鱼鹰不死——贝尔V-280倾转旋翼机

万磁王

原作者：晨枫

　　V-22“鱼鹰”是贝尔与波音合作的倾转旋翼直升机，舰载运输型MV-22已经在美国海军陆战队大量服役，美国空军则装备了战斗搜救型CV-22。这种革命性的直升机创造性地使用了倾转旋翼。两侧机翼翼尖的发动机短舱直立时，旋翼产生垂直升力，相当于具有横置双旋翼的直升机；发动机短舱水平时，旋翼产生水平推力，相当于具有超大螺旋桨的固定翼螺旋桨飞机。“鱼鹰”具有常规直升机难以比拟的高速和航程。在阿富汗战场上，美国空军的CV-22连续远程出动，成为特种部队的利器；在利比亚作战期间，美国海军陆战队的MV-22则临时客串战斗搜救角色，成功地营救出敌后跳伞的F-15E飞行员。

“鱼鹰”倾转旋翼直升机在阿富汗战场得到成功应用

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尤其适合需要长距离高速飞行的场合

　　但是在多灾多难的F-35战斗机之前，“鱼鹰”是美国军机历史上最受诟病的飞机。研发严重拖延，成本大大超支，试飞和使用中不断被机毁人亡事故和各种技术问题所拖累。在老布什时代，国防部长切尼下令停止研发“鱼鹰”，是被美国国会强令恢复研发和继续生产才保下来的。这样坎坷的经历即使F-35也难以掠美。
　　“鱼鹰”研发在1983年启动，1989年首飞，2007年方才服役。如果算上XV-15技术验证机，那基本技术研发早在1971年就启动了。CV-22的生产已经结束，MV-22还在继续，但是始终没有出口订单。美国海军陆战队的订单预计到2020年将完成交货。届时，这架革命性的倾转旋翼直升机将停止生产。但是“鱼鹰”不死。
　　美国陆军正在筹划FVL计划，FVL的全称是Future Vertical Lift，意为未来垂直起落飞机。FVL将涵盖轻型、中型和中型直升机，意图替代现有的CH-47、UH-60、AH-64和OH-58。FVL现在还是空中楼阁，没有预算，但美国陆军已经开始JMR TD技术验证计划，作为FVL的先导，JMR TD的全称为Joint Multi Role Technology Demonstration，意为联合多用途技术验证机。联合当然指多军种联合，但这一次是陆军主导的，“鱼鹰”是海军陆战队主导的。
　　JMR TD的核心要求是230节（约426公里/小时）以上的巡航时速，约比现有直升机提高50%，航程和作战半径、高原高温性能也相应提高。随着美国战略重点向亚太倾斜，传统直升机的速度和航程短板越来越明显，严重限制了美国地面作战力量的远程投放，FVL对速度和航程的要求并不是得陇望蜀或者无事生非。由于倾转旋翼具有天然的速度和航程优势，贝尔公司自然用倾转旋翼方案应征。贝尔方案称为V-280“勇敢”，洛克希德是贝尔的合作伙伴。贝尔称这是第三代倾转旋翼技术，第一代为XV-15技术验证机，第二代为V-22“鱼鹰”。有意思的是，贝尔在“鱼鹰”计划中的合作伙伴波音没有参加贝尔的团队，而是与竞争对手西科斯基合作投标。西科斯基-波音的方案是以西科斯基X-2为基础的，这是共轴反转刚性双旋翼加推进螺旋桨的复合直升机方案。

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　　常规直升机的奥秘和命门都在于那个旋翼。旋翼不仅产生升力，也产生推力，并产生各种非常规飞行（侧飞、倒飞、横滚、翻滚）所需要的力矩，但天然的后行桨叶失速问题从本质上限制了飞行速度，反扭力所需要的尾桨吃掉部分功率，进一步限制了飞行速度。西科斯基X-2采用刚性共轴反转双旋翼，解决了反扭力问题。刚性桨叶并不是真的刚性的，只是取消了常规桨叶与桨毂链接的挥舞铰，桨叶在旋转中的自然挥舞由材质的弹性来吸收，这样简化和减轻了旋翼结构，也减少了共轴反转上下旋翼打架的可能，可以相应缩小上下旋翼的间距，减小阻力和系统重量。共轴反转双旋翼不仅互相补偿后行桨叶失速问题，也在高速平飞时转入旋翼机状态，只产生必要的升力，不产生推力，这样可以减功率半怠速旋转，放宽了速度限制。为了进一步解放速度，X-2另有专用的推进螺旋桨，巡航速度达到250节（约460公里/小时）。西科斯基方案的好处是充分保留了常规直升机的垂直起落和非常规飞行能力，波音对中型、重型和攻击直升机的丰富经验则有助于西科斯基方案的实用化、系列化，提高对军方的吸引力。西科斯基-波音方案改称SB-1“不屈”，SB为西科斯基-波音的简称。

西科斯基-波音的SB-1是采用共轴反转刚性旋翼双桨加推进螺旋桨的复合直升机

AVX也是共轴反转双桨，但这是传统的柔性旋翼

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卡莱姆的方案也是倾转旋翼，但与贝尔的方案有很大的不同，细长的机翼大大提高升阻比，可变变速比的旋翼大大改善悬停和推进效率

亚伯拉罕·卡莱姆

　　除了西科斯基-波音之外，名不见经传的AVX和老牌怪才卡莱姆也提交了应征方案。AVX是由一些从贝尔出走的人马组成的，他们一反贝尔的倾转旋翼路线，而是走更加传统的复合直升机路线。AVX的复合直升机比西科斯基X-2更加传统，采用俄罗斯卡莫夫直升机那样的传统共轴反转双旋翼，机尾也增加一对横置的涵道式推进螺旋桨作为主要前飞动力。不过AVX方案在前机身增加了一对固定短翼，用于在前飞中产生升力，为旋翼卸载。X-2和SB-1没有采用短翼，不利于高速平飞时为旋翼减载，但有利于低速飞行时减阻和减少与旋翼的气动干扰，还减轻重量。两种设计各有利弊。
　　AVX方案的好处是将现成技术创造性地堆积，在成本和风险得到控制的情况下达到前所未有的高性能。卡莱姆方案则从另一个方向探索高速直升机的问题。亚伯拉罕·卡莱姆原本是以色列飞机公司的总设计师，曾在70年代主持以色列无人机的研制。移民美国后，卡莱姆设计的“琥珀”和“蚊蚋”系列最终演变成为大名鼎鼎的“捕食者”无人机。卡莱姆在直升机设计方面并不是老字号，但这不妨碍他放下包袱，轻装上阵。卡莱姆方案也是倾转旋翼，但卡莱姆的倾转旋翼与“鱼鹰”有所不同。“鱼鹰”的机翼短粗，发动机短舱位于两侧翼尖，翼展则受到海军陆战队舰上停放要求的限制。按照上舰要求，“鱼鹰”的旋翼折叠起来后，要能与机翼整体旋转到与机体齐平的位置，最大限度地减小舰上占地，便于上舰，因此翼展不可能大于机长，机翼难以按照气动要求最优化为更加细长的形状。JMR是按照美国陆军的要求设计的，对减少地面状态的占地没有特别要求。因此，与“鱼鹰”相比，卡莱姆方案机翼细长，大大提高机翼的升阻比，有利于提高速度和航程。卡莱姆声称最大速度可达380节（约700公里/小时），大大超过JMR的最低要求。另外，卡莱姆方案的发动机短舱不是在翼尖，而是在翼展一半的位置。短舱外侧的外翼段与发动机短舱同步倾转，减少垂直起落状态下机翼对旋翼的遮挡。不容易从外观上看出的是，卡莱姆方案的旋翼还是可变转速的。旋翼通过变速箱由发动机带动，转速本来就是随发动机转速而变的，但变速比通常是固定的。然而，在同样的发动机出力下，高速平飞要求较高的转速来达到较高的推力，而垂直起落则要求较低的转速才能达到最大升力。卡莱姆方案采用可变变速比的变速箱，在不同飞行状态下保持最优变速比，这个技术已经在他设计波音A-160“蜂鸟”长航时无人直升机上得到使用。

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　　不过美国陆军在最后筛选时，只选择了两家：西科斯基-波音的SB-1“不屈”，另一家就是贝尔V-280“勇敢”。贝尔V-280“勇敢”并不是“鱼鹰”的简单升级更新，而是凝聚了30年经验教训的全新研发结果。

“勇敢”不是“鱼鹰”的简单升级，最显著的外观特征就是固定的发动机短舱

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尾翼也简化为V形

　　在使用中，“鱼鹰”暴露出一些严重的设计缺陷，其中最严重的莫过于涡流环问题。涡流环是直升机在急速下降中容易出现的现象。简单地说，高压的下洗气流在旋翼半径以外回流到低压的旋翼上方，重新进入高压的下洗气流，形成环流，降低旋翼的实际出力。这种现象在需要旋翼急速增加出力的时候尤其常见，例如在快速下降中在接地前急剧降低下降速度。这可以与汽车轮胎在泥泞中打滑类比。旋翼在快速下降过程中一旦在空气中出现打滑，会导致升力丧失。这时加大旋翼功率则进一步恶化打滑；降低旋翼功率有助于改出打滑，但前提是还有足够的离地高度可以改出涡流环状态。涡流环是很危险的状态，很容易导致机毁人亡。所有直升机都可能出现涡流环问题，但“鱼鹰”的旋翼直径受到海军陆战队可折叠收藏要求的限制，在气动上小于最优直径，只有加大旋翼转速，使得涡流环问题进一步恶化。在实用中，可以用适当的前飞速度或者降低下降速度来缓解涡流环问题，但在战斗机降中，下降的同时保持前飞速度受到起降场地的限制，降低下降速度则增加了暴露在敌人火力下的时间，两者都是很讨厌的限制。“鱼鹰”在试飞阶段，曾两次在公开演示时因为涡流环问题而导致机毁人亡，影响恶劣。V-280的翼展设计没有海军陆战队上舰要求的限制，相应地旋翼直径也可以按照最优要求放大，同时降低转速。这些措施都有利于缓解涡流环问题。30年的使用经验也使贝尔在飞控设计中注意避免进入涡流环状态，有利于飞行员的无忧虑操作。卡莱姆的可变转速旋翼也可以在垂直状态降低转速，有利于缓解涡流环问题，不过技术复杂，贝尔没有采用。

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　　“鱼鹰”的另一个问题则来自于倾转的发动机短舱。发动机短舱与旋翼同步倾转，不仅转动惯量大，增加对转动机构的功率要求和随之而来的系统重量，还带来了令人难堪的使用问题。战术运输直升机的典型进入和离去方式是侧对已知的敌人火力方向，这样可以最大限度地增加相对于敌人火力的角速度，增加敌人火力瞄准的困难，提高自身的生存力。侧对进入和离去的另一个好处是常规战术运输直升机在两侧有大型登机舱门，门旁通常装有用于压制敌人火力的机枪。侧对进入和离去时，面向敌人火力一侧的舱门机枪正好发挥火力，而机降步兵从背向敌人火力一侧登机或者离机，机体本身还可以提供一点掩护。但“鱼鹰”在垂直起落或者在地面时，发动机短舱垂直，正好把侧向机枪射界遮挡得严严实实；炽热的喷气气流从地面反射，也不便于人员从附近登机离机。所以“鱼鹰”只有从尾门进出，也难以安装常见的舱门机枪，除非尾门常开。相比之下，常规直升机的侧门是可以常开的，便于使用舱门机枪，或者在近地状态下登机离机，或者在悬停状态下吊升索降。

发动机短舱固定后，避免了喷流近距离冲刷地面的问题

也便于使用直升机的传统侧门

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机上人员终于可以像传统直升机一样从两侧进出了。侧门不仅便于登机进出，也便于索降、救生等特殊作业

V-280全尺寸模型上的自卫机枪，座椅布置也更加合理

　　“鱼鹰”要让人员在背向敌人火力的一侧登机离机的话，只有面向敌人火力进入和离去，这大大增加了自身被击中的风险。“鱼鹰”的机上火力也是一个老大难问题，在机腹安装遥控武器站只能解决在空中时的对地射击问题，一旦落地，机腹机枪的火线勉强离地，只能割草扫地，根本无法正常发挥火力。在阿富汗战场上，尽管美军急需机上支援火力，美国海军陆战队只在战场“鱼鹰”上试验性地安装了几套机腹遥控武器站，就不了了之了。
　　发动机短舱在垂直起落状态下倾转到垂直状态还有一个问题：喷气气流直接向下喷射，而且离地很近。在垂直起落阶段，这引起巨大的尘土，轻则造成杂物吸入发动机，导致过度磨损；重则使得砂石树枝高速飞扬，造成人员伤害。“鱼鹰”在纽约公众演示时，就出现过树枝砂石飞扬伤人的问题。在舰上或者机场使用时，垂直状态的发动机短舱喷口很接近地面，炽热喷流容易对铺设地面造成损害。美国海军就因为这个原因，被迫对所有计划装备“鱼鹰”的两栖攻击舰的飞行甲板进行特别加固，在没有加固前则使用特制防热毯保护。这对野战机场高强度反复出动是一个很大的限制。
　　V-280当然是倾转旋翼，但发动机短舱则是固定的，旋翼通过特殊机构倾转。这样避免了发动机短舱倾转带来的一系列问题，也大大降低了倾转过程的转动惯量。当然，贝尔早年采用倾转发动机短舱并不是一时糊涂，这样做法尽管转动惯量大，但机械设计相对简单。发动机固定而旋翼可以无级倾转的机械设计十分复杂。传统的万向节只能倾转有限的角度；传统的伞齿轮可以实现动力传递的90度转向，但转向角度是固定的。在理论上，采用多级万向节可以实现大角度无级动力转向，但机械复杂度和可靠性都是极大的挑战，毕竟这要长期可靠地传递很大的功率。贝尔V-280动力转向机构的细节没有透露，这是V-280最大的关键技术。然而，发动机短舱固定之后，V-280的机侧空间避免了“鱼鹰”的尴尬，恢复到传统的大型侧门设计，人员可以从侧门便利地登机离机，传统的舱门机枪也容易安装。发动机喷流固定向后，也避免了对地面冲刷的问题。
　　V-280的另一个设计特点是V形机尾。“鱼鹰”采用倒置门式机尾，也就是说，双垂尾在平尾的两端翼尖位置。这也是满足海军陆战队收藏机翼-旋翼要求所必需的。V形尾的重量较轻，但机动性不好，俯仰和偏航动作上有互相干扰的问题。不过这个问题对高机动性战斗机比较突出，对速度和机动性要求较低的直升机并不突出，更何况V-280最需要高机动性的时候是在直升机状态，这时旋翼的总距和周期距是主要姿态控制手段，V形尾本来就作用有限。先进的电传飞控进一步缓解了V形尾的控制交联问题，但V形尾的减重效果是实实在在的。

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　　减重对V-280十分重要。飞机的成本在很大程度上由重量决定。重量增加不仅意味着结构用料增加，还使得翼展、翼面积、发动机功率等水涨船高。贝尔不仅在气动设计上用V形尾减重，还在结构上大量采用先进复合材料，成本可望比缩比MV-22降低30%。V-280将达到280节（520公里/小时）的巡航速度，超过JMR的最低要求；最大冲刺速度可达300节（560公里/小时）。航程可达2100海里（3900公里），有利于实现跨洋自部署砖场飞行。作战半径为500-800海里（930-1480公里），比现有的UH-60增加了一倍。换句话说，以韩国釜山为基地的话，可以远及沈阳；以台湾为基地的话，可以轻易涵盖上海-武汉-广州一线。设计最大起飞重量约30000磅（13600公斤），与CH-47相当。V-280的机舱尺寸与美军现行标准的UH-60相当，可搭载4名机组人员和11名士兵，或者外挂12000磅（5440公斤）挂载，比如一门M777榴弹炮。外挂飞行时速度降低到150节（280公里/小时），依然与常规直升机的无外挂速度相当。贝尔宣称，V-280比UH-60的速度和作战半径都增加一倍，大大增加了空中机动部队的作战能力，而较低的油耗则降低了后勤负担。

V-280的航程比UH-60有了很大提高

V-280的现代化驾驶舱

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武装型还有机腹弹舱

　　除了飞机和发动机这些“硬技术”外，V-280也将提供类似F-35的飞行员头盔显示系统和具有信息融合能力的航电，具有出色的态势感知能力和网络战能力，甚至有在机窗上三维显示战场态势的能力。由于士兵随身电子系统越来越普及，机上还将有无线充电的设施，可以在飞行途中为机载士兵的随身系统充电。
　　不过JMR只是技术验证机，美国陆军还没有明确的产品化和订货需求，FVL依然只是空中的馅饼。尽管如此，这依然是美国航空界未来40年最重要的直升机项目，各公司不敢掉以轻心。美国陆军对贝尔和西科斯基-波音团队各拨款600万美元，作为第一阶段的投资。贝尔宣称，已经投入4倍于美国陆军的公司投资，志在必得。XV-15在试飞时一片叫好，不仅美国海军陆战队兴致勃勃，美国陆军、空军和海军都加入了早期研发。美国空军的是战斗搜救的CV-22，美国海军的是反潜的HV-22，美国陆军由于成本原因早早放弃了运输型UV-22之后，转向电子战型EV-22，但最后只有美国海军陆战队的MV-22和美国空军的CV-22完成了研制，美国海军和美国陆军都溜号了。FVL的目标要明确得多，重点在美国陆军，美国海军有可能加入，作为舰载型MH-60R/S的替代。2013年10月2日，美国陆军选择贝尔、西科斯基-波音、AVX和卡莱姆作为JMR第一阶段的候选；2014年8月11日，美国陆军宣布贝尔V-280“勇敢”和西科斯基-波音SB-1“不屈”最终入选JMR第一阶段，要求2017年首飞。如果按时完成的话，这将是直升机历史上的新的里程碑。