有历史意义的FIW垂直起降飞机

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任何飞机设计的起点，无论配置、任务或最终目标如何，通常都是对过去类似概念的回顾。设计师首先参考历史设计，以合理化他们的初步估计，并将自己与过去有效和无效的设计混为一谈。然而，总体上缺乏成功的风扇设计，这对新的FIW飞机进入构成了重大障碍，因为FIW概念不像传统飞机和直升机那样存在拼凑尺寸趋势所需的大型数据库。

在20世纪末广泛研究的所有FIW概念中，只有少数概念被完全建造、进行了风洞测试并记录了真实的飞行测试数据。更少的人将他们的数据公之于众。到目前为止，只有一种真正的升力扇飞机投入批量生产——F-35B闪电II——因此，还没有一种概念设计方法能够充分捕捉到FIW的设计过程。

因此，寻求未来FIW设计指导的下一个最佳地点是审查迄今为止最具历史意义的升力扇概念、额外的设计工作和相关的垂直起降概念。

最早的实验性升力扇飞机概念出现在20世纪50年代左右，当时二战后的经济扩张和全球超级大国之间日益加剧的政治紧张局势成为推动技术进步的催化剂。在首批电视、核弹和太空卫星的到来中，对空中优势和机动性的推动也推动了高性能垂直起降飞机的设计。美国军方特别关注下一场欧洲战争，这场战争涉及核武器的交换，将摧毁大多数空军基地，使常规起飞着陆（CTOL）战斗机失效。北约需要一种独立于跑道的二次打击能力，因此对垂直起降飞机的大力推动随之而来。

最早制造的升降风扇飞机是VZ-9-AV“Avrocar”。由Avro Canada集团的首席工程师John“Jack”Frost领导，Avrocar是一个长达十年的盘形超音速垂直起降战斗机开发项目。该设计源于弗罗斯特在20世纪40年代末对一种新型涡轮发动机的研究，该发动机采用齿轮传动而非轴的涡轮驱动压缩机。这个想法旨在通过在离心压缩机外缘外直接使用火焰罐来简化Frank Whittle的逆流设计。因此，弗罗斯特的发动机采用了一个大圆盘的形式，进气口位于中心，喷气推力围绕外缘。虽然这种设计不太适合传统喷气式飞机，但弗罗斯特认为它是军用垂直起降应用的有力竞争者。

1952年至1961年间，Frost和Avro Canada集团努力应对相互竞争的垂直起降设计，但他们管理了一些政府合同来保持该项目的活力。到1958年，弗罗斯特让美国陆军和空军投资了他的飞机，Avrocar被开发为概念验证测试机。1959年至1961年间，人们对环形升力风扇飞机的性能了解了很多，包括地面效应和热气再吸收。然而，没有任何报道解释如何复制这种设计，而且这种整机本身也从未离地超过几英尺。不久，Avrocar项目的资金枯竭，所有飞碟项目都被正式取消。

VZ-9-AV“Avrocar”（20世纪50年代）

1959年，前皮亚塞基工程师爱德华·史密斯。Vanderlip和John L.Schneider创立了先锋航空和海洋公司，其目标是制造一种固定翼飞机，机翼上嵌入旋翼，将飞机和直升机的独特功能结合起来。在美国空军和NASA的支持下，他们的第一架演示飞机先锋Omniplane 2C于那年夏天建成。它的特点是在机翼的环形切口内有两个、三个叶片、反向旋转的螺旋桨，用于垂直升力，而尾部的涵道推进器则用于产生向前飞行的推力。Omniplane是一种相当轻便紧凑的演示机，长度不到25英尺，起飞总重量为2600磅，但该飞机只能容纳1-2人，在很大程度上依赖于许多传统系统。

在接下来的两年里，Omniplane经历了各种风洞实验和系留悬停测试，进行了多次升级，型号从2C更改为2D。然而，1962年初的一次悬停测试事件对Omniplane造成了相当大的损坏。尽管维修是可控的，但空军和NASA认为必要的修复工作是不合适的，声称该设计与当时的其他垂直起降类别相比没有显示出明显的优势，政府已经收集了足够的数据来评估飞机的整体性能。然而，这些数据中的大部分仍然对公众隐藏或随着时间的推移而丢失，因为目前很少有报告详细介绍Vanguard Omniplane及其设计方法。

Vanguard Omniplane（1959）

1961年，美国武装部队继续接受三军突击运输计划下的垂直起降飞机提案，特别关注运输士兵和轻武器。尽管无法参加后来由Ling-Temco-Vought XC-142倾转翼概念机赢得的比赛，但一位名叫亚历山大·克里夫卡的设计师以该项目为动力，追求自己的垂直升力飞机Verticraft Verticar的想法。作为小型Verticraft Corporation的创始人，Krivka设想Verticrafts Verticar是一款真正的飞行汽车，既适合飞行，也适合上路。

从本质上讲，Verticar是一种极低展弦比的飞翼垂直起降飞行器，其前后部分嵌入了两个升降旋翼。最终的设计特点是倾斜百叶窗，将旋翼推力向后引导，并在翼型机身上过渡到向前飞行，声称最大起飞重量为35000磅，最大速度为420节，但这当然从未得到证实。在系留悬停测试中，只建造并使用了一个单风扇、小尺寸的演示机。尽管进行了多次尝试，克里夫卡还是没能让军方对他的设计感兴趣。由于缺乏资金和资源，Verticar项目被放弃，Verticraft公司最终破产。因此，Verticraft Verticar背后的设计过程在很大程度上仍然没有记录。

Verticraft Verticar（1961）

在Verticar未能获得军事牵引力的同时，美国陆军正在积极支持单独的升降风扇设计：GE Ryan XV-5A。从1961年到1966年，这个实验性的FIW指定XV-5A作为陆军测试台，用于评估升力风扇飞机的性能，直到1971年，NASA继续测试该飞机的改进版本：XV-5B。XV-5A利用两个J-85喷气发动机的转移废气为机翼上的两个尖端涡轮增压风扇和飞机机头部分的一个单独的俯仰风扇提供动力，以进行垂直飞行。为了机动和过渡到水平飞行，XV-5A利用了类似于Verticraft Verticar的百叶窗遮阳系统进行推力破坏和推力矢量控制。一旦飞机获得足够的前进速度，百叶窗的设计将完全封闭风扇，使飞机能够像普通飞机一样运行。

推力增大使XV-5A在悬停时产生的推力几乎增加了两倍，因此，它在悬停时的燃料燃烧率与巡航时相当。1965年，一名XV-5A试飞员遭遇了一起致命事故，据信是由安装不当的控制开关引发的，1966年的一次试飞中，一名机翼风扇误吞了一条倒挂的吊索，导致另一名XV.5A飞行员死亡。在这两种情况下，死亡原因都没有被确定为与升降风扇系统故障有关，而是与弹射座椅故障有关。然而，XV-5项目已经屈服于预算削减，就像之前的升力风扇项目一样，并且在没有发布任何实质性算法来复制其设计的情况下被有效地终止了。

XV-5A（1964）

有史以来最成功的升力扇设计是20世纪80年代和90年代几个战斗机项目合并的产物，后来成为联合攻击战斗机（JSF）项目。波音公司和洛克希德·马丁于1997年被选中参加这场比赛，分别提出了X-32和X-35演示机。虽然X-32采用了带有推力增强的直接升力系统，但X-35的STOVL变体在其前机身部分使用了专利的轴驱动升力风扇，该风扇可以通过连接到其涡轮发动机的离合器接合。每家公司都被要求演示常规起降（CTOL）、航母起降（CV）和短距垂直起降（STOVL），洛克希德通过生产X-35的三种不同变体来演示。STOVL配置是唯一配备升力风扇的原型，它利用旋转喷嘴垂直引导发动机废气。此外，废气被排放到机翼下的两个侧翻柱上，以控制侧翻。X-35A于2000年首次飞行，紧随其后的是B和C变体，之后洛克希德公司宣布获胜，并获得了继续开发F-35的合同。F-35B于2008年首次试飞，至今仍是世界上最通用的战斗机之一。然而，随着F-35B风扇驱动升力系统的技术细节被分类，以及记录F-35B设计的步骤不在公共领域，设计师在试图设计类似复杂性的HSVTOL系统时只能自行其是。

F-35B（2008）

大约在21世纪初，以色列航空航天Urban Aeronautics开始研究与Verticraft Verticar类似的升降风扇配置。2006年黎巴嫩战争后，首席设计师拉菲·叶利希望创造一种无人驾驶垂直起降飞机，可以在高度密集的空域执行搜救任务。为了在未经改善的地形和狭窄区域比直升机更有效地操作，Yeli从Piasecki VZ-8 Airgeep等先前的悬停平台设计中汲取灵感，开发了两种“飞行汽车”概念，并获得了“Fancraft”的专利。其中一种将成为自主Cormorant（前身为“AirMule”），而另一种旨在成为多人版本的X-Hawk。

尽管Cormorant的开发由Urban Aeronautics子公司Tactical Robotics领导，X-Hawk的开发工作由一个单独的子公司Metro Skyways负责，但这两辆飞机的设计相同。与Verticraft Verticar一样，X-Hawk和Cormorant飞行器采用串联嵌入式旋翼升力系统进行垂直起降，并依靠流线型机身周围的气流转向在向前飞行中产生推力和升力。Urban Aeronautics的风扇飞行器概念首次试飞于2018年进行，虽然该公司表示有意为空中出租车、应急响应和执法服务开发几种变体，但很少有人分享其开发和总体设计理念。

城市航空X-Hawk（2008）和Cormorant Fancraft（2016）

后来，在2013年，Leonardo Helicopters（前身为AgustaWestland）在James Wang的指导下，公开了他们在一个秘密倾转的FIW项目上工作——一个名为project Zero的无人驾驶eVTOL项目。在宣布之前，AgustaWestland在2013年之前在他们的Cascina Costa工厂进行了几次悬停测试和小规模试飞，使他们能够改进旋翼空气动力学、旋转护罩和电推进系统的设计。虽然在美学上很吸引人，但Project Zero纯粹是一个无人驾驶的eVTOL技术试验台，没有设计任务或有效载荷。

为了满足快速发展的电池技术技术准备，AgustaWestland希望有一个技术演示机，其中包含尽可能多的创新设计功能。项目名称“Zero”源于这样一个想法，即这款飞机看起来与该公司之前开发的任何东西都不一样。全电动嵌入式倾转旋翼平台的设计没有任何自动倾斜器，其特点是电机高于机械传动系统，由约80%的复合材料组成。2018年，该飞机还计划测试混合动力电动推进系统，但由于该项目的保密性，关于其设计历史、当前位置或未来计划的信息很少。

“Zero项目”（2013）

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