美军加紧研制未来战区战术运输飞行器

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“联合重型运输飞行器”计划(JHL)各方案


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C-130军用运输机


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YC-15原型机(上)和XCH-62直升机(下)


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垂直起降飞机想象图


近几十年来,美国国防部实施了一系列战区战术航空运输工具研制计划。在美陆军“重型运输直升机”计划(HLH:Heavy Lift Helicopter)和空军“先进中型垂直起降运输机”计划(Advanced Medium STOL Transport) 于1974年和1979年相继中止后,美国陆、空军为完成运输陆军新技术装备的任务,不得不主要依靠改进现役CH-47“支努干”空降运输直升机和C-130“大力神”军用运输机。


而它们的战术技术性能都已不符合现代作战对空运“斯瑞克”装甲战车和“未来战斗系统”(FCS:Future Combat Systems)的要求。因此,美国国防部计划实施可垂直起降的“未来重型运输飞行器”研制计划。对其战术技术性能的主要要求是:最大有效载荷为18-23吨,不进行空中加油时作战半径不小于250公里。最近的工作目标是对研制三军通用型飞行器的可能性进行评估。


1999年,美国陆军曾再次打算研制重型直升机。在对战术技术要求进行多次研究和计划几易其名之后,于2004年批准了“联合重型运输飞行器”计划(JHL - Joint Heavy Lift),并与贝尔公司与波音公司(两家联手)、波音公司(单独)、卡莱姆公司、西科斯基公司签定了演示样机的研制与制造合同。其中,贝尔公司与波音公司联合推出的方案是“四倾转旋翼机”(QTR:Quad Tilt Rotor),波音公司单独推出的是“先进纵列旋翼直升机”(Advanced Tandem Rotor Helicopter),卡莱姆公司推出的是“最优速度倾转旋翼机”(OSTR:Optimum Speed Tilt Rotor),西科斯基公司推出了X2“起重机”共轴直升机和X2“高速升降机”共轴直升机方案。此外,还有几个政府机构也发起了旨在研制具有各种气动布局的运输飞行器的科学研究与试验设计工作。


2007年5月,美国陆军航空兵应用技术局(AATD)完成了持续18个月的概念研究工作。由于飞行速度和“有效载荷航程比”不符合要求,波音公司的“先进纵列旋翼直升机”方案和西科斯基的共轴直升机方案被否定。于是西科斯基公司重新提出其早些时候的“可变桨盘直径倾转旋翼机”方案(VDTR:Variable-Diameter Tilt Rotor)。


“最优速度倾转旋翼机”(OSTR)和“可变桨盘直径倾转旋翼机”(VDTR)与现役V-22“鱼鹰”倾转旋翼机一样,机翼上装有2台倾转涡桨发动机,不同的是,“最优速度倾转旋翼机”能使旋翼旋转速度达到最优,而“可变桨盘直径倾转旋翼机”的桨叶直径则是可调的。而“四倾转旋翼机”(QTR)的特点是有2副纵列机翼,并相应地装有4台发动机,这种布局的主要优点是机翼的弯曲力矩小(因为翼展小),没有水平尾翼,有利于从总体上减轻飞机重量和外形尺寸。


据陆航应用技术局的代表称,未来运输飞行器的初步面貌已经确定,目前的主要任务是确定货舱的最终尺寸。根据预先计算,货舱尺寸应介于美国C-130(12.5×3.14×2.74米)和欧洲A400M(17.71×4.0×3.85/4.0米)军用运输机之间。2009年年底以前将确定未来运输飞行器的最终方案,并根据美国2010-2014年四年军备采购计划为样机制造拨款。


美国国防部科学委员会的报告中指出,新型运输飞行器集涡桨飞机的经济性和速度优势与直升机的垂直起飞能力于一身,其性能符合运输重约 30吨的未来装甲战车的要求。研制起飞重量为40吨的垂直起降飞机成本很高,装备前线部队也需要很长的时间。而美国陆军计划2015年开始试验,2020年列装。目前,陆航应用技术局对未来运输飞行器的飞行战术性能和作战使用的要求已经确定。“联合重型运输飞行器”(JHL)转场距离应为3900公里(在不进行空中加油的情况下),能将重20-26吨的装甲战车运输到460公里(垂直起降)或925公里(短距起飞,垂直降落)以外。


2007年中期,演示样机研制阶段结束后,确定了“联合重型运输飞行器”(JHL)的面貌,并将其命名为“高效倾转旋翼机”(HETR:High Efficiency Tilt Rotor)。该机旋翼旋转频率范围大,无论在垂直起降、悬停还是巡航飞行时都能使飞机性能能达到最佳。对其主要要求是:机身气动阻力小,机体和机载系统重量轻,螺旋桨效率高。“高效倾转旋翼机”(HETR)在很大程度上具有“最优速度倾转旋翼机”(OSTR)和HLR型机 (Heavy Lift Rotorcraft)的特点。HLR是按HACA计划研制的120座商用机。美陆航应有技术局的专家确信,HETR的面貌虽然不是最终方案,但体现了下一步科学研究和试验设计的方向。


卡莱姆公司制定的“最优速度倾转旋翼机”(OSTR)方案代号为TR65-190,它主要在12200米以下飞行,飞行速度不超过685公里。该机有2副直径为19.8米的四叶螺旋桨,翼展为40.8米。设计空重28100公斤(对比:C-130J空重34300公斤),最大起飞重量50400公斤,旋翼扫描面积的单位载荷为每平方米81.5公斤,这一指标接近西科斯基公司的СН-53Е。卡莱姆公司专家称,TR65-190型机在载重20吨并垂直起降的情况下,航程为1200公里,而单位油耗仅为V-22“鱼鹰”飞机的三分之一、波音-737-800型机的三分之二。预计TR65-190型机的单价将比货舱尺寸和最大载重量与其相近的现役军用运输机高5500万美元,而介于C-130(6000-7000万美元)和C-17(约1.9亿美元)运输机之间 ,但不会高于几何指标与其最接近的欧洲А400М军用运输机。


根据概念演示阶段的研究结果,贝尔公司和波音公司着手制定了机身加大型的QTR方案。最初样机设计有效载荷为20吨,机身宽度与C-130型机相同,螺旋桨直径15米,货舱长16.4米,而新方案“基准2A”的有效载荷为26吨,机身宽度和A400M型机相同,螺旋桨直径16.5米,货舱长18.3米,飞行器自重增加2300公斤。


陆航应用技术局与贝尔、波音、卡莱姆和西科斯基公司除签定继续进行科学研究和试验设计工作的例行协议外,根据已明确的要求,还计划签定“联合重型运输飞行器”(JHL)方案特别项目研究协议,首先包括武器与军用技术装备的机载自动化装卸系统。


此前还有两个关键问题没有解决:一是考虑到上舰的需要,螺旋桨桨叶是否设计成可折叠型?二是考虑到发动机在飞行过程中可能发生故障,应配备几台发动机(2台或4台,总功率3万千瓦)?但不管怎样,都需要研制新型发动机。为了确保“联合重型运输飞行器”(JHL)计划资金充足,除陆军外,海军和海军陆战队也参与该项目。


同时,空军部也在该方向上实施相关的科学研究和试验设计工作。早在30年前,美国空军就试飞了波音公司设计的YC-14和麦道公司设计的YC-15短距起降飞机。如今,美空军在这两种机型的研制经验基础上,正在重新探索用“先进联合航空作战系统”(AJACS:Advanced Joint Air Combat System)中的短距起降飞机取代C-130军用运输机(包括C-130特种作战飞机)。为了在“垂直机动”构想框架内在2015年前研制出该机的试验样机,美空军研究试验室从2002年起就进行了相关的科学研究与试验设计工作。该机可以简易短距起飞场上起降,以近音速飞行时最为经济。对该机的关键要求是:燃汽涡轮发动机要具有高函道比,气动布局要能保证飞机在近音速飞行时具有较高经济性的同时还能完成一系列战役战术任务,机载无线电电子设备要有较强的抗干扰能力。


另外还有两个基本构想:“先进混合货机”(ACCA:Advanced Composite Cargo Aircraft)和“高效巡航垂直起降演示机”(Speed Agile cruise-efficient STOL demonstration)。ACCA计划是到2020年前研制最大有效载荷和货舱容积与C-130相近但高度和速度范围更大、航程更远的的先进军用运输机。根据空军预先提出的战术技术要求,新机型作战半径不小于1600公里,不进行空中加油时最大航程可达4000公里,应具有隐身性能(雷达和可见光波段),无论是在民用客机梯队中飞行,还是作超低空地形自动回避飞行或绕障飞行(空降人员、武器和军用技术装备),都具有跨音速巡航速度。此外,还规定,飞机在最大载重时能在长不超过300米的场地(包括居民区内)上进行短距起降。飞机的主要特点是是有效载荷大,从而可以在其基础上不需降低飞行技术性能就可以研制一系列特种用途飞机;另外一个特点是批量生产成本低,为了实现这一点,计划研制新型复合材料用于制造机体受力构件,还将完善用复合材料制造外形复杂的大型整体板材的工艺。


在参加竞争的方案中选择了洛克希德-马丁公司和曙光公司作为研制试验样机的备选公司,并与二者签定了总额分别为4900万美元和4600万美元的合同。洛克希德-马丁公司“扫描工厂”分部提出了早些时候在AMC-X和AJACS研究计划框架内制定的通用短距起降飞机方案,其最大起飞重量达110吨,其中AMC-X采用正常气动布局,而MACK采用“飞翼”气动布局。上述两机型的动力装置采用2台安装于机翼上表面上的双路式涡喷发动机,最大推力不小于200千牛。AMC-X 短距起降是通过采用基于超级循环效应的动力附翼实现的,而MACK方案是通过操纵发动机推力矢量来实现的。


“高效巡航垂直起降演示机”计划在风洞中进行高速和低速吹风试验,以研究将短距起降飞机特有性能和近音速(马赫数0.8)飞行性能融为一体的可能性。按照研制者的设想,该机可使用简易机场。其货舱宽度为4米,与军用运输机相近。最大有效载荷为30吨(含动力装置)时作战半径不小于920公里、起飞滑跑距离为460米、着陆滑跑距离为610米。该机还应具有针对各种制导武器的综合防护措施。


同时,诺斯罗普-格鲁曼公司根据AJACS计划对采用“飞翼”气动布局和装有附面层吹气襟翼的飞机模型进行了风洞试验。研制者认为,在结构重量不大的情况下“飞翼”布局使飞机有效载荷更大,生存能力更强,航程更远。公司的未来机动系统处认为,速度是提高作战效能的关键因素,因为快速运输系统能确保在较短的飞行时间内完成物资运输,能以较小的风险更有效地完成任务,因而最终只需保有最小规模的军用运输机机队,而这正是陆军和空军所需要的。


为了使“联合重型运输飞行器”(JHL)和“先进联合航空作战系统”(AJACS)计划的下一步研究工作获得批准,美国陆军部和空军部2008年底前将向跨军种联合监督委员会提交相关建议。陆军部和空军部都计划在2015年前研制出试验样机。未来飞机根据不同任务可以安装相应的机载设备功能模块,因而可以改装为运输-加油机或突击飞机。预计,多功能飞机的舱内能携带2枚圆径为15000磅的GBU-43/B大威力制导炸弹,而突击型飞机的机载武器除火炮外,还将包括激光或超高频武器系统。


根据计划签定合同的公司2008年底前将提交技术与财务风险分析报告,以进行更详细的研究。报告中将对主要研究领域的技术准备程度评估。同时,美国人将科学研究和试验设计工作顺利与否与曙光公司(美国在航空复合材料研制和复杂外形大尺寸结构制造领域的领先者)相联系。


为期18个月的计划的第二阶段规定,2010年前将制成并准备试飞军用运输机演示模型,其机组为2人,最大飞行速度为马赫数0.7,航程不小于1000公里,有效载荷:1辆“悍马”越野车,3辆463L标准载重平台或20名全副武装的士兵。在试飞过程中根据随后的竞争性评估结果将选择该型军用运输机全规模研制的主要承包商。


根据国外专家评估,具有较高的战术技术性能和相对较低的生产和使用成本的未来运输飞行器列装后,美军将能为各战区(包括远方战区)的前沿部队提供有效可靠的后勤与作战保障。


译自:俄罗斯《外国军事评论》2008年第8期

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