【天降神兵】解析下一代旋翼机的奥秘

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自从二次世界大战末期,第一架美国塞考斯基(Sikorsky)R-4型直升机正式批量生产、服役军中后,直升机的垂直升降、迅速到达的特性,就成为战场上不可或缺的“计程车”。韩战时代,大量服役的R-4型直升机,担负了运输、搜救等任务。

越战使用UH-1通用直升机的经验,是让直升机跃升为战场主角地位的关键时刻。(维基百科公有领域)

越战时代,更加实用化的美国贝尔(Bell)飞机公司的UH-1系列直升机,更衍生了“空中游骑兵”的角色,不仅负担运输、搜救等传统任务,更因为直升机研发技术的演进,衍生了对地密接支援(CAS)、反坦克、直升机空战…等新战术,直到冷战末期,美苏两大阵营针对直升机的研发,更是达到史上巅峰。双方都预计将在欧陆战场上,上演现代化的直升机对直升机大战,可惜此景况并未发生。

类似AH-64阿帕契攻击直升机的设计,虽然至今依旧维持在世界顶尖水准,其设计思考却是冷战时代的水准,已经渐渐不符合未来多变的战场推想。(陈宗逸/多维新闻)

欧美制的直升机,一向较俄系直升机来得稳定,不管是空力设计、发动机稳定度等,都较俄系直升机获得市场喜爱。而俄系直升机虽然粗旷、简易,但是有许多大胆的先进设计,是欧美直升机设计无法进入的领域。例如纵列反转双旋翼机构、全球载重量最大的直升机(Mi-26)都由俄系直升机拿下首创,而这些创意今日都被欧美先进国家的下一代直升机的设计所采用,反转双旋翼机构,很可能是2030年以后,精锐先进直升机的面貌之一。

前苏联卡莫夫直升机设计局推出的纵列反转旋翼设计直升机,一直有其独特的飞行特性。此种衍生出的Ka-50/52型攻击直升机,是前苏联推出、要与美制AH-64攻击直升机进行“直升机空战”的杰出设计,但是在冷战后英雄无用武之地。(维基百科公有领域)

提到纵列反转双旋翼直升机,许多人都可以想到俄罗斯的卡尔莫夫设计局(Karmov)所设计的一系列Ka系列直升机,拥有优越的设计特性与任务弹性,尤其是起重任务需要庞大的升力,纵列反转双旋翼设计正当其实。而美国三军目前正在推动下一代的“未来垂直举升体”(Future Vertical Lift, FVL)计画,纵列反转双旋翼的设计不但没有退出历史潮流,反而得到更加优化的改良,将可能改变直升机的设计历史。

从2004年开始,美国历经了后冷战时代的反恐战争与低度冲突环境等军事挑战,以往为了美苏冷战所设计的主力直升机,例如UH-60黑鹰、AH-64阿帕契、CH-47契努甘和OH-58奇欧瓦等主力直升机的设计,已经明显不符合美军21世纪的战术需求,故从美国陆军开始,先由“联合多目的”(JMR)直升机计画,一路演化为美国三军通用的FVL计画,如果计画成真,将会一举将这些冷战后期所设计的直升机系列,一举汰换掉,用最新的发动机技术、人工智慧、匿踪设计和战场感知能力,加上极高的飞行速度,一举改变直升机的面貌。

FVL计画的概念,是创造一种的旋翼机载台,这个载台易于维护、操作、成本低廉,使用新技术、新式复合材料,由一个载台发展程运输用、侦搜用、攻击用、反潜用等不同用途的模组化组合型直升机载台。这个载台的出现,将解决未来50年的直升机设计困境,并且替换掉美军目前服役机种庞杂的所有直升机体系。

共用平台的经验,是由美国海军陆战队使用AH-1Z眼镜蛇王(King Cobra)攻击直升机和UH-1Y维农(Vernon)通用直升机的经验所得来。此二种由贝尔公司打造的陆战队现役机种,使用同样的发动机、操控系统、旋翼结构等,统一了后勤体系,且使用效率相当不错,这种通用部份结构以减轻后勤负担的概念,未来将扩大到下一代的直升机设计中。

美国海军陆战队现役的AH-1Z攻击直升机和UH-1Y通用直升机,由于共用发动机、旋翼、操控系统等,操作成本低廉且效率高,是美军考虑未来直升机设计的灵感来源。(U.S.M.C.)

这个计画将有起码数个版本的垂直举升体机种,使用同样载台:取代OH-58D侦搜直升机的FARA未来攻击侦搜机计画;同时取代AH-64阿帕契攻击直升机以及UH-60通用直升机体系的FLRAA未来远程攻击机计画;一个还未成熟、用来取代年高德劭的CH-47族系的载重机计画(约在2060年完成);一个还在概念研究的重型载重举升体计画,预计取代C-130等传统战术运输机的野心计画,将在2025年才揭晓。

V-280倾斜旋翼实验机,不论是首飞、破直升机空速纪录的剎那,都是全球航空科技界的焦点,象征美制直升机科技独步全球的优势。(Bell)

这个载台,目前共有二种成熟的技术在竞争。由贝尔公司和波音公司(Boeing)领军的V-280勇气(Valor)实验机为基本载台,是使用已经成熟的鱼鹰(Osprey)倾斜旋翼的设计,来达到高速、机体弹性大的目标。由于美军使用鱼鹰机的服役状况良好,日本、韩国、以色列、澳大利亚甚至印尼等国也都计画陆续采购,由于此种设计较稳定,不具设计上过于前卫的风险,好评较多。

V-22鱼鹰倾斜旋翼机在服役初期虽然多灾多难,但是随着时间不断考验,服役效率越来越稳定,目前是一种相当畅销的先进直升旋翼机设计,获得多国采购使用。图中为日本陆上自卫队水陆机动团将使用的MV-22,目前正在交机中。(防卫省陆上自卫队)

另一种设计为塞考斯基公司和洛马公司(Lockheed Martin)领军的SB-1突袭者(Raider)实验机为基本载台,使用塞考斯基借鉴俄罗斯卡莫夫设计局的纵列反转双旋翼设计,使用全新设计的旋翼机构,加上机尾的加速旋翼,总共三个旋翼运作,来达到高速、匿踪的设计。此设计实验性较浓厚,且速度不及倾斜旋翼机来得有效率,设计概念上的局限,要靠特殊的机体材料、更具效率的新发动机才能达到。

塞考斯基飞机公司与洛马公司合作,推出实验性质浓厚的SB-1突袭者垂直举升载台,采用纵列反转旋翼设计,加上尾部加速旋翼,此种设计在高速飞行效率上,目前比不过倾斜旋翼机。(Lockheed Martin)

这二个原始概念,在美国二大军火集团的竞争下,将改变未来直升机的面貌。二种新垂直机体还在竞争中,要到2025年左右才有明朗的结果。

美军或许仅采用一种机体,或者同时视任务的不同,使用二种机体,也有可能。二个集团都想要在21世纪后半叶,吃下新世代直升机科技的所有大饼,但是在国防预算紧缩、战略环境不断激烈改变以及战术角色的不断调整更新,目前要定义何种设计更适合美国三军的任务属性,尚属太早。

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此外,由于人工智慧的高速发展,不论何种未来垂直举升载具(Vertical Lifter)的设计,都必须融入无人机的特性。同一架未来直升机,都必须可以在短时间内更换操作模组,有人驾驶或无人驾驶都可任君挑选,视任务特性轻易转换,这是未来的新趋势。此外,匿踪设计已经是不可回避的机体特性,越来越强的线传飞控软体能力,将可以更加轻易操控具备不稳定机身的匿踪机体飞行状态。

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