“一树之高”的争夺——美军稳步推进直升机更新换代计划

作者：兰顺正

首发自：《坦克装甲车辆》

近日，美国西科斯基-波音团队宣布提交了他们用于竞争美国陆军的“未来远程突击直升机”（FLRAA）计划的“挑衅者”(Defiant) X提案，而其对手则是贝尔公司的V-280 Valor旋翼原型机。据悉，获胜方案的第一架直升机将在2030年上半年交付美国陆军投入使用，届时“黑鹰”也将开始退役。明显的是，美军直升机的更新换代正在有条不紊的向前迈进。

着眼大国竞争的FVL项目

众所周知，现代战争中直升机已经成为必不可少的装备之一。直升机所具有的垂直起降、空中悬停、贴地飞行等独特性能决定了该武器使用灵活，攻击死区小，不但可在低空或超低空条件下攻击地面目标，还可用于运输、训练、通讯/联络、搜索救援、侦察/观察、电子对抗、反潜、反舰、扫雷等作战任务，并能为地面部队及海上部队提供各种掩护和火力支援。而美国在直升机领域一直是走在世界前列，其生产的各型直升机知名度颇高，从越南战争开始，只要是有美军参与的军事行动，几乎都可以看到直升机的身影。不过，随着美国重回“大国竞争”，美军对于自身原有直升机部队的性能已经不再满足。美军认为，在可预见的未来，美国陆航有可能要在反介入/区域拒止( A2AD) 空域内面对装备先进的对手，他们可以限制美军的机动自由。为了在反介入/区域拒止环境中有效作战，未来美军直升机需要具备更大的航程、更强的态势感知和更高的速度，以便能够顺利进入战场、存活下来并与敌方进行交战。

现代战争中直升机的作用不言而喻

在此背景下，五角大楼于2008年10月25日正式确立“未来垂直升力计划”（FVL；Future Vertical Lift），该计划是美国陆军航空兵装备现代化计划的第1优先级项目，也是美国陆军装备现代化计划的第3优先级项目。FVL的目的是为美国陆军发展一系列先进的现代化“垂直升降飞行器”（包括但不限于直升机、复合式直升机、倾转旋翼机等一切具备垂直升降和悬停功能的飞行器），用以在 2030 年全面替换美国陆军现有的UH-60、AH-64、CH-47 和 OH-58 直升机。美国陆军希望FVL能够在速度、航程、有效载荷、高温高原性能和通用性上有明显的提升。这其中速度最重要，它的提升能够使 FVL 具备快速进入敌对区域、对地面部队进行支援，以及承担一些时效性更强的任务，同时高航速可以缩短飞机在敌方防空火力中的暴露时间，甚至可以甩开敌方前来拦截的武装直升机，提升飞机的生存能力和反应能力。而运输直升机和武装直升机之间通用性的提高则能够降低研发费用，降低训练、后勤保障及部署的难度。按照美国陆军的航空现代化计划，FVL 包含了从小型到重型的整个系列，在规模、范围和费用上将与 F-35 项目类似。

FVL主要分为两部分，一是用来取代陆军现役的部分 UH-60“黑鹰”和 AH-64“阿帕奇”直升机的 “未来远程突击飞行器”（FLRAA：Future Long Range Assault Aircraft）计划。在规划中，FLRAA将承担城市内安全保障、攻击、海上拦截、医疗后送、灾难救援及战斗搜救任务。最基本的共有特性包括：高温高原环境下作战半径424~795千米，巡航速度426~574千米/小时。有效载荷方面，要求内载达到1587~1814千克，外载达到2722~3629千克。所有型别应能够装备可攻击100~3000米内任意目标的精确制导武器，以及360°攻击范围的机枪（炮）塔。此外，所有型别还应能够搭载到当前的海军舰船和固定翼运输机内运输。目前美国西科斯基-波音联合团队与贝尔公司参与FLRAA的竞争。

二是用来取代OH-58D直升机的 “未来攻击侦察飞行器”（FARA：Future Attack Reconnaissance Aircraft）计划。美国陆军对 FARA 的描述是小型和能在多域战中实现机动性作战的高性能平台，用于未来的侦察、攻击、突袭及运输任务。性能指标包括：地形跟随最大飞行速度为378千米/小时，无空中加油的作战半径大于240千米，最低任务留空时间为2小时（侦察及攻击任务，距基地315 千米）或 30 分钟（突袭任务，距基地 424 千米）。最小内部有效载荷为搭载 6 名全副武装士兵（每名士兵按 152 千克计算），并且应具备在高度1829 米、35℃环境下灵活飞行的能力。此外，空中加油也是必需能力之一。在一开始，FARA 的 5 个参加竞标的团队分别是：贝尔公司、波音公司、卡瑞姆飞机公司、西科斯基飞机公司、 AVX 航空公司与 L3 技术公司联合团队，后来贝尔公司与西科斯基公司的方案胜出。

突破“速度瓶颈”的倾转旋翼技术

在2020年初，美国陆军公布了FVL的四个候选机型，参选FARA是西科斯基的“突袭者”（Raider ）X 和贝尔公司的贝尔360“不屈”（Invictus），西科斯基-波音的“挑衅者”(Defiant)X和贝尔公司的V-280则参选FLRAA。值得注意的是，四个候选机型中除了贝尔 360“不屈”采用了相对传统设计外，其余3种都采用了新构型旋翼飞行器布局，具有更大的载荷和飞行速度，而这些也预示了未来旋翼机的发展方向。

对于传统直升机而言，速度的提升是一大难点。众所周知，旋翼旋转时，桨叶在前行和后行中周期性转换，但前行时叶尖与空气的相对速度不能超过音速，否则会有很大的激波阻力；后行时叶尖与空气的相对速度则不能低于失速速度，否则升力不足，不易维持两侧的平衡。受制于这两方面因素的影响，直升机的速度一直很难有大幅提升。为了突破速度的瓶颈，各国的航空工程师们可谓是绞尽脑汁。而在各种设计方案中，倾转旋翼技术称得上是直升机发展史上的重大技术突破之一。倾转旋翼机指的是利用倾转机构对气动部件进行在旋翼和螺旋桨间的自由转换，进而实现悬停、低速飞行以及高速飞行的直升机。倾转式高速直升机同时具有直升机和螺旋桨固定翼飞机的特点，能够像直升机一样起飞和降落，也能像常规的螺旋桨推进式飞机一样飞行，有着明显的跨界特征。目前该型机知名代表就是美国V-22“鱼鹰”倾转旋翼机。在上世纪50年代，贝尔公司在美国空军的资助下，成功地从原理上解决了由螺旋桨推进的固定翼飞机和直升机间的转换问题。1981年第一架原型机在巴黎航展上首次亮相，其“两头兼顾”的特点引发了国防部高层和美军各军种的强烈兴趣。第一款军用倾转旋翼“鱼鹰”运输机1989年上天，此后多次在实战中大显身手。

“鱼鹰”倾转旋翼机

但是，“鱼鹰”在使用中也暴露出一些设计缺陷。一方面V-22虽然技术先进，但是其近30吨的最大起飞重量显得过大，而且由于采用折叠机翼技术导致造价过高。另一方面为了能够适应美国海军两栖攻击舰的机库和升降机尺寸，“鱼鹰”的机体长度和翼展都受到严格限制，加上旋翼半径又不可能超过半翼展，因此“鱼鹰”的旋翼直径最终比最优值小了约1.5米，这直接影响到悬停和速降性能，也成为此后屡屡发生安全问题的根源。相关资料表明，相比于常规直升机，旋翼直径偏小的“鱼鹰”更容易陷入“涡流环”（在直升机下降过程中如果下降速度过快，旋翼会被裹入下洗气流或下洗气流造成的涡流，旋翼与周围空气之间的相对气流方向和相对速度出现本质变化，可能出现“打滑”失去升力的情况，此时越是增加旋翼功率，打滑越严重，这就是所谓的“涡流环”）。此外，“鱼鹰”的横列双桨布局也存在较大安全隐患，如果两侧旋翼进入“涡流环”的程度不均匀，势必将引发不可控的横滚，最终导致飞机倾覆和坠毀。

V-280倾转旋翼机

此次参与竞标的V-280就是采用倾转旋翼技术，该机的原型机于2017年12月成功首飞，外形像是“黑鹰”直升机和“鱼鹰”运输机的结合体，贝尔公司在研制V-22时积累的很多经验都顺理成章的被应用到了V-280的设计中。据报道，V-280装备两台T64-GE-419大功率涡桨发动机，单台功率输出4750马力，其倾转旋翼系统在V-22“鱼鹰”的基础上进行了改进，旋翼系统和变速箱可整体在水平方向和垂直方向之间转动，但发动机短舱却是一直保持固定水平状态。这样的好处是可以避免发动机尾喷流向下时对机降作业的干扰和对机身两侧空间的影响，所以V-280可以采用传统的直升机侧开门，既方便士兵快速上下，还可以加装侧门武器用作火力掩护。

V-280采用了成熟的UH-60运输直升机机体，尾部则是能够减轻重量的外倾式“V”型尾翼，可搭载 4 名机组人员和 14 名乘员，或者外挂12000磅挂载。因为主要是陆军使用，没有上舰的要求，V-280对尺寸的约束要求降低很多，所以不用采取折叠机翼，大幅度降低了结构重量以及机械结构和液压系统的复杂性，在降低成本的同时，提高了可靠性和可维护性。

V-280的理论最大巡航速度约为每小时520千米（在飞行测试中V-280的最大速度达到过556公里/小时），优于V-22（每小时446千米）。V-280最大作战航程可达1480千米，“鱼鹰”仅为722千米。2019年在美国德克萨斯州沃斯堡举行的“贝尔沃斯堡联盟”航展上，V-280倾转旋翼机首次与L-39喷气式教练机并肩飞行，当时这种颇有竞速意味的展示让现场观众对于V-280的性能留下了很深的印象。

另外V-280也具备类似F-35的飞行员头盔显示系统和具有信息融合能力的航电系统，驾驶舱中的飞行员和运载舱中的战斗员可以通过头盔瞄准具或特制眼镜进行360°观测。

科幻前卫的复合式推进

除了倾转旋翼技术外，复合式推进技术也是未来研究的热门。

复合式推进直升机是指将直升机和固定翼结合起来，在常规直升机的基础上加装辅助升力系统和辅助推力系统。复合式直升机在垂直起降、悬停和低速飞行时类似于直升机，在中高速前飞、爬升状态下类似于固定翼飞机。随着前飞速度的提高，机翼逐步承载，旋翼逐步卸载，而大部分的前进阻力将由推力螺旋桨克服，大大减小了桨盘和机身前倾所带来的前飞阻力。因此复合式直升机有中高速气动效率高的特点，相比传统直升机大大增加了航速和航程。

同时，由于具备辅助升力系统和辅助推/拉力系统的协助，复合式直升机在机动性能上更胜一筹。而与倾转旋翼机相比，复合式直升机悬停时的桨盘载荷小，在大速度时旋翼也能与机翼一同提供升力。所以，虽然复合式推进直升机也具备一些缺点，如全系统的重量有所增加，悬停效率比常规型式直升机低，自转下滑能力下降等，但这依然不妨碍复合式推进直升机成为未来高速直升机的主要研究方向之一。

早在20世纪60年代，美国洛克希德公司就提出AH-56A“夏延人”直升机方案，“夏延人”介于直升机与螺旋桨飞机之间，采用刚性单旋翼，加装了前推发动机装置和能提供升力的短翼，起飞时以直升机模式起飞，高速时切断旋翼动力使其进入自转状态。当时这种设计十分前卫，但该机在试飞过程中发现从直升机转螺旋桨飞机的过渡过程非常难控制，在出现几次坠机之后，该项目最终下马。在20世纪90年代，美国军方研制了采用“环形尾”的“速度鹰”（Speed Hawk），不仅提高了速度，还将航程提高了3倍，使“速度鹰”的航程和 F-18 战斗机相当，用作海军的搜索救援直升机性能突出。

2014年5月，美国西科斯基公司的S-97“侵袭者”高速直升机进行首飞。S-97基于该公司的 X2 平台打造，使用了西科斯基研制的高速推进系统，该系统使用同轴共桨旋翼，并在机尾部安装了推力螺旋桨，两套同轴旋翼在与尾部螺旋桨系统协同工作，使得它无论是在起飞还是飞行速度上都有很好的动力保证，按设计该直升机的时速将超过400公里。

“挑衅者”(Defiant)X高速型复合式直升机

此次参与竞标的“突袭者”（Raider ）X 和 “挑衅者”(Defiant)X皆属于复合式直升机。西科斯基-波音的“挑衅者”(Defiant)X高速型复合式直升机在2019年3月21日完成了首飞。该机可以看作“放大版”的S-97 ，完全继承了S-97、X2验证机上的一系列高速旋翼新技术，速度达到480千米/时。不过两者却存在明显的差异，S-97的最大起飞重量约5吨，可搭载6名士兵；“挑衅者”(Defiant)X最大起飞重量却达到13.6吨，能搭载12名士兵。动力系统方面，“挑衅者”(Defiant)X擎采用两具莱康明T55 涡轮轴引擎，这款引擎最大输出为4867轴马力，目前主要用于美军的CH-47支奴干运输直升机上。同时引擎的进气口设计在中上部分，并且还加装有副进气口，用于与热排气混合实现降低排气温度，并且排气口也设计了扰流格栅，进一步降低排气温度并控制排气口的红外标识，从而达到降低红外效果以及能被己方反直升机武器识别。据悉，由于该款引擎是上个世纪50年代研发，所以在整体的性能上较落后，因此在后续量产的版本会换装成通用电气在美国FutureAffordable Turbine Engine Program计划研发的新一代引擎，这款新型引擎会具有更好的扩展性和耐用性，并且在维护成本上会更低，而功重比以及寿命会更好。在武器搭配上，“挑衅者”(Defiant)X在机头下部预留了航炮的安装位置，在机身两侧可以加挂可拆卸的武器挂架挂载火箭荚舱等额外的部件，不过其武器挂载方式目前还未公开，根据一些概念图，也可能是采用埋入式弹仓的方式进行挂载。在此次报道中，“挑衅者”(Defiant)X方案将配备可选的有人驾驶飞行控制系统，可在低空、多障碍物环境或不确定条件下，实现更可靠、更安全的操作。该团队后续将继续进行飞行测试并扩大直升机的飞行包线。

“突袭者”（Raider）X 在华盛顿举行的美国陆军协会 2019 年航展上首次被展示，该机同样以西科斯基的X2验证直升机为基础，融合了多年来在 X2 开发、测试和升级中所吸收到的经验。有分析认为，如果“突袭者”（Raider）X性能与X2相似，则该机的速度将超过463公里/时，并能在2743米高空上运行。它具有低速和高速机动范围，可倾斜超过60°倾斜角，并具有增强的低速悬停和加速功能。根据西科斯基的说法，“突袭者”（Raider）X 采用CH-53K、CH-148和F-35的生产实践来降低成本，并具有易于升级以应对新威胁的设计；其基于“即插即用”的布局，以及基于现代开放系统架构（MOSA）的航空电子设备和任务系统，为传感器和武器提供了更高的灵活性和生存能力，并标志着向自我监控的转变，以减少日常维护。西科斯基方面认为，该直升机将在未来的战场上会有出色的表现，尤其是空战。

保守又保底的贝尔360

贝尔公司在2019 年 10 月推出贝尔360 原型机设计方案，该机也是竞选机型中唯一采用常规构型的。由于传统直升机布局方式具有低成本、高可靠性的特点，因此无论是技术难度还是研发经费在所有竞争对手中都是最低，从而为美国陆军提供了一种较为保险的选择。据悉，为了达到竞标要求和时间节点，贝尔借鉴了OH-58D的成功经验，以及在未来直升机（FVL）项目的技术，以低廉的价格设计出小型直升机。尽管贝尔360采用了串联双座、机头下方机炮转塔、涵道尾桨等标志性设计，却只有一台发动机。进气口在机身左侧，排气口则在右侧，这样的设计大幅降低了成本。贝尔360的旋翼部分来自贝尔525直升机，这样减少了设计难度，同时让技术水平更加成熟。不过贝尔360将旋翼数量从贝尔525的五叶减少为四叶，最高飞行速度随之从370千米/小时降低到343千米/小时。

贝尔360直升机

按照设计指标，贝尔360作战半径为250千米，续航时间90分钟，有效载荷640千克，可以在33℃的环境下，垂直悬停在1200米高空，飞行时其较长的短翼可以提供额外的升力，让机动性进一步提升。在武器方面，贝尔360机头下方设有20mm机炮，可以携带美国陆军现役的精确制导弹药。贝尔军事业务执行副总裁文斯·托宾说：“贝尔360将提供先进的战场态势感知系统，并有致命武器系统，能够以可承受的低成本支援地面机动部队。”

按计划，美国陆军将在2021年下半年授出合同，2024年上半年原型机首飞，2030年上半年第一架投入使用，而届时“黑鹰”直升机已经服役满50年，将逐渐让位给新一代直升机。