千呼萬喚始出來——波音公司的Boeing FARA概念方案

近日，波音公司終於放出了其一直“猶抱琵琶半遮面”的

△波音公司的Boeing FARA概念設計方案

從構型上來說，波音公司的“Boeing FARA”也是採用了複合式構型設計方案，但是與最常見的複合式直升機不同，該機只是一種單純的“推力複合式直升機”（Thrust Compound Helicopter），換句話來說，該機僅僅只有加裝了輔助推力裝置，而沒有加裝輔助升力裝置等複合部件。所以，從總體構型上來說，Boeing FARA是一架“單旋翼帶尾槳+尾部推進螺旋槳”的複合式直升機，從構型上也不難看出波音公司的設計用意——在成熟的直升機構型基礎上稍作改動，從而來實現在創新性、可靠性、經濟型和風險程度之間取得某種平衡。

各競所長——FARA項目目前的競爭格局

“未來攻擊偵察直升機”FARA項目是一場充滿競爭特色的“遊戲”，所以在評價Boeing FARA方案好壞之前，先來看一看美國陸軍對於該項目成果的期望以及其他幾家承包商的方案很有必要。

△在FARA項目之前，美國陸軍的主力輕型偵察直升機就是OH-58D基奧瓦勇士

總的來說，美國陸軍目前對FARA項目的細節指標要求公開的並不算太多，從現有的材料中大概能看出FARA飛行器的一些基本的門檻要求和雛形，其中最為關鍵的幾個要求如下所述：

①從武器裝備方面來說，FARA飛行器要能夠裝備一門特製的專用20毫米機炮、一臺專用的導彈發射器（這些很有可能在飛行器方案初步敲定之後，再由武器系統承包商競標擇優）；

②在動力系統方面，FARA飛行器擬採用改進的通用電氣GE-T901型渦軸發動機，所以現階段各家承包商的設計方案都必須圍繞這一型號的發動機展開；

③除此之外，美國陸軍還要求該型直升機的旋翼直徑最大不可超過40英尺（大約12米），以便於該飛行器能夠進入高樓林立的城市街道執行任務，並能夠隱藏在尺寸較小的障礙物之後進行偵察，如果關注過黑鷹直升機誕生之路的讀者朋友肯定注意到——黑鷹直升機的很多設計考量和取捨其關鍵決定因素就是美國陸軍的尺寸要求——所以說，這個尺寸要求雖然看起來不是什麼重要指標，但對於飛行器的總體設計來說還是相當關鍵的；

④最後，也許是最關鍵的就是美國陸軍隊FARA飛行器的速度也提出了指標要求——該機的速度至少需要達到205節（大約時速380公里）。很顯然，這一指標要求的提出，基本上就把所有常規構型的直升機全部排除掉了，這也是目前五家參與競標的承包商無一例外都採用了複合式直升機構型的本質原因。

在瞭解了美國陸軍對於FARA項目的要求之後，讓我們再來看看除了波音公司之外的四家承包商各自的方案及其簡單介紹：

①西科斯基公司方案：“Raider X”前行槳葉概念（ABC；Advanced Blade Concept）共軸剛性雙旋翼+尾部推進螺旋槳複合式直升機。這個名字挺長的，其中最為關鍵的就是號稱“前行槳葉概念旋翼”的技術，簡稱“ABC旋翼”，這是西科斯基從上世紀六十年代末就開始攻堅的先進旋翼技術，其本質就是採用一種共軸剛性旋翼設計——也就是兩副剛性旋翼共軸反轉，然後上下旋翼的前行側恰好對稱分佈，這樣一來，整套旋翼系統就不需要擔心常規或者共軸旋翼上所存在“前行側和後行側升力平衡問題”。

△西科斯基公司的Raider X攻擊偵察直升機概念

我這裡簡單解釋下這個問題，常規單旋翼直升機在高速前飛的時候，由於旋翼後行側反流區逐漸擴大，會存在愈發顯著的失速問題，這也就意味著，後行側槳葉能提供的升力會減小，很顯然，為了確保直升機的平衡，旋翼前行側的升力也必須要通過操縱減小，這就限制了直升機旋翼所能產生的總的拉力，從而限制了其前飛速度；ABC旋翼由於上下旋翼前行側分列兩側，所以能夠實現相互平衡，因此就不需要再擔心前行側後行側不平衡的問題，從而能夠達到更大的前飛速度。

△常規旋翼和ABC旋翼前行側、後行側升力分佈簡單示意圖

②貝爾公司方案：“Bell 360 Invictus”（簡稱貝爾360，下同）單旋翼+輔助機翼+涵道尾槳複合式直升機。貝爾在去年十月份公佈了這型號稱“360 不可戰勝的勇士”的新型直升機，該機機身曲線圓潤光滑，據說目前前飛速度可以達到180節（還沒達到美國陸軍的指標要求），總的來看，有點像是一頭嘴巴里含著一挺20毫米旋轉機炮的牛頭鯊，或者說某種科曼奇隱身直升機的衍生型號？

△貝爾的“360不可戰勝的勇士”輕型攻擊偵察直升機

貝爾公司其實很早就說過，他們在FARA項目競標中將會給出的方案會是一種經濟型、可靠性和可用性等多個方面優於對手的機型，貝爾360顯然就是朝著這個目標去做的，該機的底子就是貝爾成熟的商用直升機貝爾525型直升機，換句話說，貝爾360的旋翼系統、機身結構、傳動系統和飛控系統都繼承和改進自525。不過貝爾也採用了一些創新，比如說通過涵道尾槳來降低該機的噪音，革新的排氣系統來降低紅外可探測性，複合加裝輔助機翼來提升飛行速度等等，更多相關內容可以從我之前的文章中查閱到，此處不再贅述。

△貝爾的525型商用直升機，360直升機的很多特徵都源自於此

③AVX/L3技術公司合作方案：“CCH”（Coaxial Compound Helicopter；共軸複合式直升機）共軸常規雙旋翼+輔助機翼+涵道推進螺旋槳複合式直升機。同樣是共軸雙旋翼的方案，比起西科斯基的ABC旋翼，AVX公司則採用了常規的共軸旋翼設計，一方面當然是該公司沒有西科斯基公司那麼多年的技術積累，但從另一方面來說，這種設計的風險也確實小得多。除了旋翼系統之外，該機最顯著的特徵就是尾部的兩副涵道推進螺旋槳。AVX公司在涵道螺旋槳方面投入了較多的研究，並且取得了較好的成果，兩副螺旋槳除了承擔推進功能之外，還能對該機的操縱性和穩定性起到顯著的作用，更多內容同樣可以翻閱我之前的文章。

△AVX公司和L3技術公司合作的CCH直升機方案概念

④Karem公司方案：“Karem AR-40”單旋翼+輔助長機翼+可傾轉尾槳的複合式直升機。卡瑞姆公司的FARA概念方案最奪人眼球的要算是該機的較長的輔助機翼了——其翼展和旋翼直徑相當，這在複合式直升機中還是很少見的，複合式直升機一般配備的都是短機翼，畢竟長機翼對於直升機的懸停效率來說是有較大影響的，並且也會增大全機的空重比，不過卡瑞姆公司自信通過其改進的複合材料設計，可以將全機的空重比控制在一個較低的水平。

△卡瑞姆公司的AR-40攻擊偵察直升機方案概念

除了長機翼之外，該機的主要特點還有可傾轉尾槳設計和採用先進的獨立槳葉控制技術的可變轉速剛性旋翼系統。這個可傾轉尾槳系統不是卡瑞姆公司的獨創，至少在上世紀六十年代，西科斯基公司就已經測試過這種尾槳設計。不過他們的旋翼系統設計倒確實值得談一談，獨立槳葉控制技術現在是西科斯基公司等行業巨頭和NASA等大型機構的研究重點之一，也是未來旋翼飛行器發展的關鍵技術；可變轉速旋翼也是高速型複合式直升機的關鍵技術，西科斯基等公司都申請過相應的專利，不過相比之下，卡瑞姆公司對可變轉速的熱情似乎更高，因為他家主打的另一個概念就是“轉速優化傾轉旋翼機”，相比其他公司的“換擋變速”，卡瑞姆公司的目標是做到旋翼系統的“無極變速”，還是頗具挑戰性的。

△卡瑞姆公司的轉速優化傾轉旋翼機設計概念圖

優點很明顯，但不算特別亮眼——Boeing FARA優缺點分析

談論波音公司的Boeing FARA方案的優缺點，同樣也要從兩個方面來說，一個方面就是從這種構型設計的本身來對其進行評價，另一方面就是和競爭對手進行進行對比分析。

先說說Boeing FARA方案自身的優點：

①該機採用了六槳葉無鉸式主旋翼設計，從槳葉數量上來說，應該是有降低振動水平的考慮；從細節圖來看，該機的槳尖有尖削、下反和後掠等設計，想必針對飛行性能、噪聲水平和前飛速度之間進行過優化設計考量。

△Boeing FARA直升機的概念渲染圖中也沒有放過槳尖的設計細節

②該機採用了傾斜尾槳設計，和UH-60黑鷹直升機的傾斜尾槳設計有異曲同工之妙，一方面，尾槳傾斜之後其拉力就會有一個垂直分量，這個垂直分量對於提高該機的重心變化範圍、增強操縱性和穩定性都是有利的；除此之外，西科斯基公司在黑鷹直升機設計文檔中也提到過，這種傾斜尾槳設計有降噪的考慮，這應當是通過降低氣動干擾水平來實現的。

△Boeing FARA概念視頻中能清楚看到其尾部雙旋翼設計

③該機還配備了額外的尾部推進螺旋槳，由此，在高速前飛過程中，主旋翼就不再需要提供前進拉力，從而主旋翼拉力可以一定程度實現卸載，從而提升由於主旋翼氣動問題而導致的前飛速度的限制。

再說說Boeing FARA方案自身的缺點：

①該機尾部設計了兩套小型旋翼系統，這就導致其傳動系統和操縱系統更為複雜，動力分配和操縱策略的設計也更為複雜，對該機的電傳操縱飛控系統提出了更高的要求，而且尾部旋翼系統之間存在的氣動干擾問題是否會導致更多的噪音問題還有待評估，畢竟對於輕型偵察直升機來說，噪音問題很可能成為項目競爭的關鍵點這一。

△Boeing FARA的結構設計簡單示意圖

②該機僅僅只是單旋翼複合輔助推進裝置的設計，並沒有設計輔助升力裝置，波音或者是從重量性能、低速性能、尺寸、可靠性等方面來考慮的，但是這確實會導致該機在飛行速度上相比西科斯基公司、AVX公司和Karem公司的方案並不佔優。而從成熟度和經濟性方面來說，又未必比貝爾360更強，大概算是個折中方案？

複合式阿帕奇的縮小版——波音這方案的底氣何在？

從我上面的優缺點評述來看，雖然說Boeing FARA還是有不少出色的地方，但是其競爭優勢也並不明顯，那麼波音作為五家承包商中最後一家拿出這樣一份方案的廠商，其底氣到底在哪裡呢？

其實這個方案剛出來的時候，不少人都在說是什麼AH-56A夏延複合式直升機和RAH-66科曼奇隱身直升機的混血兒，而我認為並不需要想這麼遠，只要看看波音這幾年對下一代阿帕奇武裝直升機的探索，就知道他們的底氣到底在哪兒了——沒錯，正是我曾詳細介紹過的“複合式阿帕奇”概念。

△AH-56A夏延直升機的尾部兩副旋翼設計

“波音會不會創造一型比如今AH-64E守衛者阿帕奇更強勁好用的武裝直升機？”

“當然有，那就是下一代阿帕奇。”

△複合式阿帕奇直升機縮比模型的風洞試驗

關注我文章的讀者朋友們肯定是注意過波音公司在這方面的探索的，他們在現有的阿帕奇機身模型的基礎上，給該機設計了較大的兩側輔助機翼、加裝了尾部推進螺旋槳並設計了全新的剛性旋翼系統，最關鍵的是，波音公司至少從2016年就開始針對這種構型的複合式阿帕奇進行縮比模型風洞試驗，積累了大量的試驗數據和分析研究報告，而這些顯然都會被應用到Boeing FARA的設計和研製上，所以說，別提什麼夏延、科曼奇了，Boeing FARA本質上就是個輕型版本的複合式阿帕奇。這大概就是波音在這個時候提出這種設計的底氣吧。

​△波音公司展出的複合式阿帕奇小尺寸模型

總的來說，現在的競爭局勢還不算很明朗，從進度來看，西科斯基公司的Raider X背靠著已經進行過多輪飛行測試的S-97，顯然是最快的，此外，該機各方面指標也都很硬，能夠完美滿足美國陸軍的要求，但是畢竟ABC旋翼技術至今都只出現在試驗性質的飛行器上，還是存在一定風險的；貝爾公司的方案看起來成熟可靠而且又便宜，但是畢竟飛行速度限制在那裡，可以說好壞參半吧；AVX公司和Karem公司的方案仍然都還停留在概念的層次，但是也都有各自的優勢；Boeing FARA算是取了箇中間值，指標不算太高，但也不是最差，成本和風險都控制在一個適中的範圍。接下來，就看美國陸軍怎麼取捨了，咱們拭目以待。

閱讀更多 旋翼飛行器 的文章

關鍵字: 設計 導彈 阿帕奇