陳濟桁|複合材料助力貝爾V-280「英勇」傾轉旋翼機發展

2017年9月，貝爾直升機公司在官方網站上宣布，貝爾V-280「英勇」（Valor）傾轉旋翼機驗證機目前已經完成了100％的裝機工作，這標誌著其距離原計劃在今年秋季進行的首飛更近了一步。

圖1貝爾V280「英勇」傾轉旋翼機（美國貝爾直升機公司圖片）

V-280「英勇」是傾轉旋翼機系列中最新的一代飛機，該機的設計目標是作為V-22「魚鷹」的繼任者，為美軍提供快速、長距和高效的運送投放能力，以便能適應並成功的完成任何場景下的作戰任務，保證其作戰效能強於任何作戰對手。V-280「英勇」的創新包括飛機固定發動機短艙等，它可以增加飛機維修的便利性和發動機短艙進出口安全性。這款最新的傾轉旋翼機提供了固定翼高速巡航性和低速靈活性，可幫助士兵和駕駛員根據任務不同，自由的選擇最佳行軍速度和駕駛可操作性。

一、FVL計劃，「英勇」中標

為解決美國旋翼飛行機隊日益老化的問題，美國國防部於2009年啟動「未來垂直起降飛機」（FVL）計劃。該計劃旨在為美國軍隊開發更快速、更靈活的垂直起降飛機（VTOL），在輕型、中型、重型和超級型（ultra）等四個不同的旋翼機平台實現升級。然而，FVL計劃並不是簡單的替換目前四個平台上的老式旋翼機，而是著眼未來作戰需求，實現旋翼機在垂直起降、航程、速度、有效載荷、生存能力、可靠性等多個方面的大幅度改進，生產成本和作戰成本也要降低到當前機隊成本之下，在滿足現有作戰任務需求的基礎上，還要能承擔以前不可能完成的任務。

FVL計劃的先導是「聯合多任務技術驗證機」（JMR-TD）項目，該項目也是FVL計劃的基礎，其目標並不是要開發出新一代旋翼機的原型機，而是要得到研發技術。為落實項目，美國陸軍航空與導彈研發和工程技術中心（AMRDEC）與AVX飛機公司、貝爾直升機公司、卡雷姆飛機公司和西科斯基-波音聯合團隊分別簽訂了合同，每家均得到了美國陸軍650萬美元的資助，利用9個月的時間完成各自的旋翼機初始設計參與後續的項目競爭。

圖2JMR-TD項目將催化技術成熟，助力裝備滿足FVL計劃的要求（美國貝爾直升機公司，V-280「英勇」手冊）

為爭取項目，貝爾直升機公司自籌部分經費啟動V-280「英勇」傾轉旋翼機研製方案，該方案於2013年6月被美國陸軍選定為JMR-TD項目的I類提案。2014年8月，經過一年多的努力，美國陸軍宣布V-280「英勇」中標，繼續執行JMR-TD項目。2014年10月，美國陸軍正式宣布貝爾-洛馬團隊的V-280「英勇」和西科斯基-波音團隊的SB-1「挑戰」在競標中勝出，並授權兩家開始建造各自的驗證機，準備在2017年進行試飛。

二、復材應用，減重降本

貝爾V-280「英勇」傾轉旋翼機具有顯著的三大特點：一是速度快、航程遠，二是可靠性高，成本低，三是技術含量高。為了達到上述這些特點的要求，V-280整機由金屬和複合材料製成，由於在設計中特地強調了減輕重量，降低成本，該機的機身、機翼和機尾大量使用了複合材料，特別是在傾轉旋翼機特色的固定翼和旋翼上實現了四大突破：

l機翼蒙皮和翼肋是膠接在一起的，沒有使用緊固件，這也打破了傳統的蒙皮-桁條結構。

l首次使用大型單元碳芯技術（Large Cell Carbon Core，LCCC）技術製造出一體成型的「粘合式複合材料機翼」，具有碳纖維複合材料蒙皮和蜂窩夾芯三明治結構，不僅實現了工藝簡化和機翼減重，相比將V-22機翼縮小到相同尺寸，成本降低了30%。

l複合材料槳轂星型件由鋪設在開放式模具上的寬幅預浸布加工而成，與使用封閉式模具相比，成本降低50%。

l使用由Eagle Technologies生產的第一款全碳傾轉旋翼主槳葉片，可靠性更高，成本更低，具有更強大的空氣動力學性能。

除此之外，由於固定翼採用膠接方式，將V-22時的略帶前掠改為平直翼設計，採用平直的碳纖維複合材料整體成型，機翼上的零件數量更少、尺寸更大、重量更輕，此外，這種設計還可以實現對機翼損傷部位的迅速檢測。得益於先進的複合材料和製造技術的進步，以往需要手動配合公差的問題不復存在，裝配難度和成本也實現了大幅度降低。旋翼槳葉採用輕質的全碳材料製造，成本降低了25%；通過寬幅預浸布加工得到的星型件，使製造成本降低了40%。

圖3V-280「英勇」的機翼，槳轂和旋翼葉片使用特定的複合材料和工藝來實現減重降本（美國貝爾直升機公司，2014年10月向試驗測試飛行員協會彙報的演示文稿）

V-280的複合材料機身生產工作由斯普利特航空系統公司完成。貝爾公司首席執行官約翰?加里森曾表示，儘管V-280擁有許多技術創新點，但最具突破性的則是其機身採用了先進的製造工藝和裝配技術，及大地降低了成本。斯普利特公司採用了公司獨有的Spirit Exact快速成型專利工藝技術，輔以決定性裝配（Determinant Assembly）和激光校準，將零部件設計成按預先定義的界面進行加工和裝配，公差極小，消除了加工過程中的手動測量、調整和固定，最大限度降低了對昂貴的固定零部件工裝工具的需求，進而簡化了複合材料產品的製造過程，降低了人工成本和產品生產周期。斯普利特公司在V-280首次展出的原型機機身上就採用了該技術，其建造成本僅為2000美元左右。此外，整個機身中只使用了三個金屬墊片，在其他金屬框架結構外均貼合了複合材料，這使得整個機身近乎為全複合材料。機身其他的大型部件採用自動鋪絲系統（AFP）製造，進一步滿足了經濟可承受性的要求。

圖4V-280「英勇」機身完成生產（美國勢必銳航空系統公司圖片）

2015年10月，斯普利特公司宣布首架V-280驗證機機身生產工作完成，機身從設計到完成生產僅僅耗時22個月。2016年5月，貝爾直升機公司成功完成V-280的複合材料機翼、短艙與機身的對接。

圖5V-280「英勇」採用V型尾翼設計（英國GKN航宇公司圖片）

除了機翼和機身，V-280的尾翼也廣泛採用了先進複合材料。英國的GKN航宇公司為其設計生產了由金屬和複合材料共同構成的V型尾翼結構和方向舵，它們可為機身提供優異的機動性和可操控性。公司生產的第一架V型尾翼也於2016年初與機身對接裝機。

三、集成攻關，多家參與

V-280「英勇」傾轉旋翼機的研發和生產工作共涉及了全球範圍內11家頂尖的航空產品製造商參與其中。除前文中提到過的斯普利特航空系統公司、Eagle Technologies公司以及GKN航宇公司外，分包商還包括負責座艙、航電、分散式孔徑系統和成套任務設備設計的洛·馬公司，負責開發飛控系統的穆格公司、負責建模模擬與訓練系統的TRU公司，負責提供發動機的GE公司，負責設計配電系統的Astronics高級電子系統公司，負責飛機彈射軸承設計的LORD公司，負責提供燃料系統的梅吉特公司以及負責液壓和發電系統的伊頓公司等。

圖6V-280「英勇」的總承包商貝爾直升機公司及其部分分包商合作夥伴（美國貝爾直升機公司圖片）

除了上述這些主要分包商外，還有很多企業成為V-280的複合材料部件製造商和供應商。

來自美國的AGC複合材料公司為該機生產配套了機翼複合材料整流罩。AGC公司的總裁兼首席執行官里克·阿姆斯特朗表示，整流罩的研發和生產是AGC公司與美國工廠之間的一次成功合作。這次合作主要指曾經是Unitech複合材料公司（2007年被AGC收購）的愛達荷州海頓工廠與位於俄克拉荷馬城的AGC航宇公司總部的合作。

以色列航空航天工業公司（IAI）提供了複合材料發動機短艙和內艙座椅，其中發動機短艙的生產製造面臨巨大的挑戰——由於V-280設計的更改，發動機短艙是最晚完成設計定型的，卻需要最早完成生產製造。最終IAI公司採用了先進的自動化製造技術，不僅克服了設計挑戰，同時顯著降低了成本。由IAI提供的先進內艙座椅採用先進複合材料製成，不僅堅固耐撞，還兼具先進的功能性，可為士兵無線電接收機進行無線充電。

由於大量的使用了複合材料，貝爾公司於2015年9月與東麗美國分公司簽署了合作協議，為貝爾直升機項目提供先進的碳纖維預浸料。儘管這些材料最初將用于貝爾525「無情」超中型直升機項目，但隨著時間的推進，預計V-280「英勇」傾轉旋翼機項目也將大量使用東麗公司提供的預浸料。

四、「魚鷹」不死，「英勇」可期

在多災多難的F-35戰鬥機之前，V-22「魚鷹」是美國軍機歷史上最受詬病的飛機。該項目不僅研發嚴重拖延，成本大大超支，在試飛和使用中還不斷被曝出各種機毀人亡事故和技術問題。美國前國防部長切尼曾下令停止研發「魚鷹」，但被美國國會強令恢復研發生產，這才使得項目保留下來。傾轉旋翼機具有常規直升機難以比擬的高速和航程優勢，以及其在戰場上表現出的持續遠程投放能力，是美軍不願意放棄它的主要原因。

在總結了V-22「魚鷹」的問題和經驗後，採用第三代傾轉旋翼技術的V-280「英勇」橫空出世，它不僅具備出色的遠程機動能力，而且得益於先進航空材料和製造技術的發展，還具有低成本、高維護性和高可靠性，能夠為採辦、作戰、保障等提供最好的解決方案，可執行當今旋翼飛機無法完成的大量垂直空運任務。

圖7武裝型V-280擁有機腹彈艙（美國貝爾直升機公司圖片）

隨著驗證機完成100%的裝機工作，V-280「英勇」的首飛工作也將在未來幾個月內展開。按照美國軍方的計劃，該機將在2030年左右替換西科斯基公司的UH-60「黑鷹」系列直升機。未來，通過設計改型，該機還有可能還可以衍生髮展為武裝傾轉旋翼機，用以替換波音公司的AH-64E「阿帕奇」武裝直升機。貝爾公司預計，V-280的市場前景高達1000億美元。

陳濟桁先生此前曾為《空天防務觀察》提供1篇專欄文章：「日本東麗公司推出新一代碳纖維預浸料產品，拉伸強度和抗衝擊性能又提升30%」（2017年6月2日），感興趣的讀者可點擊題名直接訪問。

（中國航空工業發展研究中心陳濟桁）

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