贝尔未来高速垂直起降飞机构想与探索

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作者：托马斯·纽迪克和泰勒·罗格威

经过 50 年断断续续的研发，贝尔公司认为自己可以研发出一种适应未来战争，具备高生存能力的远程、高速垂直起降（VTOL）飞机。

贝尔公司向 《战区》（The War Zone）杂志透露了其未来高速垂直起降飞机（HSVTOL）概念的详细信息。虽然使用旋翼垂直起降并以喷气式飞机的速度向前飞行听起来有些牵强，但事实证明，数十年以来，贝尔公司已经针对这一概念进行了广泛研究，并试图通过精心设计来降低风险。因此，真正实现这种能力，可能远没有人们一开始认为的那样具有革命性突破。（注：最新进展请查看）

《战区》与贝尔飞行公司（Bell Flight）先进技术高级经理杰夫·尼森（Jeff Nissen）进行了会谈，讨论了贝尔如何在 HSVTOL 领域取得了今天的成就，并探讨了其最新概念的一些细节，以及这些概念如何在美国军方的装备清单中找到一席之地。

贝尔公司最新推出的三款 HSVTOL 概念飞机的尺寸逐渐增大，最小的被称为 HSVTOL Light，为无人驾驶，最大的尺寸可达 C-130 运输机大小。背景中的 V-22 “鱼鹰”和 MC-130H 或许能为这些 HSVTOL 概念成熟版本所承担的未来角色提供参考。贝尔

在此需要指出，根据贝尔公司的描述，“高速”的定义是超过 400 节（740 公里/小时）的速度。这被认为是 HSVTOL 的准入门槛，贝尔认为，任何低于此速度要求的任务最好由传统倾转旋翼机来满足。一般来说，HSVTOL，尤其是贝尔公司的设想，在飞行的垂直起降阶段使用旋翼，在高速飞行阶段使用带有传统喷气装置的喷气发动机。

成熟的 HSVTOL 设计会针对高速巡航效率进行优化，不过，正如尼森所指出的，任何超过 0.85 马赫的飞行都可能带来严重的阻力问题。虽然理论上可以继续在设计中增加推力，但这会相应降低燃油效率，因此必须取得平衡。尼森解释说：“你需要的是航程和速度，所以不会希望在这种飞机上使用加力燃烧室。”

通往 HSVTOL 的漫漫征途

在研究贝尔公司此前发布的隐形 HSVTOL 概念时，我们还必须记住，对这类飞机的需求（它既具有固定翼喷气式飞机的速度和生存能力，又能像直升机一样起降）可以追溯到 20 世纪 60 年代末，。

当时，越南战争暴露了一个非常现实的需求，即需要一种生存能力更强的平台，能够从传统直升机手中接过美国空军的战斗搜救任务以及其他人员救援活动。HSVTOL 设计可以高速飞入潜在的争议地区，在狭小空间内着陆或在丛林上空悬停，将被击落的飞行员从危险中救出。当时的其他任务也需要类似的能力，包括代表美国国家航空航天局（NASA）回收阿波罗指令舱，这也是传统旋翼机承担的另一项任务。

大约在同一时期，其他军种也对 HSVTOL 产生了兴趣。其中包括美国陆军，他们无疑看中了这类飞机所能提供的独特特种作战可能性，以及从敌后远距离快速插入或撤出小队士兵的能力。

事实证明，从 20 世纪 60 年代到 90 年代，包括贝尔公司在内的众多制造商都提出了 HSVTOL 概念。他们各自选择了自己偏好的组合构型，将垂直升力与高速前飞结合在一起。从这些非常早期的概念开始，垂直飞行和巡航飞行之间的转换一直是一个关键的设计挑战。或者更具体地说，在不使用旋翼时该如何处理它们？

即使在早期，HSVTOL 概念的设计师们通常也会设想类似直升机的旋翼桨叶，要么向后折叠以减小气动外形，要么以其他方式收纳在机身或发动机舱内。贝尔最新的 HSVTOL 概念飞机也采用了折叠式桨叶布局。

20 世纪 60 年代末的折叠式倾转旋翼救援/运输机设计研究。图中旋翼桨叶连接在翼尖的桨毂上，呈折叠状态。ICAS

到 20 世纪 70 年代，美国航空企业开始实际开发硬件来验证其中一些概念。贝尔公司最终制造出一款全尺寸地面验证机，其旋翼直径为 26 英尺（7.9 米），桨叶可以整齐地收起，与发动机短舱齐平。该试验平台探索了旋翼在垂直飞行和高速水平飞行之间棘手的转换阶段中的表现，包括旋翼如何停止，以及在飞机加速到巡航速度的同时，旋翼在收起时如何避免抖振或振动。

各种折叠式 HSVTOL 概念已有数十年历史。贝尔

越战时期用于营救飞行员的 HSVTOL 概念效果图。

最终，贝尔公司证明了桨叶折叠问题可以通过气动机械的方式（仅利用气流）来解决，而且可以在不引起系统动态不稳定的情况下收起或展开桨叶。1972 年，贝尔在加利福尼亚州 NASA 艾姆斯研究中心的风洞中进行了测试，在 150 至 175 节（278 – 324 公里/小时）空速范围内，进行了 30 至 40 次折叠 - 展开循环。

NASA 艾姆斯研究中心风洞中的贝尔折叠式旋翼。NASA

大约在同一时期，美国空军再次开始研究未来战斗机组人员救援飞机（CARA）的可能性，进一步推动了贝尔及其他公司在 HSVTOL 领域的探索。即使在这一早期阶段，空军救援专家就在关注一种比现有 HH-53 “超级快乐绿巨人”更小的设计，最低巡航速度为 400 海里/小时（741 公里/小时），具有对敌地面火力探测能力、电子对抗设备，并配备地形跟踪/地形规避雷达。然而，空军最终坚持采用更传统的旋翼机解决方案来执行此类任务，并且东南亚冲突的结束也意味着人员救援失去了一些优先权。

一架美国空军 HH-53C 直升机将一名获救者从下方丛林中吊入侧门。美国空军

尽管如此，技术界限仍在不断被突破，当时的焦点是如何为需要两种不同推进方式的飞机提供最佳动力：高速飞行时使用喷气发动机，垂直飞行时使用轴驱动旋翼。其中一个解决方案似乎是可转换发动机，这种发动机可以在涡轴和涡扇模式之间切换，无需单独的升力发动机和巡航发动机。

新的推进方式，更多的挑战

1984 年，通用电气公司将其一台 TF34 涡扇发动机（该发动机用于A-10“雷电II”攻击机和S-3“维京”反潜机）改装成可转换配置运行，生产出一台全尺寸原型机。这台发动机从前部提供轴马力，从后部提供涡扇推力。这是一次大胆的尝试，但严酷的现实是，可转换喷气发动机的控制非常困难。事实上，即使是到了今天，贝尔公司预计其首款新型 HSVTOL 设计仍将采用独立的升力发动机和巡航发动机，需要等待真正成熟的可转换发动机问世，才能支持其更雄心勃勃的设计。

20 世纪 80 年代，一台 TF34 发动机用于可转换发动机测试。NASA

同样值得注意的是，“鹰爪行动”在伊朗“沙漠一号”着陆场惨遭失败后，美国军方，尤其是特种作战部队，对高速垂直起降飞机给予了全新的关注。这包括 V-22 “鱼鹰”所能提供的能力，以及更雄心勃勃、更高速度的设计。

20 世纪 80 年代的舰载折叠旋翼 HSVTOL 概念

到了 20 世纪 90 年代，“鱼鹰”作为第一架实用的军用倾转旋翼机进入了飞行测试阶段，但美国飞机制造商仍未推出能够达到真正喷气速度的实用 HSVTOL 设计。尽管如此，在随后的十年中，研究和开发活动仍在继续， NASA 和美国国防部高级研究计划局（DARPA）占据了主导地位。

贝尔-波音公司在 20 世纪 80 年代为陆军轻型直升机实验 (LHX) 项目提供的战斗机概念图，其特点是折叠旋翼系统与今天提出的方案非常相似。贝尔-波音

随后，在 2008 - 2009 年，NASA 举办了 VTOL X-Plane 竞赛，极光飞行科学公司（Aurora）的 XV-24“闪电打击”（LightningStrike）获胜。该概念采用混合动力涵道式电动风扇推进。虽然最后被取消，但它再次证明了人们对 HSVTOL 的持久兴趣。

所有这些历史性的努力，或者说，贝尔公司尼森所描述的“血泪之路”，尽管已经展示出巨大的前景，在某些情况下还使用了真实的硬件，但最终却没有任何实质性成果投入使用，距离服役也相去甚远。那么，究竟是哪里出了问题？尼森指出了迄今为止阻碍全尺寸 HSVTOL 设计实现的三个具体因素。

首先，垂直升力系统本质上高度复杂。许多早期的设计概念都是在倾转旋翼机尚未投入使用之前提出的。简而言之，HSVTOL 想要超越传统的倾转旋翼机设计并不现实，因为后者设计本身已经有足够多的创新和细微差别。毕竟，在起草第一代 HSVTOL 研究报告时，试验型 XV-15 倾转旋翼机甚至还没有开始试飞，而这些试飞始于 1977 年。美国海军陆战队的 MV-22B“鱼鹰”直到三十年后才具备初始作战能力。

贝尔 XV-15 倾转旋翼机在 NASA 德莱顿飞行研究中心进行垂直飞行，并于 1980 年和 1981 年在此进行测试。NASA

第二个因素是，使 HSVTOL 可行且安全所需的数字发动机控制技术，最早也要到 20 世纪 80 年代才得到广泛应用。

最后，巡航模式和升力模式之间的转换需要电传操纵控制系统，而电传操纵技术在首个 HSVTOL 概念提出时尚处于起步阶段。因此，在 20 世纪 70 年代或 80 年代，倾转旋翼机并不是可以大规模服役的真正实用方案，更不用说要求更高的 HSVTOL 设计了。

贝尔最新概念

然而现在，HSVTOL 飞机的梦想已经触手可及，至少贝尔公司是这样认为的。

即使没有成熟的可转换发动机，但正如尼森指出的那样，这并不妨碍该公司至少将其新的 HSVTOL 概念 1.0 版本带入飞行演示阶段。

美国国防部/国防科学委员会 2013 年报告中的一幅图表显示了到 2030 年将更快的垂直起降平台投入实战的愿望。

正如贝尔最初的计算机生成图所示，其最新推出的三款 HSVTOL 概念机尺寸各不相同，从最小的 HSVTOL Light 一直到接近 C-130 大小的运输机。

中型贝尔 HSVTOL 概念飞机在海上执行人员救援任务，计算机生成图像。贝尔

贝尔两款大型概念机是有人驾驶的，而 HSVTOL Light 概念则是无人驾驶的，被称为最容易实现的“入门级”HSVTOL 设计。HSVTOL Light 有两个独立的商用发动机 - 涡轮轴发动机用于驱动螺旋桨，喷气发动机用于推动飞机向前飞行 - 这与两款大型概念机不同，后者采用的是可转换动力装置。尼森表示，HSVTOL Light 之所以选择两种发动机配置，是因为它能够更快地进行飞行测试并投入服役，而无需经历发动机研发周期。

“我们可以制造出采用分体式推进系统并且相当不错的飞机。”尼森补充道。事实上，“我们现在就能造出来，”他说，“如果有人想尽快看到它飞起来，又不想等到可转换发动机，那么这架飞机就是一个绝佳的选择。”

SLURRP： HSVTOL 迈向海洋

HSVTOL Light 是贝尔公司提出的海基后勤无人加油/再武装平台（SLURRP）的一部分。这是为空军新兴的远征作战概念量身定制的，尤其是在太平洋战区。它包括从能够为飞机加油的无人浮动平台上操作自主的 HSVTOL Light 无人机。

贝尔 SLURRP 概念构想图。贝尔

除了空军对太平洋战区的高度关注外，这一概念显然也与美国海军陆战队正在制定的 “远征前进基地作战”（EABO）计划有关，该计划同样寻求开发分布式和远征作战的潜力，尤其是在太平洋地区。

海军陆战队在 2016 年左右提出的浮动基地概念，该基地是 EABO 概念的一部分，为 V-22 “鱼鹰”倾转旋翼机提供支持，并为电磁轨道炮提供平台。美国海军陆战队

尼森解释说："[SLURRP]的作用是大幅缩短太平洋的航程，这样我们就不需要将海军舰艇作为加油平台，也不需要隐形加油机，因为我们可以让这些东西浮在海面上，或者潜入水下 - 在需要的时候再浮上来。”

尼森表示，谈到 HSVTOL 时，公司的口号是“速度、航程和生存能力”，这些特性显然符合美国空军未来太平洋战争愿景，特别是当它包括摆脱传统跑道时。

不难想象，作为分布式作战概念的一部分，HSVTOL Light 无人机可以执行情报、监视和侦察（ISR）甚至打击任务，完全摆脱对跑道、传统着陆场甚至军舰甲板的依赖，提供卓越的生存能力。这样做还会使对手自身的防御计划变得非常复杂。

上面发布的视频还展示了 HSVTOL Light 从垂直飞行转换到水平飞行的巧妙方法，旋翼桨叶仅利用气流向后折叠收入短舱，不需要复杂的机械制动和动力折叠机构。尼森说，贝尔一直在努力使这种过渡尽可能无缝完成，并一直在研究采用无离合器或非常轻的离合器且不需要制动系统的轻量化概念。

SLURRP 团队在行动中。这幅贝尔概念图展示了一组无人驾驶的 HSVTOL 轻型无人机从海上加油平台起飞的场景。贝尔

一旦以“喷气式飞机 ”模式飞行，收起旋翼，HSVTOL Light 和其他 HSVTOL 概念将提供比传统倾转旋翼机更高的机动性，尽管灵活程度主要取决于特定客户的需求。传统倾转旋翼机的机动性能在 2.5G 左右。尼森说，虽然 HSVTOL“不会是 9G 的飞机，但我们将按照 AFSOC（空军特种作战司令部）要求的方式在低空飞行。我们的飞机既能与 F-35 一起在 3 万英尺（9,100 米）高空飞行，也能以相近的速度在 100 英尺（30 米）高度飞行。如果前面有一座大山，而我们的速度是 400 节，我们就需要一架高 G 飞机来进行机动。在这种情况下，我们会有地形跟踪雷达帮助我们”。

经过特种作战改装的 CV-22 也可依靠地形跟踪雷达进行超低空渗透作战，但其飞行速度比 HSVTOL 飞机慢得多，因此对结构 G 负载能力的要求较低。美国空军

至于其他更大的型号，贝尔认为，一旦开发出轻型概念，可转换发动机的优势将会越来越明显。尼森说，最终，驱动旋翼所需的现有涡轴发动机在大约 7,000 轴马力时将“达到规模极限”，因此任何需要更大功率的飞机都需要另一种解决方案。我们所设想的可转换发动机类型在概念上与前面提到的通用电气 TF34 试验台基本类似，即从现有的成熟发动机中提取核心机，然后进行改造以驱动一根可在需要时为旋翼提供动力的轴。

普惠公司的F135涡扇发动机已经与 F-35B 短距起飞和垂直降落（STOVL）战斗机的升力风扇配合使用，这是一种可行的改装方案。尼森解释说：“最简单的方法是将升力系统朝后而非朝下，这样就能提供喷气推力和轴马力了。”然而，这种情况下的挑战在于，F135 的重量和燃油效率对于 HSVTOL 设计来说并不理想。要获得所需的效率，需要一种高涵道比解决方案。当然，F135 的核心机和传动系统有可能改装成具有更大直径的更高涵道比型号。

F-35B 推进系统模型，包括罗尔斯·罗伊斯升力风扇，该风扇通过一根轴连接到普惠 F135 涡轮风扇发动机驱动。这或多或少是一种可转换发动机布置。Duch.seb/wikicommons

另一种可能性是混合电力驱动，即将电动旋翼推进与传统动力装置相结合。但尼森认为，这还有很长的路要走，而且会带来许多额外的复杂性和技术风险。在贝尔的研究中，目前的混合推进系统仅适用于“总重极低”的飞机，也就是“几千磅级”。

与传统的轴传动系统相比，混合动力发动机更重。尼森认为，目前任何超过 300 马力的发动机，其功率重量比都“相当糟糕”。对于 HSVTOL 概念来说，发动机功率的起点是 1,000 马力，而现在 V-22 发动机的功率为 6,000 马力，其功率重量比“极难超越”。考虑到这一点，为可转换操作而改装的传统涡轮发动机很可能是大型 HSVTOL 设计的首选动力装置。

目前设想的贝尔 HSVTOL 概念有三种不同尺寸。贝尔

显然，贝尔的三款 HSVTOL 概念都涉及一定程度的低可观测性（LO）或隐身设计特征，尽管这被视为专为对抗环境中生存而设计的一个方面。除了低空飞行外，这些飞机还将被设计为“从信号特征角度来看更具生存能力”，从一开始就融入红外和噪音抑制功能。当然，与隐形战斗机不同的是，HSVTOL 飞机需要在敌对环境中以较低的速度在低空飞行，或者至少悬停一段时间，这就要求提高全方位生存能力。集成在防御套件中的电子和红外对抗措施也是一个关键。

尽管如此，“在巡航模式下收起旋翼后，你的信号特征远远小于其他任何旋翼机。”尼森说，“你无法与那些设计成非常 LO（低可观察性/隐形）的飞机竞争，但你会处于两者之间。你将有能力到达你不一定能到达的地方”。然后，一旦进入作业区的脆弱阶段，HSVTOL 飞机也需要进行机动或应对潜在威胁。正如尼森观察到的那样，“仅有 LO 外形是不够的 - 你需要其他技巧来确保整体任务的生存能力”。

战斗搜救及其他

HSVTOL 概念，尤其是中型 HSVTOL 飞机，似乎是为空军特种作战司令部（AFSOC）的人员救援任务量身定制的，目前此项任务由 CV-22B“鱼鹰”倾转旋翼机执行，司令部已经开始为其寻找后继机型。尼森说，除了 AFSOC，空军作战司令部（Air Combat Command）未来也可能需要一种 “攻击与救援飞机”来满足其战斗搜索和救援（CSAR）要求。因此，可以设想无人驾驶的“HSVTOL Light”可以为有人驾驶的中型 HSVTOL 平台提供武装护航，帮助其进入对抗更激烈的区域。

速度、航程和低可探测性也将使空军战斗搜救（CSAR）人员能够进入他们现在无法进入或者需要承担极大风险的区域。由于隐形飞机在空军作战机队中的扩张以及更先进的防空系统在全球范围内的扩散，这是我们以前多次提出的特别令人担忧的问题。如果 F-35 或 B-21 都无法在敌对地区生存，那么 HH-60 又怎么可能做到？考虑到未来空战行动可能涉及的范围，这些传统的旋翼机甚至无法到达隐形飞机执行作战任务的区域。此外，对于 CSAR 而言，速度本身就非常有价值。因此，HSVTOL可能不仅仅是一种战术上的奢侈品，而是一种必需品。

美国空军刚刚投资数十亿美元更新了 HH-60W“快乐绿巨人 II” 直升机，但这些直升机在同等国家冲突中的作用如何仍存在很大争议。美国空军

值得一提的是，在直升机救援坠机飞行员的过程中，时间每过去一分钟，就意味着成功的机会减少一分。虽然 V-22 在这方面的能力有了很大提升，但 HSVTOL 则是远超于此的跨越性飞跃。

此外，各军种对高速战术机动性、情报监视侦察（ISR）以及打击能力的需求也在不断提高。尼森说，之所以提出三种 HSVTOL 概念，是为了响应“军方对战术机动性的浓厚兴趣”。值得注意的是，贝尔概念图中最大的 HSVTOL 概念机带有美国空军的尾部标识，这种标识通常用于该军种的运输机和空中加油机。

HSVTOL Light 不仅是同类产品中门槛最低的 - 这意味着开发它所需的时间和资金最少，而且它的尺寸也与当前的许多无人机计划有潜在的关联。其中包括海军陆战队的 MUX 需求，即一种能够在两栖攻击舰甲板上垂直起飞和降落的无人机，以及空军的低成本可消耗飞机技术项目（LCAAT）。此外，还有空军的“空中博格”（Skyborg）计划，它要将人工智能驱动的“计算机大脑”植入无人机。HSVTOL Light 可以为这些无人机项目及更多其他项目提供一个独特的平台。

贝尔 V-247“警戒”过去曾被认为适合海军陆战队的 MUX 项目。HSVTOL 设计似乎也非常适合这一项目要求。贝尔

至于更大的 HSVTOL 概念，即大致与“大力神”运输机尺寸相当的设计，可以为美军提供长期以来一直寻求的高速、垂直升降隐形运输机，特别是用于特种作战的运输机。《战区》过去曾深入探讨过美军对低可视性运输机的渴求，这种运输机可以躲避敌方防空系统，将一小队作战人员深入投送至敌方控制区或争议区域。考虑到太平洋地区远征作战的现实情况，或者任何敌人有能力远距离瘫痪机场的威胁，即使为“大空军”的部分战术空运需求提供不依赖跑道的运输能力，也相当具有吸引力。

无论如何，下一步主要工作是围绕一个较小尺寸的机体建造和测试技术验证机，具体时间表取决于谁能支持贝尔的方案。“我们接受任何人。”尼森说，不过空军、NASA 或 DARPA 都是可能的候选者。

“一旦你把这个东西飞上天，接下来就更多取决于各军种的采购时间表了。”尼森说道。到那时，我们或许会看到人们对 HSVTOL 设计产生更广泛的兴趣，不仅是为了现有的人员救援任务，也可能为了许多其他用途。当然，这还有很长的路要走，但贝尔公司认为，他们现在已接近最终攻克真正可行的高速垂直起降飞机的挑战，而他们也已经做好准备，为这项始于 20 世纪 60 年代末的努力谱写新的篇章。

来源：Bell’s Plan To Finally Realize A Rotorcraft That Flies Like A Jet But Hovers Like A Helicopter. By Thomas Newdick and Tyler Rogoway. THE WARZONE，Sep 10 2021. 略有修改。非原文配图及视频来源于网络。

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