AA82276761 2014-11-21 07:58
研發中的貝爾V-280傾轉旋翼機
V-22“魚鷹”是貝爾與波音合作的傾轉旋翼直升機，艦載運輸型MV-22已經在美國海軍陸戰隊大量服役，美國空軍則裝備了戰鬥搜救型CV-22。這種革命性的直升機創造性地使用了傾轉旋翼。兩側機翼翼尖的發動機短艙直立時，旋翼產生垂直升力，相當於具有橫置雙旋翼的直升機；發動機短艙水平時，旋翼產生水平推力，相當於具有超大螺旋槳的固定翼螺旋槳飛機。“魚鷹”具有常規直升機難以比擬的高速和航程。在阿富汗戰場上，美國空軍的CV-22連續遠程出動，成為特種部隊的利器；在利比亞作戰期間，美國海軍陸戰隊的MV-22則臨時客串戰鬥搜救角色，成功地營救出敵後跳傘的F- 15E飛行員。
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“魚鷹”傾轉旋翼直升機在阿富汗戰場得到成功應用
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尤其適合需要長距離高速飛行的場合
但是在多災多難的F-35戰鬥機之前，“魚鷹”是美國軍機歷史上最受詬病的飛機。研發嚴重拖延，成本大大超支，試飛和使用中不斷被機毀人亡事故和各種技術問題所拖累。在老布什時代，國防部長切尼下令停止研發“魚鷹”，是被美國國會強令恢復研發和繼續生產才保下來的。這樣坎坷的經歷即使F-35也難以掠美。
“魚鷹”研發在1983年啟動，1989年首飛，2007年方才服役。如果算上XV-15技術驗證機，那基本技術研發早在1971年就啟動了。CV-22的生產已經結束，MV-22還在繼續，但是始終沒有出口訂單。美國海軍陸戰隊的訂單預計到2020年將完成交貨。屆時，這架革命性的傾轉旋翼直升機將停止生產。但是“魚鷹”不死。
美國陸軍正在籌劃FVL計劃，FVL的全稱是Future Vertical Lift，意為未來垂直起落飛機。FVL將涵蓋輕型、中型和中型直升機，意圖替代現有的CH-47、UH-60、AH-64和OH-58。FVL現在還是空中樓閣，沒有預算，但美國陸軍已經開始JMR TD技術驗證計劃，作為FVL的先導，JMR TD的全稱為Joint Multi Role Technology Demonstration，意為聯合多用途技術驗證機。聯合當然指多軍種聯合，但這一次是陸軍主導的，“魚鷹”是海軍陸戰隊主導的。
JMR TD的核心要求是230節（約426公里/小時）以上的巡航時速，約比現有直升機提高50%，航程和作戰半徑、高原高溫性能也相應提高。隨著美國戰略重點向亞太傾斜，傳統直升機的速度和航程短板越來越明顯，嚴重限制了美國地面作戰力量的遠程投放，FVL對速度和航程的要求並不是得隴望蜀或者無事生非。由於傾轉旋翼具有天然的速度和航程優勢，貝爾公司自然用傾轉旋翼方案應徵。貝爾方案稱為V-280“勇敢”，洛克希德是貝爾的合作夥伴。貝爾稱這是第三代傾轉旋翼技術，第一代為XV-15技術驗證機，第二代為V-22“魚鷹”。有意思的是，貝爾在“魚鷹”計劃中的合作夥伴波音沒有參加貝爾的團隊，而是與競爭對手西科斯基合作投標。西科斯基-波音的方案是以西科斯基X-2為基礎的，這是共軸反轉剛性雙旋翼加推進螺旋槳的複合直升機方案。
常規直升機的奧秘和命門都在於那個旋翼。旋翼不僅產生升力，也產生推力，並產生各種非常規飛行（側飛、倒飛、橫滾、翻滾）所需要的力矩，但天然的後行槳葉失速問題從本質上限制了飛行速度，反扭力所需要的尾槳吃掉部分功率，進一步限制了飛行速度。西科斯基X-2採用剛性共軸反轉雙旋翼，解決了反扭力問題。剛性槳葉並不是真的剛性的，只是取消了常規槳葉與槳轂鏈接的揮舞鉸，槳葉在旋轉中的自然揮舞由材質的彈性來吸收，這樣簡化和減輕了旋翼結構，也減少了共軸反轉上下旋翼打架的可能，可以相應縮小上下旋翼的間距，減小阻力和系統重量。共軸反轉雙旋翼不僅互相補償後行槳葉失速問題，也在高速平飛時轉入旋翼機狀態，只產生必要的升力，不產生推力，這樣可以減功率半怠速旋轉，放寬了速度限制。為了進一步解放速度，X-2另有專用的推進螺旋槳，巡航速度達到250節（約460公里/小時）。西科斯基方案的好處是充分保留了常規直升機的垂直起落和非常規飛行能力，波音對中型、重型和攻擊直升機的豐富經驗則有助於西科斯基方案的實用化、系列化，提高對軍方的吸引力。西科斯基-波音方案改稱SB-1“不屈”，SB為西科斯基-波音的簡稱。
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西科斯基-波音的SB-1是採用共軸反轉剛性旋翼雙槳加推進螺旋槳的複合直升機
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AVX也是共軸反轉雙槳，但這是傳統的柔性旋翼
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卡萊姆的方案也是傾轉旋翼，但與貝爾的方案有很大的不同，細長的機翼大大提高升阻比，可變變速比的旋翼大大改善懸停和推進效率
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亞伯拉罕·卡萊姆
除了西科斯基-波音之外，名不見經傳的AVX和老牌怪才卡萊姆也提交了應徵方案。AVX是由一些從貝爾出走的人馬組成的，他們一反貝爾的傾轉旋翼路線，而是走更加傳統的複合直升機路線。AVX的複合直升機比西科斯基X-2更加傳統，採用俄羅斯卡莫夫直升機那樣的傳統共軸反轉雙旋翼，機尾也增加一對橫置的涵道式推進螺旋槳作為主要前飛動力。不過AVX方案在前機身增加了一對固定短翼，用於在前飛中產生升力，為旋翼卸載。X-2和SB-1沒有採用短翼，不利於高速平飛時為旋翼減載，但有利於低速飛行時減阻和減少與旋翼的氣動干擾，還減輕重量。兩種設計各有利弊。
AVX方案的好處是將現成技術創造性地堆積，在成本和風險得到控制的情況下達到前所未有的高性能。卡萊姆方案則從另一個方向探索高速直升機的問題。亞伯拉罕·卡萊姆原本是以色列飛機公司的總設計師，曾在70年代主持以色列無人機的研製。移民美國後，卡萊姆設計的“琥珀”和“蚊蚋”系列最終演變成為大名鼎鼎的“捕食者”無人機。卡萊姆在直升機設計方面並不是老字號，但這不妨礙他放下包袱，輕裝上陣。卡萊姆方案也是傾轉旋翼，但卡萊姆的傾轉旋翼與“魚鷹”有所不同。“魚鷹”的機翼短粗，發動機短艙位於兩側翼尖，翼展則受到海軍陸戰隊艦上停放要求的限制。按照上艦要求，“魚鷹”的旋翼折疊起來後，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佔用空間，便於上艦，因此翼展不可能大於機長，機翼難以按照氣動要求最優化為更加細長的形狀。JMR是按照美國陸軍的要求設計的，對減少地面狀態的佔地沒有特別要求。因此，與“魚鷹”相比，卡萊姆方案機翼細長，大大提高機翼的升阻比，有利於提高速度和航程。卡萊姆聲稱最大速度可達380節（約700公里/小時），大大超過JMR的最低要求。另外，卡萊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，卡萊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。卡萊姆方案採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。
不過美國陸軍在最後篩選時，只選擇了兩家：西科斯基-波音的SB-1“不屈”，另一家就是貝爾V-280“勇敢”。貝爾V-280“勇敢”並不是“魚鷹”的簡單升級更新，而是凝聚了30年經驗教訓的全新研發結果。
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“勇敢”不是“魚鷹”的簡單升級，最顯著的外觀特徵就是固定的發動機短艙
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尾翼也簡化為V形
在使用中，“魚鷹”暴露出一些嚴重的設計缺陷，其中最嚴重的莫過於渦流環問題。渦流環是直升機在急速下降中容易出現的現象。簡單地說，高壓的下洗氣流在旋翼半徑以外回流到低壓的旋翼上方，重新進入高壓的下洗氣流，形成環流，降低旋翼的實際出力。這種現像在需要旋翼急速增加出力的時候尤其常見，例如在快速下降中在接地前急劇降低下降速度。這可以與汽車輪胎在泥濘中打滑類比。旋翼在快速下降過程中一旦在空氣中出現打滑，會導致升力喪失。這時加大旋翼功率則進一步惡化打滑；降低旋翼功率有助於改出打滑，但前提是還有足夠的離地高度可以改出渦流環狀態。渦流環是很危險的狀態，很容易導致機毀人亡。所有直升機都可能出現渦流環問題，但“魚鷹”的旋翼直徑受到海軍陸戰隊可折疊收藏要求的限制，在氣動上小於最優直徑，只有加大旋翼轉速，使得渦流環問題進一步惡化。在實用中，可以用適當的前飛速度或者降低下降速度來緩解渦流環問題，但在戰鬥機降中，下降的同時保持前飛速度受到起降場地的限制，降低下降速度則增加了暴露在敵人火力下的時間，兩者都是很討厭的限制。“魚鷹”在試飛階段，曾兩次在公開演示時因為渦流環問題而導致機毀人亡，影響惡劣。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。這些措施都有利於緩解渦流環問題。30年的使用經驗也使貝爾在飛控設計中註意避免進入渦流環狀態，有利於飛行員的無憂慮操作。卡萊姆的可變轉速旋翼也可以在垂直狀態降低轉速，有利於緩解渦流環問題，不過技術複雜，貝爾沒有採用。
“魚鷹”的另一個問題則來自於傾轉的發動機短艙。發動機短艙與旋翼同步傾轉，不僅轉動慣量大，增加對轉動機構的功率要求和隨之而來的系統重量，還帶來了令人難堪的使用問題。戰術運輸直升機的典型進入和離去方式是側對已知的敵人火力方向，這樣可以最大限度地增加相對於敵人火力的角速度，增加敵人火力瞄準的困難，提高自身的生存力。側對進入和離去的另一個好處是常規戰術運輸直升機在兩側有大型登機艙門，門旁通常裝有用於壓制敵人火力的機槍。側對進入和離去時，面向敵人火力一側的艙門機槍正好發揮火力，而機降步兵從背向敵人火力一側登機或者離機，機體本身還可以提供一點掩護。但“魚鷹”在垂直起落或者在地面時，發動機短艙垂直，正好把側向機槍射界遮擋得嚴嚴實實；熾熱的噴氣氣流從地面反射，也不便於人員從附近登機離機。所以“魚鷹”只有從尾門進出，也難以安裝常見的艙門機槍，除非尾門常開。相比之下，常規直升機的側門是可以常開的，便於使用艙門機槍，或者在近地狀態下登機離機，或者在懸停狀態下吊升索降。
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發動機短艙固定後，避免了噴流近距離沖刷地面的問題
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也便於使用直升機的傳統側門
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機上人員終於可以像傳統直升機一樣從兩側進出了。側門不僅便於登機進出，也便於索降、救生等特殊作業
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V-280全尺寸模型上的自衛機槍，座椅佈置也更加合理
“魚鷹”要讓人員在背向敵人火力的一側登機離機的話，只有面向敵人火力進入和離去，這大大增加了自身被擊中的風險。“魚鷹”的機上火力也是一個很大困難問題，在機腹安裝遙控武器站只能解決在空中時的對地射擊問題，一旦落地，機腹機槍的火線勉強離地，只能割草掃地，根本無法正常發揮火力。在阿富汗戰場上，儘管美軍急需機上支援火力，美國海軍陸戰隊只在戰場“魚鷹”上試驗性地安裝了幾套機腹遙控武器站，就不了了之了。
發動機短艙在垂直起落狀態下傾轉到垂直狀態還有一個問題：噴氣氣流直接向下噴射，而且離地很近。在垂直起落階段，這引起巨大的塵土，輕則造成雜物吸入發動機，導致過度磨損；重則使得砂石樹枝高速飛揚，造成人員傷害。“魚鷹”在紐約公眾演示時，就出現過樹枝砂石飛揚傷人的問題。在艦上或者機場使用時，垂直狀態的發動機短艙噴口很接近地面，熾熱噴流容易對鋪設地面造成損害。美國海軍就因為這個原因，被迫對所有計劃裝備“魚鷹”的兩棲攻擊艦的飛行甲板進行特別加固，在沒有加固前則使用特製防熱毯保護。這對野戰機場高強度反復出動是一個很大的限制。
V-280當然是傾轉旋翼，但發動機短艙則是固定的，旋翼通過特殊機構傾轉。這樣避免了發動機短艙傾轉帶來的一系列問題，也大大降低了傾轉過程的轉動慣量。當然，貝爾早年採用傾轉發動機短艙並不是一時糊塗，這樣做法儘管轉動慣量大，但機械設計相對簡單。發動機固定而旋翼可以無級傾轉的機械設計十分複雜。傳統的萬向節只能傾轉有限的角度；傳統的傘齒輪可以實現動力傳遞的90度轉向，但轉向角度是固定的。在理論上，採用多級萬向節可以實現大角度無級動力轉向，但機械複雜度和可靠性都是極大的挑戰，畢竟這要長期可靠地傳遞很大的功率。貝爾V-280動力轉向機構的細節沒有透露，這是V-280最大的關鍵技術。然而，發動機短艙固定之後，V-280的機側空間避免了“魚鷹”的尷尬，恢復到傳統的大型側門設計，人員可以從側門便利地登機離機，傳統的艙門機槍也容易安裝。發動機噴流固定向後，也避免了對地面沖刷的問題。
V-280的另一個設計特點是V形機尾。“魚鷹”採用倒置門式機尾，也就是說，雙垂尾在平尾的兩端翼尖位置。這也是滿足海軍陸戰隊收藏機翼-旋翼要求所必需的。V形尾的重量較輕，但機動性不好，俯仰和偏航動作上有互相干擾的問題。不過這個問題對高機動性戰鬥機比較突出，對速度和機動性要求較低的直升機並不突出，更何況V-280最需要高機動性的時候是在直升機狀態，這時旋翼的總距和周期距是主要姿態控製手段，V形尾本來就作用有限。先進的電傳飛控進一步緩解了V形尾的控制交聯問題，但V形尾的減重效果是實實在在的。
減重對V-280十分重要。飛機的成本在很大程度上由重量決定。重量增加不僅意味著結構用料增加，還使得翼展、翼面積、發動機功率等水漲船高。貝爾不僅在氣動設計上用V形尾減重，還在結構上大量採用先進複合材料，成本可望比縮比MV-22降低30%。V-280將達到280節（520公里/小時）的巡航速度，超過JMR的最低要求；最大衝刺速度可達300節（560公里/小時）。航程可達2100海浬（3900公里），有利於實現跨洋自部署轉場飛行。作戰半徑為500-800海浬（930-1480公里），比現有的UH-60增加了一倍。換句話說，以韓國釜山為基地的話，可以遠及瀋陽；以台灣為基地的話，可以輕易涵蓋上海-武漢-廣州一線。設計最大起飛重量約30000磅（13600公斤），與CH-47相當。V-280的機艙尺寸與美軍現行標準的UH-60相當，可搭載4名機組人員和11名士兵，或者外掛12000磅（5440公斤）掛載，比如一門M777榴彈砲。外掛飛行時速度降低到150節（280公里/小時），依然與常規直升機的無外掛速度相當。貝爾宣稱，V-280比UH-60的速度和作戰半徑都增加一倍，大大增加了空中機動部隊的作戰能力，而較低的油耗則降低了後勤負擔。
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V-280的航程比UH-60有了很大提高
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V-280的現代化駕駛艙
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武裝型還有機腹彈艙
除了飛機和發動機這些“硬技術”外，V-280也將提供類似F-35的飛行員頭盔顯示系統和具有信息融合能力的航電，具有出色的態勢感知能力和網絡戰能力，甚至有在機窗上三維顯示戰場態勢的能力。由於士兵隨身電子系統越來越普及，機上還將有無線充電的設施，可以在飛行途中為機載士兵的隨身系統充電。
不過JMR只是技術驗證機，美國陸軍還沒有明確的產品化和訂貨需求，FVL依然只是空中的樓閣。儘管如此，這依然是美國航空界未來40年最重要的直升機項目，各公司不敢掉以輕心。美國陸軍對貝爾和西科斯基-波音團隊各撥款600萬美元，作為第一階段的投資。貝爾宣稱，已經投入4倍於美國陸軍的公司投資，志在必得。XV-15在試飛時一片叫好，不僅美國海軍陸戰隊興致勃勃，美國陸軍、空軍和海軍都加入了早期研發。美國空軍的是戰鬥搜救的CV-22，美國海軍的是反潛的HV-22，美國陸軍由於成本原因早早放棄了運輸型UV-22之後，轉向電子戰型EV-22，但最後只有美國海軍陸戰隊的MV-22和美國空軍的CV-22完成了研製，美國海軍和美國陸軍都無計畫。FVL的目標要明確得多，重點在美國陸軍，美國海軍有可能加入，作為艦載型MH-60R/S的替代。2013年10月2日，美國陸軍選擇貝爾、西科斯基-波音、AVX和卡萊姆作為JMR第一階段的候選；2014年8月11日，美國陸軍宣布貝爾V-280“勇敢”和西科斯基-波音SB-1“不屈”最終入選JMR第一階段，要求2017年首飛。如果按時完成的話，這將是直升機歷史上的新的里程碑。