五家竞争者中最迟的一位,波音公司的侦察直升机方案有何竞争力?

千呼万唤始出来——波音公司的Boeing FARA概念方案

近日,波音公司终于放出了其一直“犹抱琵琶半遮面”的“未来武装侦察直升机”(FARA;Future Attack Reconnaissance Aircraft)方案,其命名方式非常的简单粗暴,就是直接用美国陆军的项目代号冠名,所以直接叫做“Boeing FARA”。至此,所有参与美国陆军FARA项目竞标的五家承包商都放出了各自的方案概念,相比之下,其他四家承包商都早已经放出了各自的构型方案,波音公司的“Boeing FARA”可谓是姗姗来迟。而美国陆军也在去年就已经表示要在本年度上半年五选二,所以目前该项目的竞争可谓是进入了白热化阶段。

五家竞争者中最迟的一位,波音公司的侦察直升机方案有何竞争力?

△波音公司的Boeing FARA概念设计方案

从构型上来说,波音公司的“Boeing FARA”也是采用了复合式构型设计方案,但是与最常见的复合式直升机不同,该机只是一种单纯的“推力复合式直升机”(Thrust Compound Helicopter),换句话来说,该机仅仅只有加装了辅助推力装置,而没有加装辅助升力装置等复合部件。所以,从总体构型上来说,Boeing FARA是一架“单旋翼带尾桨+尾部推进螺旋桨”的复合式直升机,从构型上也不难看出波音公司的设计用意——在成熟的直升机构型基础上稍作改动,从而来实现在创新性、可靠性、经济型和风险程度之间取得某种平衡。

各竞所长——FARA项目目前的竞争格局

“未来攻击侦察直升机”FARA项目是一场充满竞争特色的“游戏”,所以在评价Boeing FARA方案好坏之前,先来看一看美国陆军对于该项目成果的期望以及其他几家承包商的方案很有必要。

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△在FARA项目之前,美国陆军的主力轻型侦察直升机就是OH-58D基奥瓦勇士

总的来说,美国陆军目前对FARA项目的细节指标要求公开的并不算太多,从现有的材料中大概能看出FARA飞行器的一些基本的门槛要求和雏形,其中最为关键的几个要求如下所述:

①从武器装备方面来说,FARA飞行器要能够装备一门特制的专用20毫米机炮、一台专用的导弹发射器(这些很有可能在飞行器方案初步敲定之后,再由武器系统承包商竞标择优);

②在动力系统方面,FARA飞行器拟采用改进的通用电气GE-T901型涡轴发动机,所以现阶段各家承包商的设计方案都必须围绕这一型号的发动机展开;

③除此之外,美国陆军还要求该型直升机的旋翼直径最大不可超过40英尺(大约12米),以便于该飞行器能够进入高楼林立的城市街道执行任务,并能够隐藏在尺寸较小的障碍物之后进行侦察,如果关注过黑鹰直升机诞生之路的读者朋友肯定注意到——黑鹰直升机的很多设计考量和取舍其关键决定因素就是美国陆军的尺寸要求——所以说,这个尺寸要求虽然看起来不是什么重要指标,但对于飞行器的总体设计来说还是相当关键的;

④最后,也许是最关键的就是美国陆军队FARA飞行器的速度也提出了指标要求——该机的速度至少需要达到205节(大约时速380公里)。很显然,这一指标要求的提出,基本上就把所有常规构型的直升机全部排除掉了,这也是目前五家参与竞标的承包商无一例外都采用了复合式直升机构型的本质原因。

在了解了美国陆军对于FARA项目的要求之后,让我们再来看看除了波音公司之外的四家承包商各自的方案及其简单介绍:

①西科斯基公司方案:“Raider X”前行桨叶概念(ABC;Advanced Blade Concept)共轴刚性双旋翼+尾部推进螺旋桨复合式直升机。这个名字挺长的,其中最为关键的就是号称“前行桨叶概念旋翼”的技术,简称“ABC旋翼”,这是西科斯基从上世纪六十年代末就开始攻坚的先进旋翼技术,其本质就是采用一种共轴刚性旋翼设计——也就是两副刚性旋翼共轴反转,然后上下旋翼的前行侧恰好对称分布,这样一来,整套旋翼系统就不需要担心常规或者共轴旋翼上所存在“前行侧和后行侧升力平衡问题”。

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△西科斯基公司的Raider X攻击侦察直升机概念

我这里简单解释下这个问题,常规单旋翼直升机在高速前飞的时候,由于旋翼后行侧反流区逐渐扩大,会存在愈发显著的失速问题,这也就意味着,后行侧桨叶能提供的升力会减小,很显然,为了确保直升机的平衡,旋翼前行侧的升力也必须要通过操纵减小,这就限制了直升机旋翼所能产生的总的拉力,从而限制了其前飞速度;ABC旋翼由于上下旋翼前行侧分列两侧,所以能够实现相互平衡,因此就不需要再担心前行侧后行侧不平衡的问题,从而能够达到更大的前飞速度。

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△常规旋翼和ABC旋翼前行侧、后行侧升力分布简单示意图

②贝尔公司方案:“Bell 360 Invictus”(简称贝尔360,下同)单旋翼+辅助机翼+涵道尾桨复合式直升机。贝尔在去年十月份公布了这型号称“360 不可战胜的勇士”的新型直升机,该机机身曲线圆润光滑,据说目前前飞速度可以达到180节(还没达到美国陆军的指标要求),总的来看,有点像是一头嘴巴里含着一挺20毫米旋转机炮的牛头鲨,或者说某种科曼奇隐身直升机的衍生型号?

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△贝尔的“360不可战胜的勇士”轻型攻击侦察直升机

贝尔公司其实很早就说过,他们在FARA项目竞标中将会给出的方案会是一种经济型、可靠性和可用性等多个方面优于对手的机型,贝尔360显然就是朝着这个目标去做的,该机的底子就是贝尔成熟的商用直升机贝尔525型直升机,换句话说,贝尔360的旋翼系统、机身结构、传动系统和飞控系统都继承和改进自525。不过贝尔也采用了一些创新,比如说通过涵道尾桨来降低该机的噪音,革新的排气系统来降低红外可探测性,复合加装辅助机翼来提升飞行速度等等,更多相关内容可以从我之前的文章中查阅到,此处不再赘述。

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△贝尔的525型商用直升机,360直升机的很多特征都源自于此

③AVX/L3技术公司合作方案:“CCH”(Coaxial Compound Helicopter;共轴复合式直升机)共轴常规双旋翼+辅助机翼+涵道推进螺旋桨复合式直升机。同样是共轴双旋翼的方案,比起西科斯基的ABC旋翼,AVX公司则采用了常规的共轴旋翼设计,一方面当然是该公司没有西科斯基公司那么多年的技术积累,但从另一方面来说,这种设计的风险也确实小得多。除了旋翼系统之外,该机最显著的特征就是尾部的两副涵道推进螺旋桨。AVX公司在涵道螺旋桨方面投入了较多的研究,并且取得了较好的成果,两副螺旋桨除了承担推进功能之外,还能对该机的操纵性和稳定性起到显著的作用,更多内容同样可以翻阅我之前的文章。

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△AVX公司和L3技术公司合作的CCH直升机方案概念

④Karem公司方案:“Karem AR-40”单旋翼+辅助长机翼+可倾转尾桨的复合式直升机。卡瑞姆公司的FARA概念方案最夺人眼球的要算是该机的较长的辅助机翼了——其翼展和旋翼直径相当,这在复合式直升机中还是很少见的,复合式直升机一般配备的都是短机翼,毕竟长机翼对于直升机的悬停效率来说是有较大影响的,并且也会增大全机的空重比,不过卡瑞姆公司自信通过其改进的复合材料设计,可以将全机的空重比控制在一个较低的水平。

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△卡瑞姆公司的AR-40攻击侦察直升机方案概念

除了长机翼之外,该机的主要特点还有可倾转尾桨设计和采用先进的独立桨叶控制技术的可变转速刚性旋翼系统。这个可倾转尾桨系统不是卡瑞姆公司的独创,至少在上世纪六十年代,西科斯基公司就已经测试过这种尾桨设计。不过他们的旋翼系统设计倒确实值得谈一谈,独立桨叶控制技术现在是西科斯基公司等行业巨头和NASA等大型机构的研究重点之一,也是未来旋翼飞行器发展的关键技术;可变转速旋翼也是高速型复合式直升机的关键技术,西科斯基等公司都申请过相应的专利,不过相比之下,卡瑞姆公司对可变转速的热情似乎更高,因为他家主打的另一个概念就是“转速优化倾转旋翼机”,相比其他公司的“换挡变速”,卡瑞姆公司的目标是做到旋翼系统的“无极变速”,还是颇具挑战性的。

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△卡瑞姆公司的转速优化倾转旋翼机设计概念图

优点很明显,但不算特别亮眼——Boeing FARA优缺点分析

谈论波音公司的Boeing FARA方案的优缺点,同样也要从两个方面来说,一个方面就是从这种构型设计的本身来对其进行评价,另一方面就是和竞争对手进行进行对比分析。

先说说Boeing FARA方案自身的优点:

①该机采用了六桨叶无铰式主旋翼设计,从桨叶数量上来说,应该是有降低振动水平的考虑;从细节图来看,该机的桨尖有尖削、下反和后掠等设计,想必针对飞行性能、噪声水平和前飞速度之间进行过优化设计考量。

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△Boeing FARA直升机的概念渲染图中也没有放过桨尖的设计细节

②该机采用了倾斜尾桨设计,和UH-60黑鹰直升机的倾斜尾桨设计有异曲同工之妙,一方面,尾桨倾斜之后其拉力就会有一个垂直分量,这个垂直分量对于提高该机的重心变化范围、增强操纵性和稳定性都是有利的;除此之外,西科斯基公司在黑鹰直升机设计文档中也提到过,这种倾斜尾桨设计有降噪的考虑,这应当是通过降低气动干扰水平来实现的。

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△Boeing FARA概念视频中能清楚看到其尾部双旋翼设计

③该机还配备了额外的尾部推进螺旋桨,由此,在高速前飞过程中,主旋翼就不再需要提供前进拉力,从而主旋翼拉力可以一定程度实现卸载,从而提升由于主旋翼气动问题而导致的前飞速度的限制。

再说说Boeing FARA方案自身的缺点:

①该机尾部设计了两套小型旋翼系统,这就导致其传动系统和操纵系统更为复杂,动力分配和操纵策略的设计也更为复杂,对该机的电传操纵飞控系统提出了更高的要求,而且尾部旋翼系统之间存在的气动干扰问题是否会导致更多的噪音问题还有待评估,毕竟对于轻型侦察直升机来说,噪音问题很可能成为项目竞争的关键点这一。

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△Boeing FARA的结构设计简单示意图

②该机仅仅只是单旋翼复合辅助推进装置的设计,并没有设计辅助升力装置,波音或者是从重量性能、低速性能、尺寸、可靠性等方面来考虑的,但是这确实会导致该机在飞行速度上相比西科斯基公司、AVX公司和Karem公司的方案并不占优。而从成熟度和经济性方面来说,又未必比贝尔360更强,大概算是个折中方案?

复合式阿帕奇的缩小版——波音这方案的底气何在?

从我上面的优缺点评述来看,虽然说Boeing FARA还是有不少出色的地方,但是其竞争优势也并不明显,那么波音作为五家承包商中最后一家拿出这样一份方案的厂商,其底气到底在哪里呢?

其实这个方案刚出来的时候,不少人都在说是什么AH-56A夏延复合式直升机和RAH-66科曼奇隐身直升机的混血儿,而我认为并不需要想这么远,只要看看波音这几年对下一代阿帕奇武装直升机的探索,就知道他们的底气到底在哪儿了——没错,正是我曾详细介绍过的“复合式阿帕奇”概念。

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△AH-56A夏延直升机的尾部两副旋翼设计

“波音会不会创造一型比如今AH-64E守卫者阿帕奇更强劲好用的武装直升机?”

“当然有,那就是下一代阿帕奇。”

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△复合式阿帕奇直升机缩比模型的风洞试验

关注我文章的读者朋友们肯定是注意过波音公司在这方面的探索的,他们在现有的阿帕奇机身模型的基础上,给该机设计了较大的两侧辅助机翼、加装了尾部推进螺旋桨并设计了全新的刚性旋翼系统,最关键的是,波音公司至少从2016年就开始针对这种构型的复合式阿帕奇进行缩比模型风洞试验,积累了大量的试验数据和分析研究报告,而这些显然都会被应用到Boeing FARA的设计和研制上,所以说,别提什么夏延、科曼奇了,Boeing FARA本质上就是个轻型版本的复合式阿帕奇。这大概就是波音在这个时候提出这种设计的底气吧。

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​△波音公司展出的复合式阿帕奇小尺寸模型


总的来说,现在的竞争局势还不算很明朗,从进度来看,西科斯基公司的Raider X背靠着已经进行过多轮飞行测试的S-97,显然是最快的,此外,该机各方面指标也都很硬,能够完美满足美国陆军的要求,但是毕竟ABC旋翼技术至今都只出现在试验性质的飞行器上,还是存在一定风险的;贝尔公司的方案看起来成熟可靠而且又便宜,但是毕竟飞行速度限制在那里,可以说好坏参半吧;AVX公司和Karem公司的方案仍然都还停留在概念的层次,但是也都有各自的优势;Boeing FARA算是取了个中间值,指标不算太高,但也不是最差,成本和风险都控制在一个适中的范围。接下来,就看美国陆军怎么取舍了,咱们拭目以待。

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