揭秘極光公司XV-24A驗證機，全電推進時速可達700公里
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2017年3月初，美國極光飛行科學公司（簡稱極光公司）成功地完成了XV-24A縮比驗證機的飛行測試，驗證了非常規的氣動構型和複雜的飛行控制系統，標誌著創新的同步式電力驅動系統第一次成功地用于飛機推進系統，有望將飛機的飛行速度和直升機的垂直起降能力集於一身，突破當前飛行器的性能限制。該機將繼續保持飛行狀態，隨時用於XV-24A全尺寸驗證機的關鍵技術測試。
目前，極光公司已經凍結了XV-24A驗證機的總體設計方案，在美國國防部先進研究項目局（DARPA）的「垂直起降試驗機」（VTOL X-Plane）計劃發展中邁出了重要一步。按照合同，極光公司作為主承包商，正在與羅羅公司、霍尼韋爾公司聯合設計和研製一架採用分散式混合電力推進系統的XV-24A垂直起降技術驗證機，預計在2018年底實現首飛。
啟動驗證計劃
今年1月31日，DARPA將極光公司設計和研製的「雷擊」（LightningStrike）方案正式賦予了XV-24A驗證機的名稱，這是繼貝爾公司/波音公司的V-22「魚鷹」傾轉旋翼運輸機和空中貿易者公司的UV-23「偵察兵」短距起降偵察機之後，美國國防部資助發展的一種全新的VTOL飛行器。
早在2013年2月25日，DARPA啟動了VTOL X-Plane（簡稱VXP）計劃，旨在通過固定翼技術和旋翼技術之間的融合與創新，研製和集成一些新穎的子系統，力求在飛行速度、懸停效率、巡航效率和有效載荷能力等方面突破當前面臨的一些限制，以大幅度地改善垂直起降和巡航飛行的性能。
VXP計劃的目標是在52個月內研製出一架技術驗證機，通過飛行測試實現以下一些設計要求：最大持續飛行速度達到555～740千米/小時，盤旋效率從60％至少提升到75％，巡航狀態的升阻比從目前的5～6提高到10，攜帶有效載荷至少相當於自身總重量4540～5450千克的40％。如果試飛結果達到預期性能，美國軍方將利用這項計劃所驗證的相關技術，設計出一種可替代V-22傾轉旋翼機的平台。
VXP計劃啟動後，DARPA先後收到多家公司提交的各種設計方案，從新型傾轉旋翼的飛機、加裝短翼的複合式直升機到嵌入涵道風扇的飛翼，都力求滿足相關性能要求。雖然DARPA並沒有詳細說明這種試驗機是無人機還是有人機，但所有參與競爭的公司都選擇了無人駕駛方案。按照計劃，VXP計劃分為三個階段。
第一階段為概念設計階段，主要任務是定義子系統、確定飛機構型和推進系統和評估總體性能，計算出尺寸、重量、燃油以及功率需求。這個階段又細分為1A和1B階段。2014年3月18日，4家公司先後向DARPA提交了各自的設計方案，分別為西科斯基公司的「旋翼下洗機翼」、極光公司「雷擊」、波音公司的「鬼怪雨燕」和卡里姆飛機公司的TR36XP「最優轉速傾轉旋翼機」。時隔3個月後，DARPA陸續授予每家公司一項研究合同，開始了1B階段，用於初步設計、技術成熟、建模與模擬、飛機布局及部件級的測試。
2015年12月，DARPA經過全面分析和比較，認為極光公司的「雷擊」驗證機是一種非常新穎的設計方案，滿足了VXP計劃提出的主要設計要求，但也非常具有挑戰性。2016年3月3日，DARPA將一項價值8940萬美元的VXP計劃第二階段合同授予極光公司，用於研製一種兼具固定翼飛機的飛行速度和直升機的敏捷性能的先進飛行器。
按照合同，極光公司作為主承包商，與羅羅公司、霍尼韋爾公司組成聯合研製團隊，將在VXP計劃的第二設計階段展開合作，設計和研製一架採用分散式混合電力推進系統的「雷擊」垂直起降技術驗證機，用於第三階段的全尺寸飛行測試，預計在2018年底實現首飛。
2013年2月，DARPA啟動了VXP計劃。
「雷擊」方案的獨特構型有可能實現VXP計劃的設計目標。
主要設計特點
多年前，極光公司曾經研製過「金眼」（Golden Eye）和「神劍」（Excalibur）兩種VTOL無人機，在相關技術領域積累了豐富的經驗。針對VXP計劃的各項要求，極光公司在概念設計階段提出了非常獨特的「雷擊」方案，通過採用多種創新設計，力求為飛行器設計一種兼有傾轉與推進功能的氣動翼面，從而實現高效盤旋和高速飛行。
從極光公司公布的想像圖可以看出，「雷擊」驗證機在總體設計上就像是一架無人駕駛雙翼機，但是起飛方式又像是直升機，結合了兩者的特點。這種飛行器可以飛得更快和更遠，在需要時可以在半空盤旋，完成多種任務，無需專門準備著陸區域。極光公司表示，該機在承擔基本相當的任務時，其飛行速度可以超過現有垂直起降飛機的50％。
為了保證巡航飛行時的性能，極光公司在設計「雷擊」驗證機時採用了鴨式布局，由平直的小型鴨翼和略微前掠的大型機翼組成。翼面的圓鈍形前緣提供了一個較高的最大升力係數，上、下表面均產生升力，但大多數升力產生於下表面。同時，鴨翼和機翼還採用了大尺寸後掠式翼梢小翼，在平飛時有效地減少了誘導阻力，在垂直起降時也可起到穩定作用。
「雷擊」方案的創新之一是採用了蜂窩構型的氣動翼面設計，在上、下翼面之間集成了模塊化的涵道風扇，其中，18個風扇安裝在機翼中，6個風扇在鴨翼中，可以使氣動翼面在快速平飛、半空盤旋和轉換過渡等狀態下都能有效獲得氣動升力。為了實現VTOL能力，機翼和鴨翼均可旋轉，根據飛行狀態的需要不斷調整風扇推力的方向：向後時可實現前飛，向下時可實現盤旋，在兩種狀態之間過渡時則成一定角度。
「雷擊」方案的真正創新之處是採用了一種分散式混合電力推進系統。該系統由高度集成的分散式涵道風扇與混合電力驅動系統組成，使驗證機具備革命性盤旋效率和高速前飛速度的潛力。而且，集成了推進/機翼部件的綜合空氣動力學設計能使機翼表面氣流受到涵道風扇氣流的有利誘導，在大迎角狀態下依然產生升力，避免了進入失速狀態，實現低速飛行。
極光公司正是憑藉著這一創新設計，使「雷擊」方案在競標中戰勝了其他3家公司提出的常規動力裝置設計方案。具體而言，「雷擊」驗證機將在機身後部安裝一台羅羅公司生產AE1107C渦輪軸發動機，產生的功率可驅動3台霍尼韋爾公司防務與空間分部生產的1兆瓦發電機，相當於當前商業風力渦輪的功率。發電機產生的電力用於驅動24個無刷電機，帶動涵道風扇旋轉。
「雷擊」驗證機的前視圖。
「雷擊」驗證機的側視圖。
「雷擊」驗證機準備垂直起飛的想像圖。
優化飛控系統
可以看出，極光飛行科學公司設計的「雷擊」驗證機綜合了多種先進技術，可以將較快飛行速度和垂直起降能力集於一身，有望在總體性能方面實現突破。這種設計方案如果能夠投入使用，首先需要突破飛行控制系統的瓶頸。
此前，極光公司研製的「金眼」無人機在風中降落時曾經遇到過一些挑戰，表明在盤旋狀態下，VTOL飛行器的控制許可權是至關重要的。極光公司希望「雷擊」驗證機能對自然風做出一個敏捷反應，擁有良好的控制余度，這樣就可以精確地實現驗證機的起飛和著陸。
目前，直升機在起降過程中具有獨特優勢，這就是它們在較小的著陸區域具有使用價值的原因。因此，「雷擊」驗證機至少要達到直升機級別的穩定性和控制余度，這樣，研製人員才能真正地駕馭這種VTOL飛行器。
極光公司在設計「雷擊」驗證機時充分考慮了飛行控制系統的容錯能力。該機將採用三餘度飛行控制系統，同時還採用3台發電機、獨立驅動與控制風扇等多重措施為推進系統提供了足夠余度，可以有效避免出現失去升力的意外情況。
從設計來看，「雷擊」驗證機的飛行控制非常複雜，不僅涵道風扇隨著機翼和鴨翼傾轉，而且在氣動翼面上設計了不少於72個可以控制的作動裝置。每個涵道都有上控制面和下控制面，極光公司將鴨翼上的控制面稱之為升降舵，而將機翼上的控制面稱之為副翼。該設計方案沒有採用尾翼，因為它有足夠的穩定性和控制能力，否則只會增加重量。
相對於機翼，這些控制面可以向上或向下運動，同時還改變了涵道風扇的噴口面積，以保持風扇在盤旋狀態或巡航飛行時工作在最佳效率。每個控制面分別由獨立的作動器驅動，但是它們最初將被用作傾轉風扇。然後，它們將分別受到獨立控制，以改變沿翼展方向的推力和升力分布。
根據設計，「雷擊」驗證機的飛行狀態轉換是一個動態變化的協調過程，沒有一個恆定的推力和控制力矩的分配，必須平穩地調整所有的控制裝置。機翼具有下反角，在傾轉到垂直狀態時，推力軸會因此向前移動，以平衡盤旋狀態下的飛機。在第三階段試飛中，「雷擊」驗證機將探索飛行控制的所有不同維度。
鴨翼和機翼從水平傾轉到垂直狀態後可以實現起飛和著陸，但是不會同時進行同步旋轉。機翼或鴨翼可以先傾轉。當串列機翼傾轉到90度以實現垂直飛行時，該機的俯仰控制通過鴨翼和機翼上的不同推力來實現，滾轉控制通過改變兩側的推力來實現，偏航控制則通過機翼上的副翼差動和鴨翼、機翼的矢量推力來實現。
XV-24A驗證機將採用三餘度飛行控制系統，提供了足夠余度。
複雜的飛控系統將成為XV-24A驗證機能否成功的關鍵。
測試縮比樣機
在獲得DARPA正式合同後，極光公司首先採用一種稱之為「銅雀」（Copper Bird）的地面試驗台和一架縮比驗證機來證明XV-24A驗證機的設計構型。其中，縮比驗證機採用了類似全尺寸XV-24A驗證機的航空電子系統和飛行控制律，將驗證從盤旋模式轉換到前飛模式，反之亦然。
這架縮比樣機使用3D列印技術製造，由碳纖維和熔融沉積製造用塑料材料製成的機翼與前翼，使得飛機在擁有複雜結構與氣動力面的同時，還能降低重量，滿足了DARPA對降低風險的要求。它的尺寸只有全尺寸驗證機的五分之一，重量大約147.5千克。該機採用了全尺寸驗證機的電子設備、電力系統和機翼/鴨翼的風扇布局，目的是在更加昂貴的全尺寸驗證機升空之前發現存在的各種問題。
2016年3月29日，XV-24A縮比驗證機成功實現了首飛，在地面人員的控制下，驗證了起飛、盤旋以及著陸等一系列動作，證明了飛行控制與氣動設計都達到了設計預期。極光公司的創新設計首次驗證了如何使用同步式電力推進系統實現分散式混合動力推進。
對此，極光公司首席技術官湯姆·克蘭西說：「縮比樣機的成功飛行，對極光公司和我們的客戶來說，是激動人心的重要一步。我們的設計將分散式電力推進系統與飛行控制系統密切集於一身，後者需要一套複雜的操縱裝置。」
今年2月，這架縮比驗證機在兩個階段完成了共計10次飛行。在第一階段，該機完成了基本的飛行包線，包括盤旋飛行、向前飛行和側向飛行。在第二階段，該機測試了從懸停模式轉向前飛模式。相關測試還模擬了一種「失去聯繫」的情況，縮比驗證機移動到一個預先指定的位置，過渡到懸停並著陸，直到重新建立控制連接。在飛行測試中，縮比驗證機達到了185千米/小時的最大速度，但下一步在全尺寸驗證機的測試中，XV-24A驗證機的最大續航速度將達到555～740千米/小時。
由於採用的鋰聚合物電池只有55千克，這架縮比驗證機的連續飛行時間只能持續飛行5分鐘，但在測試中先後完成了垂直起飛、懸停、過渡到前飛、轉換回懸停狀態、垂直著陸等一系列完整的飛行過程，驗證了傾轉機翼/傾轉鴨翼構型、空氣動力布局、航空電子架構、飛行控制演算法和軟體等一系列關鍵技術，減少了下一步研製全尺寸XV-24A驗證機的風險。
與此同時，極光公司正在組裝一個「鐵鳥」試驗台，用於測試混合電力推進系統的所有部件。這個試驗台將包括全部三台1兆瓦發電機、變速箱和AE1107C發動機。「鐵鳥」試驗台將在今年年底啟用，隨後幾個月內與這些零部件一起投入測試。同時，極光公司將裝配一個縮比的「銅雀」，專門用於測試從一台1兆瓦發電機到機翼和鴨翼內風扇的同步工作。
按照計劃，全尺寸XV-24A驗證機在今年年底完成總裝，此時恰好「鐵鳥」試驗台準備投入測試。雖然總體結構完整，但XV-24A驗證機的內部幾乎是空的。隨著「鐵鳥」測試在明年啟動，發電機和電力系統等部件將陸續集成到驗證機中，然後在位於馬里蘭州帕特森特河的美國海軍航空站進行飛行測試。
極光公司研製的XV-24A縮比驗證機。
XV-24A縮比驗證機成功實現首飛。
經過合成的XV-24A縮比驗證機垂直起飛、盤旋和垂直降落過程。
未來發展前景
儘管「雷擊」驗證機為無人駕駛平台，但VXP計劃發展的這些技術可以很好地應用到有人駕駛飛機上。這項計劃的目標是在2018年內完成相關的各項飛行試驗。極光公司總工程師格雷厄姆·多洛澤斯基表示，「雷擊」驗證機的研製目的並不是將部隊運送到戰場或攻擊目標，而是為了驗證一系列新技術，如果研製工作順利達到預期目標，這項計劃有望生產出全新系列的飛行器。
目前，極光公司正在著眼於美國陸軍領導的未來垂直起降空運（FVL）採購計劃，旨在引入一系列遠程、高速和較強機動性的飛行器，有可能作為一種後繼機，在2030年替代西科斯基公司的UH-60「黑鷹」和波音公司的AH-64「阿帕奇」。儘管尚未得到明確回應，但「雷擊」驗證機的無人駕駛型號可能會引起美國陸軍的興趣。
2016年5月初，美國陸軍無人機辦公室技術管理部門主管拉爾斯·埃里克森在美國直升機協會（AHS）舉行的年度國際會議上表示，美國陸軍對混合電力驅動技術非常感興趣。同時，美國陸軍還與各家承包商探討了下一代無人機的發展，希望未來裝備的無人機能具備VTOL能力。
極光公司還希望XV-24A驗證機能夠滿足美國海軍陸戰隊的潛在需求。4月4日，極光公司在美國海軍聯合會舉辦的「海上、空中和太空」年度會議上，展出了一種類似XV-24A驗證機的無人機構型，以滿足海軍陸戰隊空對地特遣部隊無人機系統遠征軍（MUX）的作戰需求，即在十年後獲得一種高速艦載無人機系統。極光公司首席執行官蘭福德表示，最有可能的第一位買家將會借長航時垂直起降能力艦載無人機執行護航及特種任務。
海軍陸戰隊表示，MUX需要能夠從兩棲攻擊艦和陸地基地進行操作的多用途無人機，並與MV-22傾轉旋翼機機和F-35B戰鬥機並駕齊驅。目前，海軍陸戰隊航空分部已經在密切關注諾格公司的「燕鷗」、洛馬公司的「戰神」和海軍研究辦公室的自動空中貨運/通用系統等計劃，如果相關技術得到充分驗證，將在十年後開始研製一種多用途艦載無人機。
美國海軍陸戰隊的MUX需求為直升機工業提供了發展另一種大型VTOL無人機的機會。目前，波音公司、貝爾公司、卡雷姆公司、西科斯基公司等多家防務承包商已經有意參與未來的MUX計劃競爭。極光公司希望藉助XV-24A驗證機的關鍵技術，與各種先進設計方案一爭高下。
毫無疑問，XV-24A驗證機作為一個測試平台，首要任務是通過飛行試驗證明構型方案的合理性，發現潛在的設計問題，確保飛行使用的安全性。因此，美國軍方在XV-24A驗證機正式首飛前，依舊對VXP計劃保持觀望。這種創新設計最終能否成功地達到設計目標，還需要拭目以待。
極光公司針對MUX需求推出的艦載無人機設計方案。
本文刊載自2017年《無人系統技術》第3期
作者：溫傑
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