“幻影雨燕”

垂直起降X-Plane计划由来

传统固定翼飞机首次在战场使用已经有100多年的历史，随着发动机技术以及飞机气动、结构、材料技术的突飞猛进，其飞行速度越来越快，飞行高度越来越高，但无论飞机飞得多高多块，机动性多强，传统固定翼的飞机的起飞和降落仍然受制于那长长的机场跑道；而旋翼机却恰恰相反，其最大的优点就是能够不依赖跑道，垂直起降，但由于其固有设计原理先天不足，造成旋翼机飞行速度慢、飞行高度低、机动性差，随着小型防空武器的迅猛发展特别是先进单兵防空导弹的普及，这些传统的直升机已经成为这些单兵武器最佳的狩猎目标，面临严重的生存问题，因此世界各军事强国都希望研制出一种拥有传统固定翼飞机那样的巡航速度、低油耗、多用途能力，同时又能够像直升机一样在狭窄空间飞行、在临时区域垂直起飞和着陆的新型飞机。

近年来，随着美军新军事战略的变革调整，为满足全球战略作战投送需要，提高作战行动的时效性、灵活性和突然性，在经过多年的分析研究论证后，2013年初美国国防预先研究计划局（DARPA）正式宣布启动名为VTOLX-Plane项目，即未来“垂直起降X-飞机”项目，要求这种飞机可像直升机一样垂直起降、可悬停，也可以像传统固定翼飞机那样高速飞行，实现高速飞行技术与垂直起降技术完美结合的双向突破，垂直起降X-飞机技术演示项目的主要设计指标是：

能够像目前传统飞机那样实现300～400节的最高巡航速度；

飞机悬停效率能够从目前传统直升机的60%提高到至少75%；

巡航升阻比从传统固定翼飞机5～6提高到10以上；

有效载荷占飞机总重之比至少达到40%，飞机总重控制在4500～5500千克之间。

2014年3月初，作为实现目标计划的第一步，美国国防部预先研究计划局向极光飞行科学公司、波音公司、卡曼飞行器公司和西科斯基飞机公司这4家公司发出邀请，发出了该项目第一阶段的初步合同，美国国防部预先研究计划局的目的旨在创造最新飞行器设计方案和尚待验证的最新垂直起降技术设计，希望通过不同的方案设计来解决这个极具挑战性的任务，最多限度地满足性能要求，为未来研制新型高效垂直起降飞行器打下基础。

“幻影雨燕”诞生

合同签订后，这四家承包商纷纷提出了自己的设计方案，而在这四家承包商中，波音公司是最积极最高效的承包商，不到一周之内就制定出设计方案，而且起了一个颇具含义的好听名字“幻影雨燕”，暗示该飞行器不但具备像雨燕那样的灵活矫健外，似乎还具备一定的隐身性能，更加高效的是波音仅用一个月就制造出了一架缩尺比为17%的模型进行试飞验证，是目前这四家公司设计方案中唯一具有实体模型的方案。

“幻影雨燕”整体气动布局特点解析

从波音公司公布的“幻影雨燕”整体气动布局方案来看，其设计方案较为新颖，利用涵道风扇技术达到国防部预先研究计划局要求的目标，波音公司设计的全尺寸的“幻影雨燕”翼展15.2米，长13.4米，重5450千克。通过布置在机身各部位的升力风扇为飞机垂直起降提供升力。

波音之所以采用涵道风扇设计，主要是考虑到风扇叶片包括在涵道内，结构紧凑，气动噪声小，使用安全性好，由于风扇叶片受涵道尺寸限制，冲击噪音小，诱导阻力减小，效率高，在同样功率下，涵道风扇较同尺寸的螺旋桨会产生更多的推力，而有效载荷将分别安置在飞机头部、中部和尾部的隔舱中，该机整体结构采用翼身融合气动布局，机身与机翼，特别是与尾翼融合过渡自然流畅，流线型的翼身设计从外观上看似乎真有点像飞行中的雨燕一样。

此外，该机机身扁平，采用典型的亚音速升力体机身布局，之所以采用这种扁平的升力体气动布局目的就是尽可能提高飞行器的升阻比，减小摩擦阻力和诱导阻力。该机的机头两侧各布置有一对进气口，为机身中部的涡轮发动机提供空气，考虑到侧向隐身的需要，为避免角反射效应，“幻影雨燕”采用外倾双垂尾布局，在正常飞行状态下，同向偏转用机的偏航控制，反向偏转则控制飞机的俯仰，较高展弦比的后掠机翼两端各布置一副可偏转的涵道风扇，飞行器整体设计简练精巧。

“幻影雨燕”的机身前后部位分别布置有大截面涵道风扇，目的是提供垂直起降时大部分升力，其实采用这种前后涵道风扇的飞行器不算什么新鲜概念，美国几十年前的飞行汽车以及目前以色列研制的“空中骡子”都是采用这种方案，特别是目前正在测试的以色列“空中骡子”，使用了本国最新风扇飞行器升力系统的专利技术，该技术通过内部一台750马力的涡轴发动机为前后风扇转子提供升力，利用后面侧向两对涵道风扇提供向前飞行的驱动力，城市航空公司研制的“空中骡子”飞行控制系统采用四余度电传控制，“空中骡子”飞行控制基本完全依赖惯导测量，GPS用于传统定位和测速。两组激光测距仪高度计分别用于指示无人机的相对高度和相对周边建筑的距离。

“空中骡子”的涵道风扇的下方装有百叶窗一样的可调节偏转叶片，通过机载线传飞控系统控制偏转叶片以及后方的两对涵道风扇来实现飞行器的俯仰、滚转和偏航。波音公司的“幻影雨燕”的设计方式与“空中骡子”比较相似，只不过“幻影雨燕”机身上安装是功率大得多的通用电气公司生产的CT7-8改进型发动机驱动，据说是CT7-8C发动机，目前改进版CT7-8C发动机的功率超过3000马力，几乎是“空中骡子”的4倍，因此“幻影雨燕”具有更强的机动性和更佳的垂直起降性能，而波音认为项目未来计划则是改用全电驱动。

与“空中骡子”最大不同之处是“幻影雨燕”机身中部多出了一对机翼，飞行过程中可以产生升力，可像传统固定翼飞机那样正常飞行，这是“空中骡子”不具备的，由于“幻影雨燕”机翼两端各装备一部可偏转的涵道风扇，可以沿着机翼轴向方向旋转由垂直过渡到水平状态，这一点与贝尔公司V-22“鱼鹰”倾转旋翼机有些类似，由于涵道风扇相对机翼独立，相互之间不受干扰，因此不存在V-22“鱼鹰”倾转旋翼机存在下洗气流冲击机翼翼面反弹引起的“涌泉”效应、颤振效应以及涡环效应的影响，相对倾转旋翼具有更高的安全可控性。垂直起飞阶段，位于机翼两端的可偏转的涵道风扇在垂直状态时产生向上的升力，辅助机身前后的升力风扇将飞机抬升，由于机翼两端力臂较长，采用这种四点支撑四人抬轿的升力布置方式可以使飞行器在垂直起降的过程中飞行控制更加稳定，抗凤性更强，此外在由悬停过渡到正常飞行过程中，机翼两端的涵道风扇偏转到水平位置时，也就是飞机进入巡航模式时，可以为飞机提供正常飞行时提供前进的动力，当机翼产生足够的升力维持飞机自重时，此时位于机身前后涵道风扇动力关闭停止运转。

在飞行姿态控制方面，“幻影雨燕”的升力涵道风扇的进、排气口上下方都装有百叶窗一样的可偏转调节叶片，百叶窗式的调节叶栅沿轴向分布，同向偏转负责飞行器的横向机动，差动偏转则实现飞行器的航向改变，必要时可实现原地掉头，通过改变机翼两端的涵道风扇桨矩则负责飞行器悬停状态的滚转姿态的控制，当飞机进入高速巡航飞行模式时，升力风扇将被涵道上下方的百叶窗完全关闭覆盖住，使涵道进排气口部位与机身浑然一体，尽可能减小正常飞行时额外的干扰阻力，提高飞机的飞行速度，同时也有利机的隐身。

结语

目前，“幻影雨燕”的研制测试工作正在有条不紊进行，波音公司正在致力于“幻影雨燕”涵道风扇的设计，美国国防预先研究计划局将在7月底对波音公司提交的“幻影雨燕”设计方案与极光飞行科学公司、卡曼飞行器公司、西科斯基飞机公司这四家承包商各自提交的概念方案进行初步评审。垂直起降X-飞机项目下一个重要里程碑是在2015年底，届时美国国防预先研究计划局则会对各公司方案进行审查并从中选择一种方案进行开发和技术演示。波音公司“幻影雨燕”项目经理布莱恩・利特声称，相对于其他公司采用的各种方案，采用涵道风扇的“幻影雨燕”速度更快，噪音更低，有利于实现飞机的隐蔽飞行，更有利于执行作战攻击以及其他各种用途。