由上至下,，分別為波音,、卡雷姆,、西科斯基，洛馬提交的方案,。

　　2014年3月18日,，美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）正式宣布了其“垂直起降試驗飛機(jī)”（VTOL X-Plane）項目第一階段的4家競標(biāo)商，至此VTOL X-Plane項目競標(biāo)全面展開,，同時也意味著沉寂了相當(dāng)長一段時間的垂直起降飛機(jī)卷土重來,。

　　“垂直起降試驗飛機(jī)”項目于2013年2月啟動,，旨在開發(fā)一種新的垂直起降飛行器，使其兼具當(dāng)前常規(guī)直升機(jī)垂直起降能力和懸停性能,，以及公務(wù)機(jī)的有效載重水平,、飛行速度和升阻比。

　　VTOL X-Plane項目預(yù)期研制周期為52個月,，總預(yù)算約為1.3億美元,。項目共分為3個階段工作。第一階段工作為概念設(shè)計和技術(shù)準(zhǔn)備,，預(yù)算為4700萬美元,。

　　第二階段工作是詳細(xì)設(shè)計和系統(tǒng)集成，計劃進(jìn)行18個月,。這一階段將完成平臺的詳細(xì)設(shè)計及各子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計評估,，并在通過最終設(shè)計評估后完成驗證機(jī)系統(tǒng)集成和總裝。

　　第三階段工作是地面及飛行試驗,，計劃進(jìn)行12個月。預(yù)計于合同授出42個月后完成驗證機(jī)首飛（2017年2月前后）,。隨后將進(jìn)行為期1年的飛行試驗,，對驗證機(jī)重量、載荷,、飛行速度,、懸停效率、巡航效率,、飛行包線等參數(shù)進(jìn)行試驗,。

　　第一階段工作于2013年年底開始，先后授出了4份概念設(shè)計合同,，進(jìn)行構(gòu)型權(quán)衡和方案初始設(shè)計,。獲得合同的4個競標(biāo)商分別是：西科斯基公司/洛馬公司小組、極光飛行科學(xué)公司,、波音公司和卡雷姆公司,。第一階段工作結(jié)束后，DARPA將對設(shè)計方案進(jìn)行評估,，并從多個方案中選擇一個開展第二,、三階段工作。計劃在2017年春天實現(xiàn)驗證機(jī)首飛,，2018年2月完成項目全部研究內(nèi)容,。

技術(shù)指標(biāo)

　　DARPA在VTOL X-Plane項目中對驗證機(jī)性能提出了極高的要求，最主要的性能指標(biāo)包括以下幾個方面：

　　驗證機(jī)最大起飛重量在4500～5400千克之間,，技術(shù)可擴(kuò)展應(yīng)用在最大起飛重量1800～10800千克之間不同級別的平臺上,；

　　機(jī)動性能要求能夠承受-0.5g～2.0g過載,；

　　持續(xù)飛行速度能夠達(dá)到556～741千米/時；

　　懸停效率不低于75%,；

　　巡航狀態(tài)升阻比不低于10,；

　　有效載重不低于總重的40%，商載不低于12.5%,。

　　從其提出的性能指標(biāo)來看,，飛行速度、懸停效率和巡航升阻比是挑戰(zhàn)性較大的指標(biāo),，而在這些指標(biāo)同時滿足的條件下能夠達(dá)到其提出的重量指標(biāo)則進(jìn)一步加大了難度,，對設(shè)計、材料,、制造等方面都有極高的要求,。

　　飛行速度方面，項目要求達(dá)到556～741千米/時的持續(xù)飛行速度,。這一速度已達(dá)到固定翼飛機(jī)的水平,，與渦槳飛機(jī)和部分噴氣飛機(jī)相當(dāng)（如C-17和C-130）。美軍正在進(jìn)行的高速旋翼機(jī)型號研制項目“聯(lián)合多任務(wù)旋翼機(jī)”（JMR）項目對飛行速度提出的指標(biāo)僅為315～556千米/時,；美軍已服役的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的最大前飛速度也僅為582千米/時,。這意味著從飛行速度指標(biāo)看，該機(jī)已明顯高于當(dāng)前在役和在研的高速旋翼機(jī)技術(shù)水平,。

　　懸停效率方面,，“垂直起降試驗飛機(jī)”項目要求懸停效率不低于75%，也遠(yuǎn)高于當(dāng)前旋翼機(jī)水平,。當(dāng)前的直升機(jī)懸停效率通常只有60%左右,。這意味著旋翼系統(tǒng)的氣動性能需要大幅提升，不僅需要采用氣動性能更好的翼型,，同時還需要有更為優(yōu)化的槳尖形狀,；并且，由于高速特性和懸停性能兩方面的要求,，槳葉設(shè)計還需要同時兼顧高速和低速兩種不同狀態(tài)的氣動性能,，進(jìn)一步增加了設(shè)計難度。

　　巡航性能方面,，“垂直起降試驗飛機(jī)”要求全機(jī)巡航狀態(tài)升阻比達(dá)到10以上,，相當(dāng)于20世紀(jì)50年代前后的固定翼通用飛機(jī)的水平而目前常規(guī)直升機(jī)由于構(gòu)型的固有限制，全機(jī)升阻比僅為4～6左右,。這意味著該機(jī)很難僅靠旋翼系統(tǒng)提供升力,，其機(jī)身也需要在巡航狀態(tài)下提供較大比例的升力，因此具有固定翼特征的構(gòu)型方案將成為一個努力的方向,；此外,，高速巡航狀態(tài)氣動減阻問題也是當(dāng)前高速旋翼機(jī)的技術(shù)難點之一,，西科斯基X2和空客直升機(jī)公司（原歐直公司）的X3都遇到了這一問題。

構(gòu)型方案

　　目前投標(biāo)的4個制造商除極光公司外,，都公布了其競標(biāo)方案概念,。其提出的方案盡管十分新穎，但或多或少的都借鑒了之前的一些技術(shù)驗證機(jī)構(gòu)型方案,。

　　西科斯基/洛馬小組提交了一個名為“旋翼下洗機(jī)翼”（Rotor Blown Wing）的無人機(jī)概念,。其由左右兩套旋翼系統(tǒng)提供升力從垂直狀態(tài)起飛，在飛行過程中逐漸提高平飛速度,，并將機(jī)身轉(zhuǎn)為水平狀態(tài),，由機(jī)翼提供升力，而旋翼則充當(dāng)螺旋槳,，提供前飛所需拉力,。

　　盡管這一概念看似十分新穎，但與波音公司20世紀(jì)90年代研制的“直升翼”（Heliwing）無人旋翼機(jī)驚人地神似,，區(qū)別僅是其將“垂尾”從一個改為兩個,，布置在兩個旋翼的正下方?！爸鄙怼痹?995年完成首飛,，其設(shè)計飛行速度為180節(jié)（334千米/時），飛行高度能夠達(dá)到20000英尺（6096米）,，但其原型機(jī)在一次試飛的減速/下降過程中由于發(fā)動機(jī)失效而墜毀。但“直升翼”的成功首飛很顯然為西科斯基公司選擇這一構(gòu)型的樹立了信心,。

　　與其他方案相比,，該方案在結(jié)構(gòu)上相對簡單，相對容易滿足DARPA對有效載荷的要求,，其技術(shù)難點主要集中設(shè)計方面,，尤其是旋翼系統(tǒng)及其控制機(jī)構(gòu)和控制率。然而由于槳盤面積相對較小,，懸停效率方面可能會有些問題,，而機(jī)身從垂直狀態(tài)與水平狀態(tài)過渡過程，即起飛/著陸過程的操縱性和穩(wěn)定性也是一個設(shè)計難點,。

　　波音公司提交的方案是一個名為“幽靈雨燕”（Phantom Swift）的無人機(jī),，由波音公司鬼怪工廠（Phantom Works）設(shè)計。鬼怪工廠在30天內(nèi)就完成了一個縮比的原理樣機(jī)設(shè)計和制造工作,，并進(jìn)行了簡單的飛行,，其中設(shè)計工作僅用了3天時間，可見其方案的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也不是很高,?！坝撵`雨燕”采用了機(jī)體上2個大尺寸涵道風(fēng)扇,、翼尖2個可傾轉(zhuǎn)的涵道風(fēng)扇的布局。其中機(jī)體的風(fēng)扇主要用于垂直起降和懸停,，翼尖的2個涵道風(fēng)扇則用于提供操縱力,。該構(gòu)型從結(jié)構(gòu)上十分簡單，不管是傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇還是機(jī)體上的升力風(fēng)扇對于波音公司來說都不是技術(shù)難點,，該機(jī)的主要技術(shù)難點在于其旋翼尺寸較小,，盡管有4個旋翼系統(tǒng)，但槳盤面積較小,、誘導(dǎo)速度過高,，恐怕仍會存在懸停效率較低的問題；此外從目前的構(gòu)型形式來看,，其貨倉位置很難選擇,，容積和尺寸的限制也很嚴(yán)重，若不對方案進(jìn)行調(diào)整的話,，該構(gòu)型的實用性不高,。

　　與西科斯基公司方案類似，“幽靈雨燕”也依稀能夠看到一些過去的技術(shù)驗證機(jī)和型號的影子：其機(jī)身的雙涵道風(fēng)扇與以色列研制的一個名為“騾子”的無人旋翼機(jī)頗為神似,，與F-35B也有些類似,；而其傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇則在一些傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)方案中出現(xiàn)過，如美國陸軍于20世紀(jì)50年代研制的一個垂直起降飛機(jī)VZ-4DA就采用了雙涵道風(fēng)扇傾轉(zhuǎn)的設(shè)計方案,，而美國動力飛行系統(tǒng)公司（American Dynamics Flight Systems）也曾提出過一個名為AD-150的傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇設(shè)計方案,，用于競標(biāo)美國海軍陸戰(zhàn)隊的“三級垂直起降無人機(jī)系統(tǒng)”項目（Tier III VUAS）。

　　與西科斯基/洛馬小組和波音公司的方案相比,，卡雷姆公司的方案則選擇了一個相對中規(guī)中矩的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型,。方案的機(jī)翼翼展很大，并且呈折線形,，外側(cè)機(jī)翼隨旋翼一起傾轉(zhuǎn),。

　　從技術(shù)層面來看，傾轉(zhuǎn)旋翼方案應(yīng)該能夠滿足DARPA提出的巡航升阻比要求,，但懸停效率方面會相對有所挑戰(zhàn),。因此其采用大翼展、大展弦比機(jī)翼,，并且機(jī)翼外段隨旋翼傾轉(zhuǎn),，以盡量降低垂直起飛狀態(tài)時機(jī)翼對旋翼下洗流的影響。此外,，卡雷姆公司拿手的“優(yōu)化轉(zhuǎn)速旋翼”技術(shù)也將在這一方案上得到應(yīng)用,，該技術(shù)最早在A160“蜂鳥”無人直升機(jī)上應(yīng)用，而A160的總設(shè)計師正是卡雷姆公司創(chuàng)始人亞伯拉罕·卡雷姆,。該技術(shù)應(yīng)能夠較好地解決垂直起降/水平前飛兩個狀態(tài)下旋翼轉(zhuǎn)速不同的問題,，從而同時具備良好的懸停效率和巡航升阻比,。

　　極光公司盡管沒有公布其構(gòu)型方案，但透露了一些構(gòu)型信息,。其方案將采用公司之前的兩個無人旋翼機(jī) “圣劍”（Excalibur）和“黃金眼”（Goldeneye）的技術(shù)成果,。“黃金眼”是一個單涵道風(fēng)扇式的微型無人旋翼機(jī),，極光公司僅有可能使用其涵道風(fēng)扇技術(shù),。而“圣劍”的總體構(gòu)型最有可能用于X-Plane方案中。該無人機(jī)采用了涵道風(fēng)扇和矢量推力技術(shù),，在機(jī)翼兩端和機(jī)身前部各裝有一個涵道風(fēng)扇以提供垂直起降所需的升力,，機(jī)身中部還裝有一個可旋轉(zhuǎn)的噴氣發(fā)動機(jī)，在垂直起降時提供升力,。高速前飛時,，機(jī)翼兩端的風(fēng)扇會收進(jìn)機(jī)翼內(nèi)部，機(jī)頭的風(fēng)扇也將被一個探出的隔板遮蓋以減小氣動阻力,，而發(fā)動機(jī)向斜下方傾轉(zhuǎn),，提供所需的推力，由于其發(fā)動機(jī)無法轉(zhuǎn)到水平位置,，因此將機(jī)翼布置在機(jī)身后部以平衡發(fā)動機(jī)推力的垂直方向分量,。“圣劍”采用全電驅(qū)動,，從而省去了重量高,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳動系統(tǒng)。技術(shù)上來看,，該方案采用了電力驅(qū)動,，因此省去了動力傳輸機(jī)構(gòu)，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,，并且“圣劍”無人機(jī)于2009年已成功首飛,，技術(shù)成熟度較高,；但由于槳盤面積小,、槳盤載荷較大，其懸停效率將是一個難點,，并且由于發(fā)動機(jī)不能左右傾轉(zhuǎn),，因此其懸停狀態(tài)的偏航控制難以實現(xiàn)；并且由于其在機(jī)身絕大多數(shù)位置都布置了風(fēng)扇,、發(fā)動機(jī)及傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等,，任務(wù)載荷和載貨空間的布置將受到很大限制，很有可能不得不采用外掛的方式實現(xiàn),。          

項目意義

　　在直升機(jī)旋翼機(jī)領(lǐng)域,，DARPA也曾開展過數(shù)個研究項目,，而這次由DARPA主導(dǎo)新一代高速旋翼機(jī)技術(shù)的預(yù)研，一定程度上意味著美國軍方將高速旋翼機(jī)的定位從戰(zhàn)術(shù)裝備開始向戰(zhàn)略性武器裝備轉(zhuǎn)變,，認(rèn)為其將成為未來影響美軍整體作戰(zhàn)方式,、提升作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵性技術(shù)。

　　高速旋翼機(jī)將成為改變美軍作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)方式,、保持美國軍事優(yōu)勢的重要裝備,。旋翼機(jī)一直是美軍裝備體系中重要的組成部分，其在美軍歷次的作戰(zhàn)和其他行動中都發(fā)揮了重要且不可替代的作用,，是美軍保持其軍事優(yōu)勢的關(guān)鍵裝備之一,。美國國防科學(xué)委員會（DSB）在2013年8月向國防部提交了一份名為《2030年保持優(yōu)勢的技術(shù)與創(chuàng)新》的報告，就具有重大潛在影響但目前發(fā)展仍不充分的技術(shù),，向國防部提出了具體的投資建議,。報告認(rèn)為，目前美軍研制的很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、費用高昂的武器裝備都被對手采用相對廉價的技術(shù)所針對,，而高速旋翼機(jī)技術(shù)由于具備較高的性價比，并能夠顯著提升美軍的機(jī)動能力,、靈活性和保障能力,，并一定程度上改變美軍作戰(zhàn)方式；同時,，高速旋翼機(jī)由于較低的單機(jī)價格,，能夠形成較大的裝備規(guī)模，使得其在技術(shù)上很難被針對,，因而將迫使對手在更大范圍內(nèi)布防,，從而對其造成經(jīng)濟(jì)上的壓力。因此DSB建議國防部為作為目前唯一的高速旋翼機(jī)技術(shù)預(yù)研項目“垂直起降試驗飛機(jī)”增加投資,，對更多的構(gòu)型方案進(jìn)行驗證,，從而為高速旋翼機(jī)性能提升提供更充分的技術(shù)準(zhǔn)備，從而達(dá)到通過技術(shù)壓制和成本施壓兩個方面保持美國未來的軍事優(yōu)勢,。

　　美國高速旋翼機(jī)研發(fā)體系初步形成,，呈現(xiàn)出“生產(chǎn)一代、研制一代,、探索一代”的特點,。首個采用高速旋翼機(jī)技術(shù)的軍機(jī)型號V-22已于2008年開始正式部署并持續(xù)生產(chǎn)，現(xiàn)有生產(chǎn)合同就可以持續(xù)到2018年,；計劃替換“黑鷹”,、“阿帕奇”等現(xiàn)役直升機(jī)型號的高速旋翼機(jī)型號研制項目“聯(lián)合多任務(wù)旋翼機(jī)”JMR已進(jìn)入到原型機(jī)研制階段，預(yù)計2017年完成首飛，2020年開始生產(chǎn)型研制,。在此基礎(chǔ)上,，DARPA認(rèn)為以傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型和復(fù)合推力構(gòu)型為代表的現(xiàn)階段的高速旋翼機(jī)技術(shù)已基本成熟，應(yīng)開始為下一代性能更強的高速垂直起降飛行器的研發(fā)進(jìn)行概念探索和技術(shù)儲備,，以應(yīng)對2030年之后的軍事需求,，并繼續(xù)保持其在高速旋翼機(jī)領(lǐng)域的超強技術(shù)優(yōu)勢，因此啟動了VTOL X-Plane項目,，以保證未來美國在旋翼機(jī)技術(shù)領(lǐng)域能夠繼續(xù)處于領(lǐng)先地位,。