保守與激進的對決,詳解美國陸軍新一代武裝偵察直升機FARA

  未來攻擊偵察機(FARA)項目是美國陸軍未來垂直升降(FVL)項目的一部分,旨在設計、生產和測試用於取代已退役貝爾OH-58D“奇奧瓦武士”的輕型攻擊、觀察和偵察直升機競爭原型機。該項目由美國陸軍未來司令部及其下屬的作戰能力發展司令部(CCDC)負責實施。

  1985年開始服役的OH-58D“奇奧瓦武士”是美國陸軍裝備的一種與AH-64“阿帕奇”武裝直升機配套的輕型偵察直升機,負責為後者定位和識別敵軍並提供目標信息。由於OH-58D出身于貝爾206A民用直升機,單發設計和輕裝甲導致戰場生存力不足,因此美國陸軍很早以前就開始規劃該機的後繼機了。

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OH-58D

  美國陸軍在新型武裝偵察直升機上的首次努力就是大名鼎鼎的RAH-66“科曼奇”隱身武裝直升機。RAH-66項目正式啟動於1991年,是航空史上第一種專門研製的隱身直升機,比抓捕本拉登所用的隱身“黑鷹”直升機早了許多年。美國陸軍計劃採購約1300架RAH-66來徹底取代OH-58D,大幅提高武裝偵察任務的隱蔽性和效率,以及直升機自身的生存能力,首架RAH-66將在2004年開始服役。但計劃趕不上變化,由於項目管理不善外加軍方多變的指標,RAH-66項目出現嚴重超支和拖延,單機成本直線上升,最後在消耗了80億美元后被美國國會勒令終止。西科斯基公司在RAH-66上積累的隱身設計經驗最後被用在了隱身“黑鷹”直升機上。

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RAH-66

  美國陸軍在取代OH-58D上的第二次努力發生在2004年,隨著“奇奧瓦武士”因參加伊拉克戰爭而消耗大量機身壽命,退役速度遠超預期,美國陸軍緊急啟動了武裝偵察直升機(ARH)項目,尋找一種基於現成商用直升機的低成本偵察直升機作為後繼機。貝爾提出的基於貝爾407民用直升機的ARH-70“阿拉帕霍”方案在競爭中擊敗了波音基於OH-6的AH-6M,獲得研發合同。但誰知基於成熟設計的低成本ARH-70在研發中也翻了車,最後單價上漲到1450萬美元,比原計劃的850萬美元足足多出70%,導致該機在2008年被取消。

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ARH-70

  就這樣先後折騰十多年之後,OH-58D的後繼機仍無著落。

FARA到底什麼鬼?

  隨著OH-58D的繼續老化,美國陸軍曾試圖將剩餘OH-58D升級成OH-58F服役到2036年,但該項目最終同樣無疾而終。所有“奇奧瓦武士”在後繼無機的情況下於2016年退役,從此陸航部隊的武裝偵察直升機編製成為歷史。

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OH-58F

  美國陸軍改用AH-64E“阿帕奇”武裝直升機和MQ-1C“灰鷹”無人機編隊,由直升機控制無人機前出來執行武裝偵察任務(“灰鷹”可掛載4枚“地獄火”導彈),但這種有人/無人搭配的效果始終及不上專用有人駕駛武裝偵察直升機。這使得美國陸軍原本在OH-58D後繼機問題上心如死灰的心情再次活泛起來,開始了第四次努力,也就是未來武裝偵察機(FARA)計劃。

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AH-64E與MQ-1C

  FARA全名未來武裝偵察機(Future Attack Reconnaissance Aircraft),是美國陸軍未來司令部未來垂直升力(FVL)項目的重要組成部分。FRAR這個名稱上最明顯的變化就是新機不再被稱為直升機(Helicopter),而是飛機(Aircraft),代表著美國陸軍希望該機是一種高速旋翼機。

  美國陸軍要求FARA體形小巧,旋翼直徑不超過12米,能高速飛行(速度至少要達到333~380公里/小時),並指定安裝通用動力XM915 20毫米機炮和單臺通用電氣的T901-900渦軸發動機(3000軸馬力),後者是陸軍改進型渦輪發動機項目(ITEP)的獲勝者。

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XM915是RAH-66 XM301機炮的進一步改進型

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T901與T700的尺寸對比

  此外陸軍還要求FARA作戰半徑為250公里並能全程高速飛到250公里之外的目標區域,戰場續航時間90分鐘,35攝氏度氣溫下無地效懸停高度1220米,有人/無人駕駛可選(乘員可以是1人也可以是2人),該機可掛載兩枚“地獄火”反坦克導彈或火箭巢,具有很強的突防能力,航電和任務系統採用現代開放系統架構(MOSA)以方便日後升級。在RAH-66“科曼奇”項目失敗後,美國陸軍似乎已經放棄了對隱身武裝偵察直升機的追求,ARH-70和FARA都不做隱身要求。至於成本,美國陸軍希望該機不要超過AH-64E“阿帕奇衛士”的3000萬美元。

  FARA項目的方案徵求書在2018年6月22日發佈,總共有8家公司做出回應。去年4月,美國陸軍從中選出了五家公司的方案進入下一輪篩選,分別是AVX飛機公司、貝爾、波音、卡瑞姆飛機公司、西科斯基。最後勝出的兩家公司將在2020年開始設計,原型機計劃於2023年首飛。

  美國陸軍正在加快FARA項目的進度,目標是到2028年將新機投入服役。除作為武裝偵察直升機使用外,該機還將取代近一半的AH-64“阿帕奇”。FARA又是一個類似F-35的“贏家通吃”項目,自然成為美國各大直升機製造商眼中的肥肉,紛紛各顯神通提出了自己的獨特方案。


飛翔的五菱之光

  由AVX公司和L3技術公司合作推出的複合共軸直升機(CCH)在2019年4月首次亮相。該機設計頗具俄風,安裝有類似卡莫夫直升機的共軸雙旋翼,機身也方方正正,遠看就像一輛麵包車,因此被戲稱為“飛翔的五菱之光”。

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CCH早期概念

  根據AVX的說法,共軸雙旋翼使CCH在直升機模式飛行時具有較少動力需求,懸停能耗將降低15-20%,巡航能耗降低10%,該機最大速度能達到426公里/小時,遠超美國陸軍要求。為了比曼人們擔心該機出現困擾卡莫夫直升機的上下旋翼打架問題,AVX稱CCH上下旋翼之間有50%的間隙餘量,永遠無法出現在極限過載飛行中旋翼打架的事情。CCH15%風洞模型已經通過風洞測試,表明能輕鬆達到370公里/小時的速度。

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CCH全尺寸模型

  為了實現高速飛行,CCH在後機身兩側安裝有兩具AVX公司特有的涵道風扇,提供額外前進/後退推力以及用於偏航控制的不對稱推力,提高了直升機的速度和高速敏捷性。與開放式推進螺旋槳相比,涵道風扇也更加安靜。

  CCH為了實現光滑機身外形,採用可收放前三點式起落架系統。AVX表示與傳統直升機相比,涵道風扇與共軸旋翼相結合使CCH在懸停性能、航程、速度、空氣動力學和燃油效率上都有明顯優勢。該機的機翼和旋翼都能夠摺疊,可輕鬆被C-17運輸或者裝進“伯克”級驅逐艦的直升機機庫,因為美國海軍對FARA計劃也表現出了極大興趣。概念圖還顯示該機在機腹安裝了定向紅外干擾轉塔,通過向來襲紅外製導防空導彈發射激光脈衝致盲其引導頭,從而失去鎖定。

  雖然CCH在機身兩側安裝了大翼展上單翼,卻不是用來掛載武器的,而是能在巡航中產生50%升力為旋翼卸載,從而增加直升機的航程、速度和有效載荷。該機座艙後方安裝有一個模塊化內部彈艙,可容納8枚“地獄火”或者JAGM聯合空地導彈,下方的武器短翼可摺疊收入機身。根據美國陸軍規定,該機在機身內部安裝一臺3000馬力的通用電氣T901渦軸發動機,發動機兩個小尺寸進氣口位於旋翼桅杆整流罩兩側,排氣口在尾梁正上方,全機未見任何雷達和紅外隱身處理。

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CCH巡航姿態

  CCH其他設計特點包括電傳飛控、基於現代開放系統架構(MOSA)的數字骨幹網絡和航電系統,下顎安裝一座20毫米機炮炮塔,光電轉塔位於機鼻上方,內置光電和紅外傳感器以及激光指示器。該機的彈艙可作為載員艙,最多容納14名士兵,機尾甚至還有坡道艙門,載員艙也可安裝輔助油箱以提高作戰半徑。該機的飛行員和副駕駛將並排坐在駕駛艙內,根據美國陸軍的要求可選單人駕駛,此時通過飛控的“數字副駕駛”來降低飛行員工作負擔和精神壓力,提高操作效率和飛行安全性。

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CCH的載員艙


貝爾“360不屈”

  貝爾與柯林斯航宇合作,在2019年10月公開了其“360不屈”(360 Invictus)方案,該機關鍵系統都來自貝爾525中型雙發民用直升機,屬於傳統直升機設計。貝爾表示“360不屈”完全可以滿足FARA 333公里/小時的速度門檻,與競爭對手更復雜的複合直升機設計相比成本和研製風險都更低。

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“360不屈”頗有RAH-66遺風

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貝爾525

  這架6.3噸武裝偵察直升機具有串列雙座座艙、菱形機身截面、旋翼頭整流罩、可收放起落架、斜置涵道尾槳、機身兩側彈艙設計,頗有當年RAH-66“科曼奇”的遺風,說明該機在設計比較重視降低雷達截面積。和CCH一樣,“360不屈”也安裝一臺通用電氣T901渦軸發動機,發動機被安裝機身左側,進氣口在左側,排氣口在右側,以此來大幅降低降低紅外特徵。斜置涵道尾槳在提供反扭力矩的同時也能產生向下升力,有助於降低尾槳能耗。

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“360不屈”四面圖,旋翼水平斜置用意不明

  “360不屈”同樣在機身兩側安裝有大翼展短翼,在巡航速度下可提供50%升力,貝爾稱這是“無需複雜驅動解決方案即可獲得最佳推進能力”的設計,短翼也能用於掛載額外武器。

  從概念圖看,除機身兩側彈艙內的4枚“地獄火”導彈外,“360不屈”的武器還有機鼻下方的20毫米加特林機炮。該機主旋翼在設計上與525直升機的有許多共同點,但葉片數量為四片而不是五片。旋翼為傳統鉸接式設計,短翼的存在能使旋翼在巡航中以較低轉速旋轉,有助於緩解後退槳葉的高速失速的問題。

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“360不屈”全尺寸模型

  該機飛控系統將基於525的先進線傳操縱系統,能大幅降低飛行員工作量並具有自動無人駕駛功能。航電設備均基於柯林斯開放架構概念,易於升級軟件和增加硬件。飛控系統具有一個獨特的低阻模式,能自動在巡航中將直升機配平到阻力最小的姿態。

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“360不屈”的先進座艙概念

  貝爾透露“360不屈”的最大速度超過343公里/小時,35攝氏度高溫下地效最大懸停高度1220米,載彈635千克時能在250公里外的目標區域作戰90分鐘以上。該機還將配備一臺普惠PW207D1渦軸發動機作為輔助動力裝置,可在地面維護和例行系統檢測中提供電力,也可在盤旋或高速巡航時增加額外馬力,所以“360不屈”可被視為一種雙發直升機。PW207D1安裝在機身右側,排氣從右側的發動機紅外抑制尾噴管排出。


卡瑞姆AR40

  卡瑞姆(Karem)飛機公司在2019年10月推出了AR40複合直升機概念。與激進的共軸雙剛性旋翼+尾部推進螺旋槳的“襲擊者X”以及保守的傳統直升機設計貝爾“360不屈”相比,AR40就像兩者的混血,在低速下以傳統直升機模式飛行,在高速下以複合直升機模式飛行,實現這點全靠該機的擺動尾槳。

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AR40

  上世紀60年代,西科斯基公司在一架為S-61A直升機上測試了這種所謂的擺動尾槳,能在三秒內完成90度旋轉,既能在低速下作為抗扭尾槳使用,又能在高速下作為推進螺旋槳使用,此時隨著飛行速度的提高,旋翼扭矩已經能被垂尾產生的偏航力矩完全抵消。

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西科斯基的擺動尾槳

  除了神奇的擺動尾槳之外,AR40還有兩個頗為有趣的設計。第一個就是所謂的“速度優化旋翼”,這幅三葉剛性旋翼直徑11米,能根據垂直起降和水平飛行工況主動調整旋翼轉速,保持旋翼葉片始終處於最佳負載狀態,在最大程度上提高推進效率的同時降低振動。該旋翼系統沒有采用傳統直升機的總距和週期變距控制系統,能對每一個葉片的槳距進行微調,進一步優化旋翼氣動性能。

  第二個就是翼展為12.2米的大機翼了,該機翼能在水平飛行提供大部分升力,為旋翼大幅卸載,外翼段還能在上升和下降過程中傾轉到垂直狀態,降低對旋翼下洗氣流的干擾。

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AR40技術含量頗高,研製風險也很大

  AR40採用並列雙座座艙設計,機身中部安裝一臺軍方指定的通用電氣T901渦軸發動機,進氣口位於機背,排氣口埋入尾樑上方。卡瑞姆公司稱AR40的最大速度約為407公里/小時,遠超軍方規定的333公里/小時底線。令人意外的是該機駕駛艙之後還設置有一個小客艙,可容納四名乘客,用於運輸特種作戰部隊執行潛入任務,之後是內部彈艙。由於機翼傾轉設計,AR-40的所有武器都內置於彈艙,沒有翼下掛架。

  卡瑞姆公司是名不見經傳的新丁,根本沒有研製過有人駕駛飛行器,AR40是該公司與諾斯羅普·格魯曼公司和雷神公司組隊設計的,卡瑞姆提出核心的旋翼和驅動技術,諾斯羅普提供生產和產品支持以及航空電子專業知識,雷神則負責任務系統集成和設計模塊化開放系統架構。

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尾槳擺動機構有些類似F-35B的尾噴管


西科斯基“襲擊者X”

  西科斯基在2019年10月公佈了自己的“襲擊者X”(Raider X)方案,該機是一種高速複合直升機,可被視為西科斯基S-97“襲擊者”驗證機的生產型。S-97目前正在進行包線擴展試飛,已經顯示出X2複合直升機技術在提高直升機飛行速度和機動性上的巨大潛力。

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襲擊者X

  根據S-97“襲擊者”的試飛結果,“襲擊者X”的最大速度有望超過463公里/小時,而不是“360不屈”剛剛觸碰及格線的333公里/小時。此外該機的升限也將超過2700米,低速和高速機動的壓坡角度超過60度,將具有大幅優於傳統直升機的飛行性能。

  “襲擊者X”延續了S-97的基本氣動佈局,具有共軸反轉剛性旋翼和尾部推進螺旋槳,雙旋翼消除了單旋翼直升機高速飛行的後退槳葉失速現象,所以能在尾部螺旋槳的推進下達到更高速度。

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S-97的共軸反轉剛性旋翼和尾部推進螺旋槳

  “襲擊者X”和“360不屈”一樣也納入眾多雷達和紅外隱身改進以增強其戰場生存能力,該機機身表面平滑,沒有突出的傳感器和武器短翼,天線也都為保形設計,機身兩側稜線能起到降低雷達截面積的作用。“襲擊者X”機鼻的20毫米機炮炮塔甚至被設計為在不使用時向後旋轉180度隱藏炮管,其旋翼頭也被保形整流罩包裹,下方V形進氣口為深埋的渦軸發動機提供進氣。

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“襲擊者X”正面輪廓

  “襲擊者X”在機身中部安裝一臺T901渦軸發動機,發動機排氣也經過精心設計,狹長排氣管被隱藏在後機身左側稜線內,利用旋翼下洗氣流加速熱廢氣與冷空氣的摻混,以此來迅速降低排氣溫度,降低紅外輻射。這種設計最初被使用在西科斯基的RAH-66“科曼奇”隱身武直上。

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“襲擊者X”模型

  “襲擊者X”與S-97相比重了約20%,起飛重量達6.35噸,旋翼直徑不超過12.19米以滿足美國陸軍提出的城市戰中在建築物之間穿行的要求,正是該要求導致貝爾放棄了傾轉旋翼機方案。“襲擊者X”的並列雙座駕駛艙之後有一個大型內部武器艙,可容納導彈和無人機,所以無需外置武器短翼。

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彈艙門也兼做武器掛架

  電傳飛控系統和剛性共軸主旋翼使“襲擊者X”在低速時具有更高敏捷性,有助於該機在森林和城市等狹窄環境中的作戰。這套系統能使“襲擊者X”的轉彎半徑降低為傳統直升機的一半,尾部螺旋槳可通過逆槳產生反向拉力減速,使該機具有獨特的俯衝能力。此外尾槳也能使“襲擊者X”在水平飛行中迅速加速或者減速,由於不必改變姿態可使武器始終對準目標,所以“襲擊者X”的操縱特點更接近固定翼。


波音FARA

  2020年3月3日波音最後一個公佈了其FARA的真面目。波音FARA方案是一種典型的複合直升機,具有六葉“高強度”旋翼、傾斜四葉尾槳以及尾部4葉推進螺旋槳,總體設計與波音此前研究的“高速阿帕奇”方案一致,只是將尾槳從平尾移到傾斜垂尾頂部,以降低起降時尾槳擊打異物的概率。和其他競爭方案一樣,波音FARA也將安裝一臺通用電氣T901渦軸發動機,進氣口位於機身右側。這種發動機是美國陸軍改進渦輪發動機計劃(ITEP)的獲勝者,除裝備FARA之外還將被用於AH-64和UH-60的升級。

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波音FARA

  總體上看,波音FARA採用了經過洛克希德AH-56“夏延”和波音“高速阿帕奇”研究驗證的複合直升機佈局,具有獨立推進螺旋槳和尾槳。與其他公司的複合直升機設計相比,波音FARA雖然看似累贅,卻可能具有更簡單的機械結構以及更好的可靠性,在高速潛力上也優於貝爾方案。

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  通過尾部推進螺旋槳,波音FARA將能滿足美國陸軍的速度要求。波音表示自己的方案在結構上與傳統直升機差不多,只是在傳動系統中增加了一個用於驅動尾部螺旋槳的離合器。波音新聞稿表示該機有一個最新的模塊化串列座艙,將配備重新配置的大面積顯示器並具有自主飛行功能,該機還將採用電傳飛控系統。

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波音高速“阿帕奇”的複合推進設計

  波音FARA同樣沒有大翼展卸載短翼,可能是因為短翼在低速飛行和懸停時會對旋翼下洗氣流產生干擾,不利於機動,這可能是波音FARA採用6葉旋翼的用意,因為增加旋翼葉片數量能在不增加槳盤面積的情況下增加升力。

  在波音發佈的概念圖中,FARA在機鼻安裝有光電轉塔,下顎安裝有20毫米加特林機炮炮塔,機身中部有內置彈艙,至少可容納4枚“地獄火”反坦克導彈,導彈滑軌被安裝在彈艙艙門內側。由於波音曾在上世紀90年代參與了西科斯基的RAH-66“科曼奇”隱身武裝偵察直升機的研製,因此FARA借鑑了前者的一些隱身設計,如內置彈艙和傾斜垂尾。

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波音FARA的彈艙設計與RAH-66接近

  該機的河豚外形和座艙設計則可能來自麥道公司在80年代與貝爾合作的實驗性輕型直升機(LHX)方案(最後輸給了RAH-66)。波音在1997年收購了麥道,獲得其包括AH-64在內的大筆軍用直升機遺產。

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麥道LHX

保守與激進的對決

  3月35日美國陸軍倍受注目的未來武裝偵察直升機項目(FARA)第一階段競標終於水落石出,貝爾“360不屈”(360 Invictus)和西科斯基“襲擊者X”(Raider X)進入最終的原型機對比競爭,而波音剛在3月初公佈的高速複合直升機FARA方案黯然落選,顆粒無收。

  貝爾和西科斯基兩個死對頭進入最後角逐背後的邏輯很簡單,除兩家公司在直升機研製上積累的數十年豐富經驗之外,還有一個原因就是兩家公司的設計在競爭者處於兩個極端,“360不屈”主打低成本低風險,是最保守的設計,“襲擊者X”的賣點則是黑科技高性能,是最激進的設計。

  對於美國陸軍來說,無論是“360不屈”還是“襲擊者X”在性能都足以滿足要求,最終選擇哪種將取決於成本和性能之間的衡量。縱觀歷史招標,往往都是保守便宜的那個笑到了最後。


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