“一樹之高”的爭奪——美軍穩步推進直升機更新換代計劃

作者：蘭順正

首發自：《坦克裝甲車輛》

近日，美國西科斯基-波音團隊宣佈提交了他們用於競爭美國陸軍的“未來遠端突擊直升機”（FLRAA）計劃的“挑釁者”(Defiant) X提案，而其對手則是貝爾公司的V-280 Valor旋翼原型機。據悉，獲勝方案的第一架直升機將在2030年上半年交付美國陸軍投入使用，屆時“黑鷹”也將開始退役。明顯的是，美軍直升機的更新換代正在有條不紊的向前邁進。

著眼大國競爭的FVL專案

眾所周知，現代戰爭中直升機已經成為必不可少的裝備之一。直升機所具有的垂直起降、空中懸停、貼地飛行等獨特效能決定了該武器使用靈活，攻擊死區小，不但可在低空或超低空條件下攻擊地面目標，還可用於運輸、訓練、通訊/聯絡、搜尋救援、偵察/觀察、電子對抗、反潛、反艦、掃雷等作戰任務，並能為地面部隊及海上部隊提供各種掩護和火力支援。而美國在直升機領域一直是走在世界前列，其生產的各型直升機知名度頗高，從越南戰爭開始，只要是有美軍參與的軍事行動，幾乎都可以看到直升機的身影。不過，隨著美國重回“大國競爭”，美軍對於自身原有直升機部隊的效能已經不再滿足。美軍認為，在可預見的未來，美國陸航有可能要在反介入/區域拒止( A2AD) 空域內面對裝備先進的對手，他們可以限制美軍的機動自由。為了在反介入/區域拒止環境中有效作戰，未來美軍直升機需要具備更大的航程、更強的態勢感知和更高的速度，以便能夠順利進入戰場、存活下來並與敵方進行交戰。

現代戰爭中直升機的作用不言而喻

在此背景下，五角大樓於2008年10月25日正式確立“未來垂直升力計劃”（FVL；Future Vertical Lift），該計劃是美國陸軍航空兵裝備現代化計劃的第1優先順序專案，也是美國陸軍裝備現代化計劃的第3優先順序專案。FVL的目的是為美國陸軍發展一系列先進的現代化“垂直升降飛行器”（包括但不限於直升機、複合式直升機、傾轉旋翼機等一切具備垂直升降和懸停功能的飛行器），用以在 2030 年全面替換美國陸軍現有的UH-60、AH-64、CH-47 和 OH-58 直升機。美國陸軍希望FVL能夠在速度、航程、有效載荷、高溫高原效能和通用性上有明顯的提升。這其中速度最重要，它的提升能夠使 FVL 具備快速進入敵對區域、對地面部隊進行支援，以及承擔一些時效性更強的任務，同時高航速可以縮短飛機在敵方防空火力中的暴露時間，甚至可以甩開敵方前來攔截的武裝直升機，提升飛機的生存能力和反應能力。而運輸直升機和武裝直升機之間通用性的提高則能夠降低研發費用，降低訓練、後勤保障及部署的難度。按照美國陸軍的航空現代化計劃，FVL 包含了從小型到重型的整個系列，在規模、範圍和費用上將與 F-35 專案類似。

FVL主要分為兩部分，一是用來取代陸軍現役的部分 UH-60“黑鷹”和 AH-64“阿帕奇”直升機的 “未來遠端突擊飛行器”（FLRAA：Future Long Range Assault Aircraft）計劃。在規劃中，FLRAA將承擔城市內安全保障、攻擊、海上攔截、醫療後送、災難救援及戰鬥搜救任務。最基本的共有特性包括：高溫高原環境下作戰半徑424~795千米，巡航速度426~574千米/小時。有效載荷方面，要求內載達到1587~1814千克，外載達到2722~3629千克。所有型別應能夠裝備可攻擊100~3000米內任意目標的精確制導武器，以及360°攻擊範圍的機槍（炮）塔。此外，所有型別還應能夠搭載到當前的海軍艦船和固定翼運輸機內運輸。目前美國西科斯基-波音聯合團隊與貝爾公司參與FLRAA的競爭。

二是用來取代OH-58D直升機的 “未來攻擊偵察飛行器”（FARA：Future Attack Reconnaissance Aircraft）計劃。美國陸軍對 FARA 的描述是小型和能在多域戰中實現機動性作戰的高效能平臺，用於未來的偵察、攻擊、突襲及運輸任務。效能指標包括：地形跟隨最大飛行速度為378千米/小時，無空中加油的作戰半徑大於240千米，最低任務留空時間為2小時（偵察及攻擊任務，距基地315 千米）或 30 分鐘（突襲任務，距基地 424 千米）。最小內部有效載荷為搭載 6 名全副武裝士兵（每名士兵按 152 千克計算），並且應具備在高度1829 米、35℃環境下靈活飛行的能力。此外，空中加油也是必需能力之一。在一開始，FARA 的 5 個參加競標的團隊分別是：貝爾公司、波音公司、卡瑞姆飛機公司、西科斯基飛機公司、 AVX 航空公司與 L3 技術公司聯合團隊，後來貝爾公司與西科斯基公司的方案勝出。

突破“速度瓶頸”的傾轉旋翼技術

在2020年初，美國陸軍公佈了FVL的四個候選機型，參選FARA是西科斯基的“突襲者”（Raider ）X 和貝爾公司的貝爾360“不屈”（Invictus），西科斯基-波音的“挑釁者”(Defiant)X和貝爾公司的V-280則參選FLRAA。值得注意的是，四個候選機型中除了貝爾 360“不屈”採用了相對傳統設計外，其餘3種都採用了新構型旋翼飛行器佈局，具有更大的載荷和飛行速度，而這些也預示了未來旋翼機的發展方向。

對於傳統直升機而言，速度的提升是一大難點。眾所周知，旋翼旋轉時，槳葉在前行和後行中週期性轉換，但前行時葉尖與空氣的相對速度不能超過音速，否則會有很大的激波阻力；後行時葉尖與空氣的相對速度則不能低於失速速度，否則升力不足，不易維持兩側的平衡。受制於這兩方面因素的影響，直升機的速度一直很難有大幅提升。為了突破速度的瓶頸，各國的航空工程師們可謂是絞勁腦汁。而在各種設計方案中，傾轉旋翼技術稱得上是直升機發展史上的重大技術突破之一。傾轉旋翼機指的是利用傾轉機構對氣動部件進行在旋翼和螺旋槳間的自由轉換，進而實現懸停、低速飛行以及高速飛行的直升機。傾轉式高速直升機同時具有直升機和螺旋槳固定翼飛機的特點，夠像直升機一樣起飛和降落，也能像常規的螺旋槳推進式飛機一樣飛行，有著明顯的跨界特徵。目前該型機知名代表就是美國V-22“魚鷹”傾轉旋翼機。在上世紀50年代，貝爾公司在美國空軍的資助下，成功地從原理上解決了由螺旋槳推進的固定翼飛機和直升機間的轉換問題。1981年第一架原型機在巴黎航展上首次亮相，其“兩頭兼顧”的特點引發了國防部高層和美軍各軍種的強烈興趣。第一款軍用傾轉旋翼“魚鷹”運輸機1989年上天，此後多次在實戰中大顯身手。

“魚鷹”傾轉旋翼機

但是，“魚鷹”在使用中也暴露出一些設計缺陷。一方面V-22雖然技術先進，但是其近30噸的最大起飛重量顯得過大，而且由於採用摺疊機翼技術導致造價過高。另一方面為了能夠適應美國海軍兩棲攻擊艦的機庫和升降機尺寸，“魚鷹”的機體長度和翼展都受到嚴格限制，加上旋翼半徑又不可能超過半翼展，因此“魚鷹”的旋翼直徑最終比最優值小了約1.5米，這直接影響到懸停和速降效能，也成為此後屢屢發生安全問題的根源。相關資料表明，相比於常規直升機，旋翼直徑偏小的“魚鷹”更容易陷入“渦流環”（在直升機下降過程中如果下降速度過快，旋翼會被裹入下洗氣流或下洗氣流造成的渦流，旋翼與周圍空氣之間的相對氣流方向和相對速度出現本質變化，可能出現“打滑”失去升力的情況，此時越是增加旋翼功率，打滑越嚴重，這就是所謂的“渦流環”）。此外，“魚鷹”的橫列雙槳佈局也存在較大安全隱患，如果兩側旋翼進入“渦流環”的程度不均勻，勢必將引發不可控的橫滾，最終導致飛機傾覆和墜毀。

V-280傾轉旋翼機

此次參與競標的V-280就是採用傾轉旋翼技術，該機的原型機於2017年12月成功首飛，外形像是“黑鷹”直升機和“魚鷹”運輸機的結合體，貝爾公司在研製V-22時積累的很多經驗都順理成章的被應用到了V-280的設計中。據報道，V-280裝備兩臺T64-GE-419大功率渦槳發動機，單臺功率輸出4750馬力，其傾轉旋翼系統在V-22“魚鷹”的基礎上進行了改進，旋翼系統和變速箱可整體在水平方向和垂直方向之間轉動，但發動機短艙卻是一直保持固定水平狀態。這樣的好處是可以避免發動機尾噴流向下時對機降作業的干擾和對機身兩側空間的影響，所以V-280可以採用傳統的直升機側開門，既方便士兵快速上下，還可以加裝側門武器用作火力掩護。

V-280採用了成熟的UH-60運輸直升機機體，尾部則是能夠減輕重量的外傾式“V”型尾翼，可搭載 4 名機組人員和 14 名乘員，或者外掛12000磅掛載。因為主要是陸軍使用，沒有上艦的要求，V-280對尺寸的約束要求降低很多，所以不用採取摺疊機翼，大幅度降低了結構重量以及機械結構和液壓系統的複雜性，在降低成本的同時，提高了可靠性和可維護性。

V-280的理論最大巡航速度約為每小時520千米（在飛行測試中V-280的最大速度達到過556公里/小時），優於V-22（每小時446千米）。V-280最大作戰航程可達1480千米，“魚鷹”僅為722千米。2019年在美國德克薩斯州沃斯堡舉行的“貝爾沃斯堡聯盟”航展上，V-280傾轉旋翼機首次與L-39噴氣式教練機並肩飛行，當時這種頗有競速意味的展示讓現場觀眾對於V-280的效能留下了很深的印象。

另外V-280也具備類似F-35的飛行員頭盔顯示系統和具有資訊融合能力的航電系統，駕駛艙中的飛行員和運載艙中的戰鬥員可以透過頭盔瞄準具或特製眼鏡進行360°觀測。

科幻前衛的複合式推進

除了傾轉旋翼技術外，複合式推進技術也是未來研究的熱門。

複合式推進直升機是指將直升機和固定翼結合起來，在常規直升機的基礎上加裝輔助升力系統和輔助推力系統。複合式直升機在垂直起降、懸停和低速飛行時類似於直升機，在中高速前飛、爬升狀態下類似於固定翼飛機。隨著前飛速度的提高，機翼逐步承載，旋翼逐步解除安裝，而大部分的前進阻力將由推力螺旋槳克服，大大減小了槳盤和機身前傾所帶來的前飛阻力。因此複合式直升機有中高速氣動效率高的特點，相比傳統直升機大大增加了航速和航程。

同時，由於具備輔助升力系統和輔助推/拉力系統的協助，複合式直升機在機動效能上更勝一籌。而與傾轉旋翼機相比，複合式直升機懸停時的槳盤載荷小，在大速度時旋翼也能與機翼一同提供升力。所以，雖然複合式推進直升機也具備一些缺點，如全系統的重量有所增加，懸停效率比常規型式直升機低，自轉下滑能力下降等，但這依然不妨礙複合式推進直升機成為未來高速直升機的主要研究方向之一。

早在20世紀60年代，美國洛克希德公司就提出AH-56A“夏延人”直升機方案，“夏延人”介於直升機與螺旋槳飛機之間，採用剛性單旋翼，加裝了前推發動機裝置和能提供升力的短翼，起飛時以直升機模式起飛，高速時切斷旋翼動力使其進入自轉狀態。當時這種設計十分前衛，但該機在試飛過程中發現從直升機轉螺旋槳飛機的過渡過程非常難控制，在出現幾次墜機之後，該專案最終下馬。在20世紀90年代，美國軍方研製了採用“環形尾”的“速度鷹”（Speed Hawk），不僅提高了速度，還將航程提高了3倍，使“速度鷹”的航程和 F-18 戰鬥機相當，用作海軍的搜尋救援直升機效能突出。

2014年5月，美國西科斯基公司的S-97“侵襲者”高速直升機進行首飛。S-97基於該公司的 X2 平臺打造，使用了西科斯基研製的高速推進系統，該系統使用同軸共槳旋翼，並在機尾部安裝了推力螺旋槳，兩套同軸旋翼在與尾部螺旋槳系統協同工作，使得它無論是在起飛還是飛行速度上都有很好的動力保證，按設計該直升機的時速將超過400公里。

“挑釁者”(Defiant)X高速型複合式直升機

此次參與競標的“突襲者”（Raider ）X 和 “挑釁者”(Defiant)X皆屬於複合式直升機。西科斯基-波音的“挑釁者”(Defiant)X高速型複合式直升機在2019年3月21日完成了首飛。該機可以看作“放大版”的S-97 ，完全繼承了S-97、X2驗證機上的一系列高速旋翼新技術，速度達到480千米/時。不過兩者卻存在明顯的差異，S-97的最大起飛重量約5噸，可搭載6名士兵；“挑釁者”(Defiant)X最大起飛重量卻達到13.6噸，能搭載12名士兵。動力系統方面，“挑釁者”(Defiant)X擎採用兩具萊康明T55 渦輪軸引擎，這款引擎最大輸出為4867軸馬力，目前主要用於美軍的CH-47支奴幹運輸直升機上。同時引擎的進氣口設計在中上部分，並且還加裝有副進氣口，用於與熱排氣混合實現降低排氣溫度，並且排氣口也設計了擾流格柵，進一步降低排氣溫度並控制排氣口的紅外標識，從而達到降低紅外效果以及能被己方反直升機武器識別。據悉，由於該款引擎是上個世紀50年代研發，所以在整體的效能上較落後，因此在後續量產的版本會換裝成通用電氣在美國FutureAffordable Turbine Engine Program計劃研發的新一代引擎，這款新型引擎會具有更好的擴充套件性和耐用性，並且在維護成本上會更低，而功重比以及壽命會更好。在武器搭配上，“挑釁者”(Defiant)X在機頭下部預留了航炮的安裝位置，在機身兩側可以加掛可拆卸的武器掛架掛載火箭莢艙等額外的部件，不過其武器掛載方式目前還未公開，根據一些概念圖，也可能是採用埋入式彈倉的方式進行掛載。在此次報道中，“挑釁者”(Defiant)X方案將配備可選的有人駕駛飛行控制系統，可在低空、多障礙物環境或不確定條件下，實現更可靠、更安全的操作。該團隊後續將繼續進行飛行測試並擴大直升機的飛行包線。

“突襲者”（Raider）X 在華盛頓舉行的美國陸軍協會 2019 年航展上首次被展示，該機同樣以西科斯基的X2驗證直升機為基礎，融合了多年來在 X2 開發、測試和升級中所吸收到的經驗。有分析認為，如果“突襲者”（Raider）X效能與X2相似，則該機的速度將超過463公里/時，並能在2743米高空上執行。它具有低速和高速機動範圍，可傾斜超過60°傾斜角，並具有增強的低速懸停和加速功能。根據西科斯基的說法，“突襲者”（Raider）X 採用CH-53K、CH-148和F-35的生產實踐來降低成本，並具有易於升級以應對新威脅的設計；其基於“即插即用”的佈局，以及基於現代開放系統架構（MOSA）的航空電子裝置和任務系統，為感測器和武器提供了更高的靈活性和生存能力，並標誌著向自我監控的轉變，以減少日常維護。西科斯基方面認為，該直升機將在未來的戰場上會有出色的表現，尤其是空戰。

保守又保底的貝爾360

貝爾公司在2019 年 10 月推出貝爾360 原型機設計方案，該機也是競選機型中唯一採用常規構型的。由於傳統直升機佈局方式具有低成本、高可靠性的特點，因此無論是技術難度還是研發經費在所有競爭對手中都是最低，從而為美國陸軍提供了一種較為保險的選擇。據悉，為了達到競標要求和時間節點，貝爾借鑑了OH-58D的成功經驗，以及在未來直升機（FVL）專案的技術，以低廉的價格設計出小型直升機。儘管貝爾360採用了串聯雙座、機頭下方機炮轉塔、涵道尾槳等標誌性設計，卻只有一臺發動機。進氣口在機身左側，排氣口則在右側，這樣的設計大幅降低了成本。貝爾360的旋翼部分來自貝爾525直升機，這樣減少了設計難度，同時讓技術水平更加成熟。不過貝爾360將旋翼數量從貝爾525的五葉減少為四葉，最高飛行速度隨之從370千米/小時降低到343千米/小時。

貝爾360直升機

按照設計指標，貝爾360作戰半徑為250千米，續航時間90分鐘，有效載荷640千克，可以在33℃的環境下，垂直懸停在1200米高空，飛行時其較長的短翼可以提供額外的升力，讓機動性進一步提升。在武器方面，貝爾360機頭下方設有20mm機炮，可以攜帶美國陸軍現役的精確制導彈藥。貝爾軍事業務執行副總裁文斯·託賓說：“貝爾360將提供先進的戰場態勢感知系統，並有致命武器系統，能夠以可承受的低成本支援地面機動部隊。”

按計劃，美國陸軍將在2021年下半年授出合同，2024年上半年原型機首飛，2030年上半年第一架投入使用，而屆時“黑鷹”直升機已經服役滿50年，將逐漸讓位給新一代直升機。