远超“鱼鹰”!美军下一代垂直起降飞行器

时事   2024-12-04 21:26   北京  
美国特种作战司令部(SOCOM)正在与国防部高级研究计划局(DARPA)合作,推动“速度与跑道非依赖技术”(SPRINT X)探索演示项目,目的是针对未来的特种作战需求,探索开发一种能够垂直起降,且巡航速度接近或达到主流喷气式运输机水平的轻型战术运输机


美军想要干什么?

美军渴求先进的空中载具,能够克服天气和地形阻碍,穿透对手的防空探测体系,在最短时间内实现大纵深飞行,在缺乏支援的敌对环境中实现小规模精锐人员装备的投放与回收。 

美军数十年以来,一直在尝试改进或者研发各种超短距/垂直起降的运输类飞行器。飞行速度和航程性能远超传统直升机的V-22“鱼鹰”倾转旋翼机,实践经验证明,V-22的速度依旧不能满足对于时间极其敏感的远程特种作战任

要强调的是,SPRINT X并不是一个孤立的项目,而是美军持续性研究的最新一环;在它之前美国空军就和DARPA合作推动了一个名为“高速垂直起降概念挑战”(HSVTOL)的项目,向美国航空工业界征集了218份设计方案,并重点研究了其中35份。最终目的,是获得一种取代美国空军V-22“鱼鹰”的新飞机。按照目前公开的节点规划,DARPA希望在2027年实现技术演示飞机的首飞。



苛刻的性能要求

SPRINT X项目中,针对技术演示飞机提出了非常苛刻的性能要求,综合性能远远超过“鱼鹰”。

技术演示飞机必须能在不依赖跑道的情况下,借助停车场、公路,甚至田野等地面完成起降,能够在恶劣气候环境中悬停,同时具备远高于现有垂直起降飞行器的速度。

技术演示飞机能以400~450 节(740~830 千米/小时)的速度在 15000~30000 英尺(4500~9000 米)高度巡航。这个速度已经达到主流军用喷气式运输机的水平,只比主流客机稍微慢一些。 

它至少具备1000磅(454千克)的载荷能力,90分钟或者更长的滞空时间,以及至少230英里(370千米)的航程。而作为远期目标的实用化型号,则需要具备更大的航程载荷能力,机身必须具备货物装卸坡道,有效载荷能达到5000磅(2267 千克),货舱长30英尺(9.1米),宽8英尺(2.4米),可以装载一辆小型车辆或者两个半货物托盘。

 

贝尔公司的方案

贝尔公司有非常丰富的垂直起降飞行器研制经验,四家竞标公司中贝尔提交的方案较为成熟。

贝尔方案采用“倾转旋翼+喷气发动机”的组合式推进系统,在垂直起降、悬停、低速状态下,以类似V-22和V-280等传统倾转旋翼机的方式工作。进入高速飞行时,旋翼会向后折叠收起,减小气动阻力和雷达信号特征,由喷气发动机推进,飞机以接近传统喷气式运输机的气动构型飞行。

相较于其他竞争对手,贝尔方案在性能指标上的主要优势,在于旋翼可以带来更强的起降和悬停能力

从贝尔方案外形特征看,机身和发动机短舱的棱边设计、V垂尾、设在机背上方的进气道、线/面相交部位的处理,表明它是一架有着明确隐身设计意图的飞行器。
所有尺寸大到足以载人的旋翼飞行器,其旋翼结构都是强烈的雷达信号反射源。在雷达分辨率越来越高、对于微弱信号甄别能力越来越强的现在,贝尔方案即使是在旋翼进入折叠状态以后,依然会由于较多的凸起、缝隙和更多的反射面影响其隐身设计的有效性。

总体评价贝尔方案,它可能是SPRINT X项目中最具综合性优势的一个,技术成熟度相对较高,垂直起降和悬停能力可能是最好的;高速巡航能力和隐身性能都不是最好,但有潜力满足特种作战司令部的需求。

极光公司的“扇翼”方案,飞翼方案保留了垂尾,隐身性能相对较好。



极光方案重渗透
在SPRINT X项目的已知方案中,波音的子公司“极光飞行科学”公开的飞翼布局方案,很可能是高速巡航阻力最低、最大速度指标最高、雷达和红外等信号指标最低的,拥有最强的渗透能力。

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极光飞行科学方案采用“喷气发动机+升力风扇”的组合式推进系统。其核心围绕两点展开:首先是采用高度翼身融合的飞翼总体布局,实现运输类飞机的气动性能与隐身性能的最优组合。飞翼布局最重要的特性就是机身也能产生大量的升力,而且由于机翼与机身过渡自然只产生很少的额外阻力;因此它能用最少的阻力代价,获得最大的升力收益。

其次是采用内置升力风扇设计,在不破坏整体气动外形的前提下,获得垂直起降能力
极光飞行科学披露,其参与竞争的“扇翼”(FIW/fan-in-wing)方案,主要研究基础分别继承自母公司波音的X-48验证机,以及其自行研制的“神剑”无人机。前者提供了运输类飞机的翼身融合设计基础,后者提供了基于伸缩式升力风扇和倾转涡喷发动机的垂直起降设计。

“扇翼”方案没有采用最激进的无尾纯飞翼布局,保留了外倾的V形垂尾,设计动机主要是强化飞行控制能力。除了垂直起降和巡航状态的转换过程以外,其未来的使用场景中,必然要面临大量在复杂地形(比如山地)下执行低空和超低空飞行渗透任务;飞机需要保留较强的飞行控制能力,才能有效应对气流突变、紧急避障机动等紧急情况。

除垂尾外,“扇翼”方案中机身表面的凸起构件很少,它的机腹和机翼下表面形成了一个光滑连续的完整曲面,在面对斜下方的地面雷达探测时拥有最小的雷达信号反射特征。在气动性能层面,它利用喷气式动力系统的“抽吸—喷射”特性,对流经机身和机翼上表面的空气强制引射加速,有效地强化了升力性能。


诺·格方案挺神秘
一家名为捷翼(Jetoptera)专注于短距起降和垂直起降飞行器的初创公司,与诺·格的子公司缩比复合材料公司合作研发了一种名为“无叶风扇流体推进技术”且具备翼身融合特征的方案。

捷翼公司的J-2000方案,注意该机处于偏转过程中的喷口。核心技术是“流体推进系统”和喷射气流引射增升。

捷翼公司所有的项目设计,核心都源于两点。其一是所谓的“流体推进系统”,使用燃气轮机驱动压气机大量压缩空气,然后从可旋转的矢量喷口中喷射出去形成推力。其二是利用喷射气流的引射增升效果,将其布置在机翼上表面,获得更高的升力水平。
按照捷翼公司的宣传,这种设计能在更低的噪声和排放限制下,实现高达8.0的最大升力系数。该公司的项目中,短距起降飞机均采用常规的平直翼设计,垂直起降飞机则采用矩形翼设计,垂直起降能力通过推进系统喷口的矢量偏转实现。

从总体设计上讲,“高速”方案的复杂构型,不可避免会使电磁波的散射控制变得极为困难,对于隐身性能非常不利,这在SPRINT X项目中将会是很大的失分项。

作为顶尖隐身飞机研发企业之一的诺·格,不太可能会在这方面犯下如此重大错误,但诺·格方案的设计核心会不会基于“流体推进系统”以及它带来的引射增升效果,还需要等待观察。



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