保守与激进的对决,详解美国陆军新一代武装侦察直升机FARA

  未来攻击侦察机(FARA)项目是美国陆军未来垂直升降(FVL)项目的一部分,旨在设计、生产和测试用于取代已退役贝尔OH-58D“奇奥瓦武士”的轻型攻击、观察和侦察直升机竞争原型机。该项目由美国陆军未来司令部及其下属的作战能力发展司令部(CCDC)负责实施。

  1985年开始服役的OH-58D“奇奥瓦武士”是美国陆军装备的一种与AH-64“阿帕奇”武装直升机配套的轻型侦察直升机,负责为后者定位和识别敌军并提供目标信息。由于OH-58D出身于贝尔206A民用直升机,单发设计和轻装甲导致战场生存力不足,因此美国陆军很早以前就开始规划该机的后继机了。

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OH-58D

  美国陆军在新型武装侦察直升机上的首次努力就是大名鼎鼎的RAH-66“科曼奇”隐身武装直升机。RAH-66项目正式启动于1991年,是航空史上第一种专门研制的隐身直升机,比抓捕本拉登所用的隐身“黑鹰”直升机早了许多年。美国陆军计划采购约1300架RAH-66来彻底取代OH-58D,大幅提高武装侦察任务的隐蔽性和效率,以及直升机自身的生存能力,首架RAH-66将在2004年开始服役。但计划赶不上变化,由于项目管理不善外加军方多变的指标,RAH-66项目出现严重超支和拖延,单机成本直线上升,最后在消耗了80亿美元后被美国国会勒令终止。西科斯基公司在RAH-66上积累的隐身设计经验最后被用在了隐身“黑鹰”直升机上。

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RAH-66

  美国陆军在取代OH-58D上的第二次努力发生在2004年,随着“奇奥瓦武士”因参加伊拉克战争而消耗大量机身寿命,退役速度远超预期,美国陆军紧急启动了武装侦察直升机(ARH)项目,寻找一种基于现成商用直升机的低成本侦察直升机作为后继机。贝尔提出的基于贝尔407民用直升机的ARH-70“阿拉帕霍”方案在竞争中击败了波音基于OH-6的AH-6M,获得研发合同。但谁知基于成熟设计的低成本ARH-70在研发中也翻了车,最后单价上涨到1450万美元,比原计划的850万美元足足多出70%,导致该机在2008年被取消。

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ARH-70

  就这样先后折腾十多年之后,OH-58D的后继机仍无着落。

FARA到底什么鬼?

  随着OH-58D的继续老化,美国陆军曾试图将剩余OH-58D升级成OH-58F服役到2036年,但该项目最终同样无疾而终。所有“奇奥瓦武士”在后继无机的情况下于2016年退役,从此陆航部队的武装侦察直升机编制成为历史。

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OH-58F

  美国陆军改用AH-64E“阿帕奇”武装直升机和MQ-1C“灰鹰”无人机编队,由直升机控制无人机前出来执行武装侦察任务(“灰鹰”可挂载4枚“地狱火”导弹),但这种有人/无人搭配的效果始终及不上专用有人驾驶武装侦察直升机。这使得美国陆军原本在OH-58D后继机问题上心如死灰的心情再次活泛起来,开始了第四次努力,也就是未来武装侦察机(FARA)计划。

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AH-64E与MQ-1C

  FARA全名未来武装侦察机(Future Attack Reconnaissance Aircraft),是美国陆军未来司令部未来垂直升力(FVL)项目的重要组成部分。FRAR这个名称上最明显的变化就是新机不再被称为直升机(Helicopter),而是飞机(Aircraft),代表着美国陆军希望该机是一种高速旋翼机。

  美国陆军要求FARA体形小巧,旋翼直径不超过12米,能高速飞行(速度至少要达到333~380公里/小时),并指定安装通用动力XM915 20毫米机炮和单台通用电气的T901-900涡轴发动机(3000轴马力),后者是陆军改进型涡轮发动机项目(ITEP)的获胜者。

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XM915是RAH-66 XM301机炮的进一步改进型

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T901与T700的尺寸对比

  此外陆军还要求FARA作战半径为250公里并能全程高速飞到250公里之外的目标区域,战场续航时间90分钟,35摄氏度气温下无地效悬停高度1220米,有人/无人驾驶可选(乘员可以是1人也可以是2人),该机可挂载两枚“地狱火”反坦克导弹或火箭巢,具有很强的突防能力,航电和任务系统采用现代开放系统架构(MOSA)以方便日后升级。在RAH-66“科曼奇”项目失败后,美国陆军似乎已经放弃了对隐身武装侦察直升机的追求,ARH-70和FARA都不做隐身要求。至于成本,美国陆军希望该机不要超过AH-64E“阿帕奇卫士”的3000万美元。

  FARA项目的方案征求书在2018年6月22日发布,总共有8家公司做出回应。去年4月,美国陆军从中选出了五家公司的方案进入下一轮筛选,分别是AVX飞机公司、贝尔、波音、卡瑞姆飞机公司、西科斯基。最后胜出的两家公司将在2020年开始设计,原型机计划于2023年首飞。

  美国陆军正在加快FARA项目的进度,目标是到2028年将新机投入服役。除作为武装侦察直升机使用外,该机还将取代近一半的AH-64“阿帕奇”。FARA又是一个类似F-35的“赢家通吃”项目,自然成为美国各大直升机制造商眼中的肥肉,纷纷各显神通提出了自己的独特方案。

飞翔的五菱之光

  由AVX公司和L3技术公司合作推出的复合共轴直升机(CCH)在2019年4月首次亮相。该机设计颇具俄风,安装有类似卡莫夫直升机的共轴双旋翼,机身也方方正正,远看就像一辆面包车,因此被戏称为“飞翔的五菱之光”。

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CCH早期概念

  根据AVX的说法,共轴双旋翼使CCH在直升机模式飞行时具有较少动力需求,悬停能耗将降低15-20%,巡航能耗降低10%,该机最大速度能达到426公里/小时,远超美国陆军要求。为了比曼人们担心该机出现困扰卡莫夫直升机的上下旋翼打架问题,AVX称CCH上下旋翼之间有50%的间隙余量,永远无法出现在极限过载飞行中旋翼打架的事情。CCH15%风洞模型已经通过风洞测试,表明能轻松达到370公里/小时的速度。

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CCH全尺寸模型

  为了实现高速飞行,CCH在后机身两侧安装有两具AVX公司特有的涵道风扇,提供额外前进/后退推力以及用于偏航控制的不对称推力,提高了直升机的速度和高速敏捷性。与开放式推进螺旋桨相比,涵道风扇也更加安静。

  CCH为了实现光滑机身外形,采用可收放前三点式起落架系统。AVX表示与传统直升机相比,涵道风扇与共轴旋翼相结合使CCH在悬停性能、航程、速度、空气动力学和燃油效率上都有明显优势。该机的机翼和旋翼都能够折叠,可轻松被C-17运输或者装进“伯克”级驱逐舰的直升机机库,因为美国海军对FARA计划也表现出了极大兴趣。概念图还显示该机在机腹安装了定向红外干扰转塔,通过向来袭红外制导防空导弹发射激光脉冲致盲其引导头,从而失去锁定。

  虽然CCH在机身两侧安装了大翼展上单翼,却不是用来挂载武器的,而是能在巡航中产生50%升力为旋翼卸载,从而增加直升机的航程、速度和有效载荷。该机座舱后方安装有一个模块化内部弹舱,可容纳8枚“地狱火”或者JAGM联合空地导弹,下方的武器短翼可折叠收入机身。根据美国陆军规定,该机在机身内部安装一台3000马力的通用电气T901涡轴发动机,发动机两个小尺寸进气口位于旋翼桅杆整流罩两侧,排气口在尾梁正上方,全机未见任何雷达和红外隐身处理。

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CCH巡航姿态

  CCH其他设计特点包括电传飞控、基于现代开放系统架构(MOSA)的数字骨干网络和航电系统,下颚安装一座20毫米机炮炮塔,光电转塔位于机鼻上方,内置光电和红外传感器以及激光指示器。该机的弹舱可作为载员舱,最多容纳14名士兵,机尾甚至还有坡道舱门,载员舱也可安装辅助油箱以提高作战半径。该机的飞行员和副驾驶将并排坐在驾驶舱内,根据美国陆军的要求可选单人驾驶,此时通过飞控的“数字副驾驶”来降低飞行员工作负担和精神压力,提高操作效率和飞行安全性。

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CCH的载员舱

贝尔“360不屈”

  贝尔与柯林斯航宇合作,在2019年10月公开了其“360不屈”(360 Invictus)方案,该机关键系统都来自贝尔525中型双发民用直升机,属于传统直升机设计。贝尔表示“360不屈”完全可以满足FARA 333公里/小时的速度门槛,与竞争对手更复杂的复合直升机设计相比成本和研制风险都更低。

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“360不屈”颇有RAH-66遗风

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贝尔525

  这架6.3吨武装侦察直升机具有串列双座座舱、菱形机身截面、旋翼头整流罩、可收放起落架、斜置涵道尾桨、机身两侧弹舱设计,颇有当年RAH-66“科曼奇”的遗风,说明该机在设计比较重视降低雷达截面积。和CCH一样,“360不屈”也安装一台通用电气T901涡轴发动机,发动机被安装机身左侧,进气口在左侧,排气口在右侧,以此来大幅降低降低红外特征。斜置涵道尾桨在提供反扭力矩的同时也能产生向下升力,有助于降低尾桨能耗。

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“360不屈”四面图,旋翼水平斜置用意不明

  “360不屈”同样在机身两侧安装有大翼展短翼,在巡航速度下可提供50%升力,贝尔称这是“无需复杂驱动解决方案即可获得最佳推进能力”的设计,短翼也能用于挂载额外武器。

  从概念图看,除机身两侧弹舱内的4枚“地狱火”导弹外,“360不屈”的武器还有机鼻下方的20毫米加特林机炮。该机主旋翼在设计上与525直升机的有许多共同点,但叶片数量为四片而不是五片。旋翼为传统铰接式设计,短翼的存在能使旋翼在巡航中以较低转速旋转,有助于缓解后退桨叶的高速失速的问题。

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“360不屈”全尺寸模型

  该机飞控系统将基于525的先进线传操纵系统,能大幅降低飞行员工作量并具有自动无人驾驶功能。航电设备均基于柯林斯开放架构概念,易于升级软件和增加硬件。飞控系统具有一个独特的低阻模式,能自动在巡航中将直升机配平到阻力最小的姿态。

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“360不屈”的先进座舱概念

  贝尔透露“360不屈”的最大速度超过343公里/小时,35摄氏度高温下地效最大悬停高度1220米,载弹635千克时能在250公里外的目标区域作战90分钟以上。该机还将配备一台普惠PW207D1涡轴发动机作为辅助动力装置,可在地面维护和例行系统检测中提供电力,也可在盘旋或高速巡航时增加额外马力,所以“360不屈”可被视为一种双发直升机。PW207D1安装在机身右侧,排气从右侧的发动机红外抑制尾喷管排出。

卡瑞姆AR40

  卡瑞姆(Karem)飞机公司在2019年10月推出了AR40复合直升机概念。与激进的共轴双刚性旋翼+尾部推进螺旋桨的“袭击者X”以及保守的传统直升机设计贝尔“360不屈”相比,AR40就像两者的混血,在低速下以传统直升机模式飞行,在高速下以复合直升机模式飞行,实现这点全靠该机的摆动尾桨。

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AR40

  上世纪60年代,西科斯基公司在一架为S-61A直升机上测试了这种所谓的摆动尾桨,能在三秒内完成90度旋转,既能在低速下作为抗扭尾桨使用,又能在高速下作为推进螺旋桨使用,此时随着飞行速度的提高,旋翼扭矩已经能被垂尾产生的偏航力矩完全抵消。

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西科斯基的摆动尾桨

  除了神奇的摆动尾桨之外,AR40还有两个颇为有趣的设计。第一个就是所谓的“速度优化旋翼”,这幅三叶刚性旋翼直径11米,能根据垂直起降和水平飞行工况主动调整旋翼转速,保持旋翼叶片始终处于最佳负载状态,在最大程度上提高推进效率的同时降低振动。该旋翼系统没有采用传统直升机的总距和周期变距控制系统,能对每一个叶片的桨距进行微调,进一步优化旋翼气动性能。

  第二个就是翼展为12.2米的大机翼了,该机翼能在水平飞行提供大部分升力,为旋翼大幅卸载,外翼段还能在上升和下降过程中倾转到垂直状态,降低对旋翼下洗气流的干扰。

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AR40技术含量颇高,研制风险也很大

  AR40采用并列双座座舱设计,机身中部安装一台军方指定的通用电气T901涡轴发动机,进气口位于机背,排气口埋入尾梁上方。卡瑞姆公司称AR40的最大速度约为407公里/小时,远超军方规定的333公里/小时底线。令人意外的是该机驾驶舱之后还设置有一个小客舱,可容纳四名乘客,用于运输特种作战部队执行潜入任务,之后是内部弹舱。由于机翼倾转设计,AR-40的所有武器都内置于弹舱,没有翼下挂架。

  卡瑞姆公司是名不见经传的新丁,根本没有研制过有人驾驶飞行器,AR40是该公司与诺斯罗普·格鲁曼公司和雷神公司组队设计的,卡瑞姆提出核心的旋翼和驱动技术,诺斯罗普提供生产和产品支持以及航空电子专业知识,雷神则负责任务系统集成和设计模块化开放系统架构。

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尾桨摆动机构有些类似F-35B的尾喷管

西科斯基“袭击者X”

  西科斯基在2019年10月公布了自己的“袭击者X”(Raider X)方案,该机是一种高速复合直升机,可被视为西科斯基S-97“袭击者”验证机的生产型。S-97目前正在进行包线扩展试飞,已经显示出X2复合直升机技术在提高直升机飞行速度和机动性上的巨大潜力。

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袭击者X

  根据S-97“袭击者”的试飞结果,“袭击者X”的最大速度有望超过463公里/小时,而不是“360不屈”刚刚触碰及格线的333公里/小时。此外该机的升限也将超过2700米,低速和高速机动的压坡角度超过60度,将具有大幅优于传统直升机的飞行性能。

  “袭击者X”延续了S-97的基本气动布局,具有共轴反转刚性旋翼和尾部推进螺旋桨,双旋翼消除了单旋翼直升机高速飞行的后退桨叶失速现象,所以能在尾部螺旋桨的推进下达到更高速度。

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S-97的共轴反转刚性旋翼和尾部推进螺旋桨

  “袭击者X”和“360不屈”一样也纳入众多雷达和红外隐身改进以增强其战场生存能力,该机机身表面平滑,没有突出的传感器和武器短翼,天线也都为保形设计,机身两侧棱线能起到降低雷达截面积的作用。“袭击者X”机鼻的20毫米机炮炮塔甚至被设计为在不使用时向后旋转180度隐藏炮管,其旋翼头也被保形整流罩包裹,下方V形进气口为深埋的涡轴发动机提供进气。

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“袭击者X”正面轮廓

  “袭击者X”在机身中部安装一台T901涡轴发动机,发动机排气也经过精心设计,狭长排气管被隐藏在后机身左侧棱线内,利用旋翼下洗气流加速热废气与冷空气的掺混,以此来迅速降低排气温度,降低红外辐射。这种设计最初被使用在西科斯基的RAH-66“科曼奇”隐身武直上。

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“袭击者X”模型

  “袭击者X”与S-97相比重了约20%,起飞重量达6.35吨,旋翼直径不超过12.19米以满足美国陆军提出的城市战中在建筑物之间穿行的要求,正是该要求导致贝尔放弃了倾转旋翼机方案。“袭击者X”的并列双座驾驶舱之后有一个大型内部武器舱,可容纳导弹和无人机,所以无需外置武器短翼。

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弹舱门也兼做武器挂架

  电传飞控系统和刚性共轴主旋翼使“袭击者X”在低速时具有更高敏捷性,有助于该机在森林和城市等狭窄环境中的作战。这套系统能使“袭击者X”的转弯半径降低为传统直升机的一半,尾部螺旋桨可通过逆桨产生反向拉力减速,使该机具有独特的俯冲能力。此外尾桨也能使“袭击者X”在水平飞行中迅速加速或者减速,由于不必改变姿态可使武器始终对准目标,所以“袭击者X”的操纵特点更接近固定翼。

波音FARA

  2020年3月3日波音最后一个公布了其FARA的真面目。波音FARA方案是一种典型的复合直升机,具有六叶“高强度”旋翼、倾斜四叶尾桨以及尾部4叶推进螺旋桨,总体设计与波音此前研究的“高速阿帕奇”方案一致,只是将尾桨从平尾移到倾斜垂尾顶部,以降低起降时尾桨击打异物的概率。和其他竞争方案一样,波音FARA也将安装一台通用电气T901涡轴发动机,进气口位于机身右侧。这种发动机是美国陆军改进涡轮发动机计划(ITEP)的获胜者,除装备FARA之外还将被用于AH-64和UH-60的升级。

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波音FARA

  总体上看,波音FARA采用了经过洛克希德AH-56“夏延”和波音“高速阿帕奇”研究验证的复合直升机布局,具有独立推进螺旋桨和尾桨。与其他公司的复合直升机设计相比,波音FARA虽然看似累赘,却可能具有更简单的机械结构以及更好的可靠性,在高速潜力上也优于贝尔方案。

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  通过尾部推进螺旋桨,波音FARA将能满足美国陆军的速度要求。波音表示自己的方案在结构上与传统直升机差不多,只是在传动系统中增加了一个用于驱动尾部螺旋桨的离合器。波音新闻稿表示该机有一个最新的模块化串列座舱,将配备重新配置的大面积显示器并具有自主飞行功能,该机还将采用电传飞控系统。

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波音高速“阿帕奇”的复合推进设计

  波音FARA同样没有大翼展卸载短翼,可能是因为短翼在低速飞行和悬停时会对旋翼下洗气流产生干扰,不利于机动,这可能是波音FARA采用6叶旋翼的用意,因为增加旋翼叶片数量能在不增加桨盘面积的情况下增加升力。

  在波音发布的概念图中,FARA在机鼻安装有光电转塔,下颚安装有20毫米加特林机炮炮塔,机身中部有内置弹舱,至少可容纳4枚“地狱火”反坦克导弹,导弹滑轨被安装在弹舱舱门内侧。由于波音曾在上世纪90年代参与了西科斯基的RAH-66“科曼奇”隐身武装侦察直升机的研制,因此FARA借鉴了前者的一些隐身设计,如内置弹舱和倾斜垂尾。

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波音FARA的弹舱设计与RAH-66接近

  该机的河豚外形和座舱设计则可能来自麦道公司在80年代与贝尔合作的实验性轻型直升机(LHX)方案(最后输给了RAH-66)。波音在1997年收购了麦道,获得其包括AH-64在内的大笔军用直升机遗产。

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麦道LHX

保守与激进的对决

  3月35日美国陆军倍受注目的未来武装侦察直升机项目(FARA)第一阶段竞标终于水落石出,贝尔“360不屈”(360 Invictus)和西科斯基“袭击者X”(Raider X)进入最终的原型机对比竞争,而波音刚在3月初公布的高速复合直升机FARA方案黯然落选,颗粒无收。

  贝尔和西科斯基两个死对头进入最后角逐背后的逻辑很简单,除两家公司在直升机研制上积累的数十年丰富经验之外,还有一个原因就是两家公司的设计在竞争者处于两个极端,“360不屈”主打低成本低风险,是最保守的设计,“袭击者X”的卖点则是黑科技高性能,是最激进的设计。

  对于美国陆军来说,无论是“360不屈”还是“袭击者X”在性能都足以满足要求,最终选择哪种将取决于成本和性能之间的衡量。纵观历史招标,往往都是保守便宜的那个笑到了最后。

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