,飛機以接近傳統噴氣式運輸機的氣動構型飛行。

相較於其他競爭對手,貝爾方案在性能指標上的主要優勢,在於旋翼可以帶來更強的起降和懸停能力。

從貝爾方案外形特徵看,機身和發動機短艙的棱邊設計、V垂尾、設在機背上方的進氣道、線/面相交部位的處理,表明它是一架有着明確隱身設計意圖的飛行器。

所有尺寸大到足以載人的旋翼飛行器,其旋翼結構都是強烈的雷達信號反射源。在雷達分辨率越來越高、對於微弱信號甄別能力越來越強的現在,貝爾方案即使是在旋翼進入摺疊狀態以後,依然會由於較多的凸起、縫隙和更多的反射面影響其隱身設計的有效性。

總體評價貝爾方案,它可能是SPRINT X項目中最具綜合性優勢的一個,技術成熟度相對較高,垂直起降和懸停能力可能是最好的;高速巡航能力和隱身性能都不是最好,但有潛力滿足特種作戰司令部的需求。

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極光公司的“扇翼”方案,飛翼方案保留了垂尾,隱身性能相對較好。

極光方案重滲透

在SPRINT X項目的已知方案中,波音的子公司“極光飛行科學”公開的飛翼布局方案,很可能是高速巡航阻力最低、最大速度指標最高、雷達和紅外等信號指標最低的,擁有最強的滲透能力。

極光飛行科學方案採用“噴氣發動機+升力風扇”的組合式推進系統。其核心圍繞兩點展開:首先是採用高度翼身融合的飛翼總體布局,實現運輸類飛機的氣動性能與隱身性能的最優組合。飛翼布局最重要的特性就是機身也能產生大量的升力,而且由於機翼與機身過渡自然只產生很少的額外阻力;因此它能用最少的阻力代價,獲得最大的升力收益。

其次是採用內置升力風扇設計,在不破壞整體氣動外形的前提下,獲得垂直起降能力。

極光飛行科學披露,其參與競爭的“扇翼”(FIW/fan-in-wing)方案,主要研究基礎分別繼承自母公司波音的X-48驗證機,以及其自行研製的“神劍”無人機。前者提供了運輸類飛機的翼身融合設計基礎,後者提供了基於伸縮式升力風扇和傾轉渦噴發動機的垂直起降設計。

“扇翼”方案沒有採用最激進的無尾純飛翼布局,保留了外傾的V形垂尾,設計動機主要是強化飛行控制能力。除了垂直起降和巡航狀態的轉換過程以外,其未來的使用場景中,必然要面臨大量在複雜地形(比如山地)下執行低空和超低空飛行滲透任務;飛機需要保留較強的飛行控制能力,才能有效應對氣流突變、緊急避障機動等緊急情況。

除垂尾外,“扇翼”方案中機身表面的凸起構件很少,它的機腹和機翼下表面形成了一個光滑連續的完整曲面,在面對斜下方的地面雷達探測時擁有最小的雷達信號反射特徵。在氣動性能層面,它利用噴氣式動力系統的“抽吸—噴射”特性,對流經機身和機翼上表面的空氣強制引射加速,有效地強化了升力性能。

諾·格方案挺神秘

一家名為捷翼(Jetoptera)專注於短距起降和垂直起降飛行器的初創公司,與諾·格的子公司縮比複合材料公司合作研發了一種名為“無葉風扇流體推進技術”且具備翼身融合特徵的方案。

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捷翼公司的J-2000方案,注意該機處於偏轉過程中的噴口。核心技術是“流體推進系統”和噴射氣流引射增升。

捷翼公司所有的項目設計,核心都源於兩點。其一是所謂的“流體推進系統”,使用燃氣輪機驅動壓氣機大量壓縮空氣,然後從可旋轉的矢量噴口中噴射出去形成推力。其二是利用噴射氣流的引射增升效果,將其布置在機翼上表面,獲得更高的升力水平。

按照捷翼公司的宣傳,這種設計能在更低的噪聲和排放限制下,實現高達8.0的最大升力係數。該公司的項目中,短距起降飛機均採用常規的平直翼設計,垂直起降飛機則採用矩形翼設計,垂直起降能力通過推進系統噴口的矢量偏轉實現。

從總體設計上講,“高速”方案的複雜構型,不可避免會使電磁波的散射控制變得極為困難,對於隱身性能非常不利,這在SPRINT X項目中將會是很大的失分項。

作為頂尖隱身飛機研發企業之一的諾·格,不太可能會在這方面犯下如此重大錯誤,但諾·格方案的設計核心會不會基於“流體推進系統”以及它帶來的引射增升效果,還需要等待觀察。

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