在直升機(jī)行業(yè)，如果不慎將“直升機(jī)”（Helicopter）一詞誤稱為“直升飛機(jī)”，那往往是要鬧笑話的，至少會(huì)被認(rèn)為是“不專業(yè)”，因?yàn)閺娘w行器的本質(zhì)定義上來(lái)說，直升機(jī)和飛機(jī)（Airplane）是兩種截然不同的飛行器，直升機(jī)一般是指以大尺寸旋翼為主要升力面和操縱面的垂直起降航空器，而飛機(jī)則一般指的是“固定翼飛機(jī)”。不過，凡事都有例外。
“GBA-DARPA Heliplane”就是一種獨(dú)特的“直升飛機(jī)”（Heliplane），作為一型概念驗(yàn)證機(jī)，GBA-DARPA之所以能夠“明目張膽”自稱為直升飛機(jī)，主要還是因?yàn)樗旧砭图婢哂兄鄙龣C(jī)和固定翼飛機(jī)兩者的特點(diǎn)——既能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降、懸停和低速機(jī)動(dòng)，也能夠像固定翼飛機(jī)一樣高速巡航——該機(jī)的巡航速度能夠達(dá)到常規(guī)直升機(jī)的兩到三倍，甚至更高。
△除了格羅恩兄弟航空公司之外，卡特旋翼機(jī)航空技術(shù)公司也在積極探索高速型復(fù)合式自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的技術(shù)，圖為他們的復(fù)合式旋翼機(jī)概念
從該機(jī)的名字就可以看出，這是GBA（Groen Brothers Aviation）格羅恩兄弟航空公司和DARPA美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局合作推進(jìn)的項(xiàng)目，其中GBA公司是承包方，而DARPA自然就是金主，不過后來(lái)GBA公司因財(cái)政問題而重組為Skyworks Global公司，這架“直升飛機(jī)”名字也被改成“垂直起降噴氣飛機(jī)”（VertiJet）。從名字來(lái)看就可以發(fā)現(xiàn)，命名者開始弱化該機(jī)在直升機(jī)方面的特點(diǎn)，其中到底經(jīng)歷了什么？下面，請(qǐng)看正文。
從自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)到垂直起降噴氣飛機(jī)——VertiJet進(jìn)化之路美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）一直都在尋求一種能夠達(dá)到與固定翼飛機(jī)性能相當(dāng)?shù)男眍愶w行器。而格羅恩兄弟航空公司自從上世紀(jì)八十年代開始就一直致力于復(fù)合式自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研究工作，這種復(fù)合式自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)在保留自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行特征同時(shí)，結(jié)合了固定翼商務(wù)噴氣飛機(jī)的特點(diǎn)，在多個(gè)方面都和美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局的要求相契合。
△格羅恩兄弟航空公司上世紀(jì)九十年代打造的“Hawk 4”型自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)
話說回來(lái)，格羅恩兄弟航空公司加入美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局的“直升飛機(jī)”項(xiàng)目也存在一定的巧合，這個(gè)項(xiàng)目本來(lái)DARPA是希望由亞當(dāng)斯飛機(jī)公司牽頭的，但是當(dāng)時(shí)亞當(dāng)斯飛機(jī)公司找不到合適的主旋翼系統(tǒng)供應(yīng)商，最后他們找到格羅恩兄弟航空公司，希望能為他們打造主旋翼系統(tǒng)。格羅恩兄弟航空公司在接到邀請(qǐng)之后，向DARPA提交了一份備忘錄，詳述了打造這種新型“直升飛機(jī)”旋翼系統(tǒng)所存在的關(guān)鍵技術(shù)重難點(diǎn)。
△“直升飛機(jī)”項(xiàng)目計(jì)劃在亞當(dāng)斯飛機(jī)公司的A700型超輕型飛機(jī)基礎(chǔ)上改造出原型機(jī)（上圖下方）
DARPA對(duì)格羅恩航空公司在這方面的專業(yè)水平非常滿意，于是當(dāng)該局準(zhǔn)備啟動(dòng)“直升飛機(jī)”（Heliplane）探索項(xiàng)目的時(shí)候，他們首先想到格羅恩兄弟航空公司?！爸鄙w機(jī)”項(xiàng)目初期規(guī)劃會(huì)分為四個(gè)階段來(lái)完成，總耗資大概在4000萬(wàn)美元左右，參與項(xiàng)目的承包商主要有格羅恩兄弟航空公司、喬治亞理工學(xué)院、亞當(dāng)斯飛機(jī)工業(yè)公司和威廉斯國(guó)際公司。其中格羅恩兄弟航空公司毫無(wú)意外地被選為第一階段的領(lǐng)路人，這一階段的工作為期15個(gè)月，總經(jīng)費(fèi)640萬(wàn)美元。第1B階段則轉(zhuǎn)而由喬治亞理工學(xué)院管理，格羅恩兄弟航空公司則成為分包商。項(xiàng)目第二階段主要工作就是在NASA蘭利研究中心的高速風(fēng)洞中進(jìn)行縮比模型的風(fēng)洞測(cè)試，然后還需要打造一個(gè)全尺寸的噴氣機(jī)原型。這一工程階段的經(jīng)費(fèi)預(yù)估則要高得多，大概在2400萬(wàn)美元到2800萬(wàn)美元之間。
△“直升飛機(jī)”項(xiàng)目的早期原型機(jī)概念
然而，項(xiàng)目的進(jìn)展并沒有預(yù)想中那么順利，到2008年，由于“直升飛機(jī)”始終存在無(wú)法解決的較高的噪音問題，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局因此終止了對(duì)該項(xiàng)目的支持。
2012年，格羅恩兄弟航空公司陷入財(cái)政困境，徘徊在破產(chǎn)和倒閉的邊緣，在這種情況下，投資人史蒂夫·斯特凡諾維奇雪中送炭，救活了這家曾經(jīng)輝煌過的航空公司，并在2017年4月24日，將重組后的公司命名為“Skyworks Global”（可譯為：斯卡沃克斯國(guó)際公司）。2019年7月份，斯卡沃克斯國(guó)際公司與諾斯羅普·格魯曼公司旗下的“縮尺復(fù)合體”（Scaled Composites）公司合作，設(shè)計(jì)、制造并測(cè)試了第一架改進(jìn)后的“直升飛機(jī)”原型機(jī)，該機(jī)被重新命名為“VertiJet”，其目標(biāo)是在隨后的一年半到兩年內(nèi)完成348節(jié)（也就是時(shí)速644公里）的巡航飛行和1850公里的航程飛行。
△“VertiJet”飛行器的概念設(shè)計(jì)圖
憑借其出色的飛行速度和可觀的航程，該機(jī)能夠跟上美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的現(xiàn)役的MV-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)，從這個(gè)角度來(lái)說，該機(jī)的這些性能指標(biāo)能夠滿足美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在去年4月份披露的“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)武裝護(hù)航飛行器的要求。當(dāng)然，該機(jī)也能夠作為美國(guó)陸軍的未來(lái)遠(yuǎn)程突擊飛行器（FLRAA；Future Long-Range Assault Aircraft）的一個(gè)備選項(xiàng)。按照斯卡沃克斯國(guó)際公司的說法，該機(jī)還有一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)就是成本低，一架搭載4~6名乘客的“VertiJet”飛行器，其造價(jià)可以控制在1000萬(wàn)美元以內(nèi)，這個(gè)數(shù)字無(wú)論是對(duì)于美國(guó)軍方還是商業(yè)航空運(yùn)營(yíng)商而言，都是極具吸引力的。
△斯卡沃克斯國(guó)際公司展示其VertiJet具備與“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)伴飛的能力
簡(jiǎn)單高效、安全可靠——“直升飛機(jī)”的設(shè)計(jì)特點(diǎn)△VertiJet飛行器的宣傳概念圖
總的來(lái)說，“直升飛機(jī)”和VeriJet可以說是同一種基礎(chǔ)型號(hào)飛行器的兩種衍生版本，前者的重點(diǎn)在于探索這種復(fù)合式構(gòu)型飛行器的高速前飛潛能，而后者的側(cè)重點(diǎn)則在于向民用商務(wù)飛機(jī)市場(chǎng)推出這種極具特點(diǎn)的復(fù)合式自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。而從時(shí)間歷程上來(lái)說，VertiJet可以說是繼承了英國(guó)航空史上大名鼎鼎的復(fù)合式自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)“羅托達(dá)因”（Rotodyne）和“直升飛機(jī)”項(xiàng)目的研究成果。
△英國(guó)航空史上頗具盛名的復(fù)合式自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)“Rotodyne”項(xiàng)目隨著該國(guó)航空公司的合并和重組而告吹
VertiJet既有固定翼機(jī)翼，也有大尺寸的主旋翼系統(tǒng)。其旋翼系統(tǒng)既可以無(wú)動(dòng)力自轉(zhuǎn)，從而在前飛過程中為該機(jī)提供升力；同時(shí)，也可以通過旋翼槳葉內(nèi)置的小型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)旋翼槳葉旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)與直升機(jī)類似的垂直起飛、懸停和垂直降落等功能。和“直升飛機(jī)”項(xiàng)目指標(biāo)近似，VeriJet飛行器的最高時(shí)速預(yù)估在644公里左右，航程為1609公里，有效載荷454公斤，按照官方說明，該機(jī)可以搭乘一名飛行員和4到6名乘客。下面，我針對(duì)VertiJet的幾個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行解讀。
①自轉(zhuǎn)旋翼
自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)（Autogyro/Gyroplane）一直都是格羅恩兄弟航空公司的強(qiáng)項(xiàng)，或者說，雖然他們家頂著個(gè)航空公司的名頭，但實(shí)際上該公司的主力產(chǎn)品本身就是自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。所謂“自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”，顧名思義，其主要升力面還是旋翼系統(tǒng)，和直升機(jī)的旋翼系統(tǒng)頗有幾分相似之處。但是與直升機(jī)不同的是，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼系統(tǒng)不是通過主動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)只用來(lái)驅(qū)動(dòng)其附帶的推進(jìn)螺旋槳來(lái)為整個(gè)飛行器提供前飛推力，而旋翼系統(tǒng)是通過“迎風(fēng)自轉(zhuǎn)”來(lái)為全機(jī)提供升力的。由于自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼系統(tǒng)在飛行中一直處于自轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以相比直升機(jī)，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)本身的安全性能更高、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單而且更安靜。
△自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的誕生比直升機(jī)來(lái)得更早，但是由于早期這類飛行器不具備懸停能力，垂直起降性能也比不上直升機(jī)，所以其發(fā)展逐漸落后于直升機(jī)
格羅恩兄弟航空公司沒有止步于傳統(tǒng)的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)設(shè)計(jì)，他們?cè)谧赞D(zhuǎn)旋翼機(jī)的旋翼槳葉尖端加裝了小型的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，通過這種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，就能實(shí)現(xiàn)類似于直升機(jī)一樣的垂直起飛、懸停和降落。航空業(yè)界一般將這種飛行器稱為“Gyrodyne”，這個(gè)詞在中文中常常被翻譯為“旋翼式螺旋槳飛機(jī)”，足見其和常規(guī)自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的不同。
總的來(lái)說，配備自轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)的旋翼機(jī)都會(huì)具有如下特點(diǎn)：
自轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)和維護(hù)成本都比較低，同時(shí)也有利于降低全機(jī)的空重比，提高飛行器的可用性、飛行效率、航程和續(xù)航時(shí)間；可以實(shí)現(xiàn)垂直起降而不需要專門的跑道——不過并不是所有的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)都具備垂直起降能力，常規(guī)的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)還是需要短距離滑跑起飛，有些特別設(shè)計(jì)的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)可以通過旋翼預(yù)旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存動(dòng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)“跳飛”，像VertiJet這種通過槳尖噴氣驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)旋翼與驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼之間的轉(zhuǎn)換的飛行器并不多見，而且也普遍被認(rèn)為可能存在嚴(yán)重的噪音問題；飛行操縱相當(dāng)簡(jiǎn)單，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的飛行駕駛學(xué)習(xí)成本和固定翼飛機(jī)的操縱難度相當(dāng)，飛行員訓(xùn)練成本遠(yuǎn)小于直升機(jī)；從本質(zhì)上來(lái)說，自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是一種穩(wěn)定性非常好的飛行器，而不像直升機(jī)其本身就是一個(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)；自轉(zhuǎn)旋翼的特點(diǎn)決定它不會(huì)受到失速等問題困擾，也可以在完全沒有任何動(dòng)力的情況下安全著陸，這是自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)固有的安全性②復(fù)合輔助機(jī)翼和推進(jìn)裝置
從現(xiàn)有的配置信息來(lái)看，VertiJet飛行器采用的是兩臺(tái)威廉姆斯國(guó)際公司的FJ44渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提供前飛推進(jìn)力，不過根據(jù)斯卡沃克斯國(guó)際公司的介紹，該機(jī)還可以安裝混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不過考慮到該機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)本質(zhì)上并不復(fù)雜，所以采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的必要性似乎也并不大。
△復(fù)合式構(gòu)型可以說是下一代旋翼飛行器的發(fā)展方向，參與美國(guó)陸軍“未來(lái)垂直升力”計(jì)劃的競(jìng)標(biāo)飛行器幾乎都是復(fù)合式旋翼飛行器
而在高速飛行的時(shí)候，該機(jī)兩側(cè)的機(jī)翼在能夠承擔(dān)絕大部分升力，從而實(shí)現(xiàn)旋翼拉力的卸載，旋翼拉力的卸載，就能使的自轉(zhuǎn)旋翼的轉(zhuǎn)速降低，并且使得槳盤平面的后倒角減小，前者降低了旋翼系統(tǒng)的型阻力，后者降低了旋翼系統(tǒng)的后向力，總的來(lái)說，這所能帶來(lái)的最大的好處就是可以降低旋翼系統(tǒng)的氣動(dòng)阻力，從而提升了該機(jī)的前飛性能，使得這種飛行器的前飛速度得以最大化。
③機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性、可靠性
相比于直升機(jī)的驅(qū)轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)，自轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)消除了沉重、昂貴且復(fù)雜的一系列動(dòng)力傳動(dòng)部件，比如說減速器和傳動(dòng)軸等部件，這當(dāng)然也降低了飛行器的生產(chǎn)和維護(hù)成本。而如果自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在空中停車，那么始終處于自轉(zhuǎn)狀態(tài)的主旋翼能夠確保自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)進(jìn)入平穩(wěn)的自轉(zhuǎn)下滑狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)安全著陸。
△一架超輕型單座自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，可以看到其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相當(dāng)簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)沒有直升機(jī)那么復(fù)雜
在自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的可靠性方面，斯卡沃克斯國(guó)際公司還是格羅恩兄弟航空公司的時(shí)候，就曾下過功夫研究。事實(shí)上，盡管理論上自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是一種比固定翼飛機(jī)和直升機(jī)安全系數(shù)都要高得多的航空器，但是在上世紀(jì)八十年代，美國(guó)運(yùn)動(dòng)型自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)蓬勃發(fā)展的那段時(shí)期，該機(jī)的事故率還是相當(dāng)高的，斯卡沃克斯公司的設(shè)計(jì)師認(rèn)為其中很大一部分原因是當(dāng)時(shí)許多自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)“設(shè)計(jì)不當(dāng)”。
該公司的設(shè)計(jì)師認(rèn)為當(dāng)時(shí)很多生產(chǎn)制造廠商僅僅只是會(huì)制造一種“看起來(lái)像是自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)”的東西，而對(duì)這種航空器背后的原理卻知之甚少，也沒有花費(fèi)精力和經(jīng)費(fèi)投入研究，其中有很多事故的研究結(jié)果都表明這些墜毀的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)其全機(jī)重心與主旋翼和推進(jìn)螺旋槳拉力矢量之間的錯(cuò)位。為此，格羅恩兄弟航空公司專門成立過一家名為“Sparrowhawk”的子公司來(lái)解決這些問題，最終他們打造了一種被稱為“放手自穩(wěn)”的自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)增穩(wěn)系統(tǒng)，提升了自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的可靠性。
未來(lái)可期——VertiJet的項(xiàng)目展望從某種角度來(lái)說，無(wú)論是航空從業(yè)人員還是飛行器運(yùn)營(yíng)商們，可能都需要停止把自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)和直升機(jī)劃上等號(hào)。誠(chéng)然，直升機(jī)是一種具有獨(dú)特能力的優(yōu)秀航空器，但是自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)更像是一種“不需要跑道的飛機(jī)”（而不是懸停性能較差的直升機(jī)），它所能完成的任務(wù)相當(dāng)廣泛，可以說是涵蓋了直升機(jī)任務(wù)領(lǐng)域和飛機(jī)任務(wù)領(lǐng)域的交集。
概括來(lái)說，VertiJet這種飛行器出現(xiàn)的目的是為了解決世界上三分之二的航空需求——現(xiàn)實(shí)情況就是目前世界上三分之二的地區(qū)沒有或者不具備建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的能力，同時(shí)這些地區(qū)也缺乏接受良好教育或者訓(xùn)練的地勤人員——VertiJet就是為此而生。該機(jī)不像固定翼飛機(jī)一樣需要規(guī)模龐大的機(jī)場(chǎng)和建設(shè)良好的跑道，同時(shí)也不像直升機(jī)那樣需要復(fù)雜又精細(xì)的維護(hù)工作。Vertiet這一類飛行器的出現(xiàn)，本質(zhì)上不會(huì)和固定翼飛機(jī)或者直升機(jī)形成水火不容的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，更準(zhǔn)確來(lái)說應(yīng)該是這種飛行器的出現(xiàn)，補(bǔ)足了固定翼飛機(jī)和直升機(jī)之間的任務(wù)缺口。
?△斯卡沃克斯國(guó)際公司的下一代自轉(zhuǎn)旋翼機(jī)概念，不少技術(shù)就是源自于“直升飛機(jī)”項(xiàng)目
從這個(gè)層面來(lái)說，VeritJet這種飛行器所能帶來(lái)的好處是顯而易見的——成本低廉的商務(wù)航空服務(wù)——它不需要規(guī)模龐大的機(jī)場(chǎng)航站、也不需要花費(fèi)大量人力物力打造基礎(chǔ)設(shè)施，而且其本身的操縱飛行培訓(xùn)和維護(hù)修理難度也處于較低的水平，加上該機(jī)出色的安全性，如果說，斯卡沃克斯國(guó)際公司能夠在電傳操縱飛行控制系統(tǒng)和該機(jī)的垂直起降性能以及噪音水平方面持續(xù)優(yōu)化的話，那么其前景還是相當(dāng)光明的。
