美军HSVTOL方案简述

文摘   2024-06-03 13:02   江苏  

背景

高速垂直起降飞行器--HSVTOL概念最初是美国空军(USAF)和特种作战司令部(USSOCOM)提出来的,用于快速突击作战,可运输士兵和军用物资、提供航空医疗支持等,相关经费由AFWERX提供,到2022年,支持了11家开展相关研究工作,具体为:American Aerospace Engineering(AAE)、Astro Aerospace、Bell、Continuum Dynamics,Inc(CDI)、Jaunt、Jetoptera、Piasecki、Transcend Air、Valkyrie、VerdeGo、Whisper。

DARPA与USSOCOM设立了SPRINT(速度和跑道独立技术)项目,“sprint”字面上的意思就是“短跑冲刺”,旨在设计、建造和飞行验证机,以展示关键技术和集成概念,实现飞机速度和跑道自主性的转型组合。技术验证机的飞行测试计划旨在验证可扩展到不同尺寸军用飞机的使能技术和集成概念。
核心指标和功能要求:
  • 有效载荷:>2268kg(5000lb)

  • 巡航速度:>741km/h(400kt)

  • 巡航高度:4572m-9144m(15000ft-30000ft)

  • 能在恶劣的环境中悬停

从指标要求上看,这个飞机注定无法使用当前的纯电动设计,更大的可能性是喷气推进+动力升力来实现目标。
该项目分三个阶段实施,第一阶段将涉及概念设计、需求定义和审查,第二阶段将进行 X-Plane 演示机的设计、建造、地面测试和适航认证。最后,第三阶段将进行飞行测试计划。DARPA于2023年11月宣布支持4家开展第一阶段工作,具体为:Aurora Flight Sciences、Bell Textron、Northrop Grumman(与Jetoptera合作) 和Piasecki Aircraft。截至2024年5月,Aurora Flight Sciences、Bell Textron已经获得1B阶段的合同,将有1年的时间完成初步设计,另外两家淘汰。之后,将选择一家制造出原型机,计划2027年首飞。

美军此前已经取消了FARA(未来攻击侦察直升机),HSVTOL项目就变得更加重要了。

Aurora Flight Sciences

Aurora擅长于制造新技术验证机,曾经开发过XV-24(LightningStrike),该机是当年DARPA VTOL X-PLANE项目的获胜者,不过现在HSVTOL的要求不同了,尤其是速度,不再满足于555km/h,而是741km/h,必须采用新的设计。

图↑ Aurora LightningStrike(2016)

Aurora现在是波音的全资子公司,其HSVTOL的方案为垂尾的翼身混合布局,机身和机翼里面布置有嵌入的升力涵道,在垂直起飞时产生升力,巡航时关闭盖上。最早发布的时候,似乎是考虑隐身要求较高布局,升力涵道的盖板也是多边形结构,进气口也在背部,与10年前Lockheed-Martin的方案相似。

图↑ Aurora HSVTOL概念(2022)

图↑ Lockheed-Martin的隐身垂直起降无人机概念(2014)

2024年5月发布的设想图里面,背部进气口也改成了两侧下方的卡尔特进气口(适合隐身、大迎角机动、超音速飞行),机翼根部的升力风扇盖板也没使用多边形,直接为圆形。

图↑ Aurora HSVTOL巡航效果图(2024)

该设计计划采用类似F-35B的动力形式,通过发动机轴和齿轮系统来驱动多个涵道风扇(3个或更多个),并且尾喷口也具备向下偏转的矢量控制能力。为了防止在地面垂直起降时从进气口吸入废气导致推力损失,背部增加了方形的辅助进气门。飞机的巡航速度为833km/h。

图↑ Aurora HSVTOL过渡飞行状态

图↑ F-35B的升力风扇和辅助进气门

Bell Textron

Bell的方案,相当于是加强版本的V-22。起降的时候,采用倾转旋翼,开始过渡飞行时加大喷气发动机推力,达到巡航速度后,倾转旋翼停转并向后折叠收起,最终实现高速巡航。Bell推出了该设想的一系列概念,包括有人和无人。Bell是德事隆的子公司,相比Aurora,其新技术产品产业化经验更充足,最终中标并生产的可能性更大。

海上无人HSVTOL概念:

图↑ 无人构型

图↑ 可扩展系列

Bell完成了在高速运行状态下全尺寸的倾转旋翼折叠系统的试验。

图↑ 旋翼停转并向后折叠测试台

Northrop Grumman

Northrop Grumman与Jetoptera公司合作,设计了一种BWB机体。诺斯罗普公司的子公司Scaled Composites帮助Jetoptera公司设计并测试了小型验证机。

飞机采用飞翼式布局,动力为Jetoptera独特的压缩空气引擎,命名为自适应流体推进系统(FPS)。该动力有点类似于无叶风扇,通过高速吹出的气流的引射作用,带动周边气流一起产生更大的推力,一套动力系统完成起降和巡航,从被淘汰的情况来看,目前该设计可能未来5年内无法达到美军的目标。

图↑ Jetoptera的压缩空气推进技术

图↑ N-G飞翼布局HSVTOL概念图

Piasecki

Piasecki的方案,采用之前与Lockheed-Martin合作的ARES项目技术,常规布局+T尾,翼尖有2个大型的倾转涵道,垂尾两侧的推进喷气动力也配备了可向下偏转尾流的矢量装置,这样提高了悬停性能。但是该翼尖大涵道的设计导致了巨大的重量代价,战场使用时目标特性很大,抗战损能力低,而且在起降的时候会产生比直升机严重十倍的飞沙走石情况,对于飞行器本身和士兵不利,目前该项目也已经退出竞争。

图↑  Piasecki翼尖倾转涵道设计

图↑  ARES

AAE

AAE提出了一种串列式倾转机翼设计。倾转旋翼机在悬停时会浪费大量旋翼推力,因为旋翼下会冲击机翼的上表面(V-22 为 10%)。倾转机翼的下会流过机翼前缘,从而大大减少了这种浪费。(参见:倾转机翼为何再度兴起?倾转翼飞机的一个主要缺点是当机翼垂直时,它们易受阵风影响,因为它们处于垂直起降状态。这在尝试着陆或起飞时会造成很大危险,尤其是在船舶或航空母舰上。

图↑  AAE的倾转串列翼

Astro

Astro Aerospace推出了Horizon Cavorite X5的改进型 。新的推进动力不再为螺旋桨,而是涡轮发动机,以保证实现更高的速度,并且为其众多电动机提供电力。

图↑  Cavorite X5 滑盖式机翼涵道风扇

CDI

CDI和 AVX合作提出了一种可变直径倾转旋翼 (VDTR) 设计。包括西科斯基在内的组织已经对 VDTR 进行了数十年的研究。叶片向外伸缩以增加旋翼直径,从而实现高效悬停和更好的自转性能。在飞机模式高速度下,叶片会缩回,以获得更像螺旋桨的直径。

在高速下,较小的旋翼直径可降低螺旋桨旋转颤振的可能性,并降低机翼刚度和重量要求。较小的旋翼还可以降低对迎面纵向阵风和滚转/偏航耦合的敏感度。通过减小直径,旋翼还可以在悬停和飞行模式下保持更相似的旋转速度,通常可以提高发动机效率。

图↑  CDI与AVX的可变直径倾转旋翼

Jaunt

Jaunt公司拥有其SRC技术(减速转子混合构型),巡航时主要靠机翼升力,转子转速变慢减阻,巡航升阻比相对于直升机大幅提高。MAV55 使用 VerdeGo Aero 开发的混合动力系统,并配备 GE Aviation 的 Catalyst 发动机,时速可达 270 节(500 公里/小时)。这个速度还达不到美军的要求,重在参与。

图↑  Jaunt MAV-55高速复合自转旋翼机

Transcend Air

倾转机翼,推出V500改型,动力加大,速度提高。

图↑  Transcend Air V500倾转旋翼+尾部升力旋翼(图为Vy421)

Valkyrie 

翼身混合构型,机翼根部带有多个涵道风扇,2个推进的涡轮发动机,具有不同功能和量级的系列设计。

图↑  Valkyrie 机翼嵌入式涵道风扇+喷气推进

其他

另外还有两家公司,VerdeGo Aero与Whisper Aero主要是开发对应的动力装置系统,前者为兆瓦级柴油发电系统开发,后者为静音电推进系统开发。

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