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直升机在20世纪50～70年代的越战中大显身手，此后的几十年里，美军所需的空中全方位操控和空中悬停，以及平地着陆等基础性垂直起飞降落能力主要依靠直升机来提供。可以说，在美国发动的历次军事行动中，直升机都是功不可没的。尽管美军装备的各类直升机的技术水平在不断提高，却有一个硬伤无法治愈，那就是使用旋翼的直升机，其飞行速度最高只能达到200节（370千米/时），很难适应未来更具挑战性的特种作战需求。
随着航空技术的发展，固定翼垂直起降飞机的出现，虽然在一定程度上弥补了直升机类飞行器的性能缺陷，但其本身仍然存在不小的问题。由于要实现垂直起降，固定翼机的起飞重量只能为发动机推力的83%至85%，有效载荷的限制影响了飞机的载弹量/载油量。同时，飞机垂直起飞时发动机工作在最大推力状态，耗油量非常大。起飞阶段过量的油料消耗，进一步限制了其作战半径。比如，著名的英国 “鹞”式战机（美国引进后赋予其AV-8A的编号，其改进型为AV-8B）载弹量为1360千克、采用垂直起飞时，作战半径仅为92千米。为了延长航程，在实际使用中“鹞”式飞机一般会采取短距起飞、垂直降落的方式（Short Take-Off Vertical Landing，STOVL）。而在实战中，由于“鹞”式/AV-8B经常要部署到未经制备的野战机场，为防止发动机吸入异物，往往会使用滑跑垂直降落的方式（RVL）。因此，固定翼垂直起降飞机在场地的适应性上远不如直升机，再加上不同任务的需求，前者就更不可能完全取代后者。目前，下一代STOVL产品F-35B即将列装，本文中探讨的垂直起降X-飞机，则是直升机的下一代产品。
以当前的航空技术水平，直升机很难在不牺牲航程、气动效率及有效载荷的前提下提高航速。拥有常规旋翼的直升机，其理论最大速度约为320千米/时。一些特殊的设计能够成功创造更高的速度，例如，V-22“鱼鹰”倾转旋翼机的最大速度可达509千米/时。西科斯基飞机公司研发的增加推进螺旋桨的X-2高速直升机的最大速度为469千米/时。虽然这些机型的速度相对较高，但都是在航空动力学的设计上牺牲了悬停效率及航程。
对下一型“鹰”的基本要求
那么，未来的垂直起降飞机要达到什么要求呢？提升速度是当务之急。速度高的垂直起降飞机，其不仅完成任务所需的时间将缩短，任务成功的概率也可以大幅改观。同时，高航速可以弥补垂直起降飞机易遭敌方攻击的弱点。
美国国防部高级研究计划局推出的新型的垂直起降试验型机，即垂直起降X-飞机项目，将试图通过在固定翼机和旋翼机之间采取“异花授粉”的革新方式，来克服传统直升机速度慢的缺陷，使得垂直起降飞行技术得到根本性提高。航空工业界的工程师们要集中他们智慧，创造出一种结合了固定翼机和旋翼机双方优点的垂直起降飞行器，力求在未来推动如下4个领域的变革，这也是X-飞机项目要求达到的4项指标：
·比常规旋翼机速度快，最大速度要达到300～400节（556～741千米/时）
·悬停效率将从现有的60%提高到75%以上
·巡航效率高，将巡航飞行时的升阻比从目前的5～6提高到10
·有效载荷大，占到飞机起飞重量的40%
按照官方说法，该项目计划的研发工作将分为三个阶段实施，从2013年10月至2018年2月，为期52个月，合同总价值近1.3亿美元。美国国防部高级研究局在首阶段将斥资4700万美元用于概念预研；第二阶段是为期18个月的研发及系统整合工作，并进一步增强设计成熟度；第三阶段为原型机的飞行测试阶段。
2014年3月18日，美国防部高级研究计划局宣布已经将第一阶段的概念预研工作授予了美国极光飞行科学公司（Aurora Flight Sciences）、卡莱姆（Karem）飞机公司、军工业巨头波音公司以及西科斯基飞机公司。到2015年底，这4家公司将分别提交各自的设计方案，之后将由国防部高级研究计划局审定并最终决定授予哪一家公司研发合同。2017至2018年间，首架X-飞机项目的原型机将进行地面和空中飞行测试，具体投产和服役时间待定。下面笔者就对这4种设计方案一一进行猜解。
极光飞行科学公司的“闪电打击”
极光飞行科学公司于1989年成立，总部位于美国弗吉尼亚州的马纳萨斯市，以设计和制造无人机为专长。该公司曾经参与过美国国家航空航天局著名的“环境研究飞机及传感器技术”项目（即ERAST项目）以及大名鼎鼎的RQ-4“全球鹰”无人机研发项目。其设计的最著名产品当属“黄金眼”系列小型垂直起降无人机。
极光飞行科学公司此次参与垂直起降X-飞机竞标的产品被命名为“闪电打击”（Lightening Strike），详细内容尚未向外界披露。不过，研究和使用涵道风扇及混合燃料推进技术是这家公司的两大传统优势，相信制定的垂直起降X-飞机的设计方案也基本不会背离这个特色。这里我们来简单了解一下“黄金眼”系列无人机，或许可以从中找寻到新方案的设计源头。
“黄金眼”系列无人机共有50/80/100三种型号，该系列无人机从外观上看就像一个大的水桶上长出了四条腿，“水桶”是该机包含发动机的机体，四条腿就是它的两对机翼。这种设计的优势在于能够使得飞行器像直升机一样垂直起飞或空中悬停，然后用机翼进行稳定的水平飞行，并实现垂直降落。“黄金眼”100无人机高1.7米，起飞重量67.5千克，续航时间4小时，最大航程800千米，最大速度160节（296千米/时），主要用于执行情报监视侦察任务。该机采用了涵道风扇式设计，动力系统（即一台由圆柱体包裹的推进器）为AR741型转子发动机，整个机体采用了轻型结构材料，能产生更大的升力，具备气动效率高、抗风能力强，结构紧凑、安全性高等特点。
其实，这项技术在20世纪80年代已经得到了应用，涵道风扇发动机非常适合制造各种小型垂直起降无人机，典型的当属美国联合航空公司设计的iSTAR无人机和新加坡的 “扇尾鸽”（Fantail）无人机。2004年，美国防部高级研究计划局也以“黄金眼”无人机为基础为陆军研发了一款名为OVA-II的新型侦察无人机，并取得了成功。
笔者猜测，“闪电打击”方案应该借鉴了“黄金眼”的独到之处，但诸多重要性能指标肯定要高于“黄金眼”，例如翼展、机身长度、飞行速度及综合指数等。其次，“闪电打击”这个方案很可能采用涵道风扇式设计，因为要满足美国军方提出的既定要求，在性能上也一定会有大幅度提高。
涵道风扇技术并不复杂，“闪电打击”肯定会在原有设计上进行改进，这也是涵道风扇式无人机今后发展的趋势；此外还要克服平飞速度较小，稳定性较差的劣势，提高控制实现准确度；再次，要改变任务载荷形状及携带方式，保证无人机任务完成质量；最后，通过改变涵道尾部的姿态控制组件及其结构，进一步提高飞行器的灵活机动性能。
卡莱姆飞机公司的“倾转旋翼机”
卡莱姆飞机公司也是来头不小，由以色列人亚伯拉罕·卡莱姆于2000年创立。广为人知的“捕食者”无人机和A160“蜂鸟”无人机就是由卡莱姆飞机公司设计的。随后，卡莱姆飞机公司致力于倾转旋翼机的设计方案。其中，最著名的当属代号为TR36TD的重型倾转旋翼机，该机采用了转速优化旋翼技术，即根据起飞重量、飞行高度和飞行速度的不同，对旋翼的转速进行调整优化，从而提高飞机在整个包线内的飞行性能，最高航速可达370节（685千米/时）。相比于其他旋翼机，该机具有更快的爬升速度和更为持久的机动能力，适合于在更高海拔进行高空作业，并且航程更长，维护保养简单，消耗低。
除此之外，卡莱姆参与的另一个知名项目就是美国联合重型垂直起降运输机计划（JHL），并提出了“最优速度倾转旋翼方案”，机型代号TR75。TR75在设计上采用了与V-22“鱼鹰”相同的倾转旋翼构型，在性能上非常了得。该机具备更强的运输能力，有效载荷36吨，最高航速达330节（611千米/时），计划燃料效率与最好的固定翼飞机相当。有消息称，卡莱姆飞机公司在垂直起降X-飞机的设计方案上已经瞄准了能够达到最佳航速的“倾转旋翼机”，相信会从TR36TD和TR75两种方案中汲取它们的精华。
波音公司的“幻影敏捷”
波音公司是世界军工业巨头，除了生产有人驾驶飞机外，在无人机领域的成就也是有目共睹。曾经参加过美国国防高级研究计划局牵头实施的“联合无人作战航空系统项目”（J-UCAS）竞标的X-45A无人机。虽然后来J-UCAS项目下马，但X-45A衍生出来“幻影射线”（Phantom Ray），并参与了美海军新近推出的“无人舰载发射侦察与打击项目”（UNCLASS）竞标。此外，还有拥有全新三角翼布局设计、通过减少舷窗座位来提高气动性能和更高燃料使用率的未来飞行器X-48B。
波音公司此次拿来竞标X-飞机项目的验证性产品被命名为“幻影敏捷”（Phantom Swift）。波音也是4家公司当中唯一公布产品实物模型的。作为一款无人航空器，“幻影敏捷”运用了不少新技术。其中，最显著的特点就是在机身内部安装了两台升力风扇，用于提供垂直起降阶段的主升力。飞机在进入巡航状态后，两台升力风扇将停止工作，其上的机盖会自动关闭。除此之外，在机翼的两个翼尖上各安装有一台能够进行180度旋转的函道风扇，用来提供附加升力和水平飞行时的推力，以及在悬停时控制机身。据悉，该机的实物模型，是2013年波音公司使用先进的3D打印技术制造的缩尺模型，并已经进行了若干项基础测试。
波音公司项目组的工程师表示，“幻影敏捷”设计的主要难度在于如何能够保持出色的悬停效率以及较高的巡航速度。这个项目要力求在不牺牲悬停效率的前提下实现460节（852千米/时）的最大飞行速度。当然，这种航空器未来也将面临着诸多技术上的挑战。
西科斯基的“新概念”
西科斯基公司是美国主要的直升机制造商之一，在业界知名度很高，最著名的产品就是广为人知的UH-60“黑鹰”多用途直升机和X-2高速直升机。美国总统使用的直升机“海军陆战队一号”也一直使用西科斯基公司的产品。
为了参加此次竞标，西科斯基公司与洛克希德·马丁公司的臭鼬工厂将实施为期22个月的概念研究和预先设计工作，斥资1440万美元。他们将联合开发一种低复杂性、将固定翼的航空动力学与先进的旋翼控制技术相结合的新技术。据悉，新的设计方案将应用一种被称为“吹气翼无人旋翼机”（Unmanned Rotor Blown Wing）的“新概念”，目前应该是出于保密考虑尚未有任何资料披露细节。
有分析人员认为，西科斯基公司此次打造的“新概念”垂直起降飞机似乎与波音公司曾经推出的一款名为“Heliwing”的无人机有着某些相同之处。“Heliwing”无人机采用尾部坐地、机身竖直的立式垂直起降方式（Tail Sitter），起飞并达到一定速度后，机身再转平进行水平飞行。该无人机翼展为17英尺（5.18米），起飞重量1450磅（658千克）。机翼两侧各安装一台功率为240轴马力（132千瓦）的WTS117型涡轮轴发动机，驱动直径为7英尺（2.13米）的螺旋桨为该机提供动力。该机航速可达到180节（333千米/时），装载200磅（91千克）有效载荷可飞行约5小时。“Heliwing”的验证机于1995年4月实现了首飞，同年6月坠毁，之后该项目被取消。
结语
上面的4种方案都各有特点，美国国防部高级研究计划局最终会选择哪一款还需要时间的检验。不过，任何一款航空产品都是符合本国实际作战需求的，X-飞机也不例外。美军在海外部署上十分注重特种作战的应用，因此对旋翼机类产品的要求也相对较高。多年来的反恐战争证明，优秀的旋翼机对于美军获得战场优势而言至关重要。
当前，比较常见的V-22“鱼鹰”倾转旋翼主要用作运输使用，而MQ-8B“火力侦察兵”无人侦察/攻击直升机、K-MAX无人运输直升机等诸多无人直升机也在逐步推广应用。那么垂直起降X-飞机的作战应用应该也是以运输为主，未来也很可能加装侦察传感器或武器装备执行侦察/攻击任务。相信X-飞机会在旋翼技术突破的基础上，不断带给外界新看点。
随着航空技术的发展，固定翼垂直起降飞机的出现，虽然在一定程度上弥补了直升机类飞行器的性能缺陷，但其本身仍然存在不小的问题。由于要实现垂直起降，固定翼机的起飞重量只能为发动机推力的83%至85%，有效载荷的限制影响了飞机的载弹量/载油量。同时，飞机垂直起飞时发动机工作在最大推力状态，耗油量非常大。起飞阶段过量的油料消耗，进一步限制了其作战半径。比如，著名的英国 “鹞”式战机（美国引进后赋予其AV-8A的编号，其改进型为AV-8B）载弹量为1360千克、采用垂直起飞时，作战半径仅为92千米。为了延长航程，在实际使用中“鹞”式飞机一般会采取短距起飞、垂直降落的方式（Short Take-Off Vertical Landing，STOVL）。而在实战中，由于“鹞”式/AV-8B经常要部署到未经制备的野战机场，为防止发动机吸入异物，往往会使用滑跑垂直降落的方式（RVL）。因此，固定翼垂直起降飞机在场地的适应性上远不如直升机，再加上不同任务的需求，前者就更不可能完全取代后者。目前，下一代STOVL产品F-35B即将列装，本文中探讨的垂直起降X-飞机，则是直升机的下一代产品。
以当前的航空技术水平，直升机很难在不牺牲航程、气动效率及有效载荷的前提下提高航速。拥有常规旋翼的直升机，其理论最大速度约为320千米/时。一些特殊的设计能够成功创造更高的速度，例如，V-22“鱼鹰”倾转旋翼机的最大速度可达509千米/时。西科斯基飞机公司研发的增加推进螺旋桨的X-2高速直升机的最大速度为469千米/时。虽然这些机型的速度相对较高，但都是在航空动力学的设计上牺牲了悬停效率及航程。
对下一型“鹰”的基本要求
那么，未来的垂直起降飞机要达到什么要求呢？提升速度是当务之急。速度高的垂直起降飞机，其不仅完成任务所需的时间将缩短，任务成功的概率也可以大幅改观。同时，高航速可以弥补垂直起降飞机易遭敌方攻击的弱点。
美国国防部高级研究计划局推出的新型的垂直起降试验型机，即垂直起降X-飞机项目，将试图通过在固定翼机和旋翼机之间采取“异花授粉”的革新方式，来克服传统直升机速度慢的缺陷，使得垂直起降飞行技术得到根本性提高。航空工业界的工程师们要集中他们智慧，创造出一种结合了固定翼机和旋翼机双方优点的垂直起降飞行器，力求在未来推动如下4个领域的变革，这也是X-飞机项目要求达到的4项指标：
·比常规旋翼机速度快，最大速度要达到300～400节（556～741千米/时）
·悬停效率将从现有的60%提高到75%以上
·巡航效率高，将巡航飞行时的升阻比从目前的5～6提高到10
·有效载荷大，占到飞机起飞重量的40%
按照官方说法，该项目计划的研发工作将分为三个阶段实施，从2013年10月至2018年2月，为期52个月，合同总价值近1.3亿美元。美国国防部高级研究局在首阶段将斥资4700万美元用于概念预研；第二阶段是为期18个月的研发及系统整合工作，并进一步增强设计成熟度；第三阶段为原型机的飞行测试阶段。
2014年3月18日，美国防部高级研究计划局宣布已经将第一阶段的概念预研工作授予了美国极光飞行科学公司（Aurora Flight Sciences）、卡莱姆（Karem）飞机公司、军工业巨头波音公司以及西科斯基飞机公司。到2015年底，这4家公司将分别提交各自的设计方案，之后将由国防部高级研究计划局审定并最终决定授予哪一家公司研发合同。2017至2018年间，首架X-飞机项目的原型机将进行地面和空中飞行测试，具体投产和服役时间待定。下面笔者就对这4种设计方案一一进行猜解。
极光飞行科学公司的“闪电打击”
极光飞行科学公司于1989年成立，总部位于美国弗吉尼亚州的马纳萨斯市，以设计和制造无人机为专长。该公司曾经参与过美国国家航空航天局著名的“环境研究飞机及传感器技术”项目（即ERAST项目）以及大名鼎鼎的RQ-4“全球鹰”无人机研发项目。其设计的最著名产品当属“黄金眼”系列小型垂直起降无人机。
极光飞行科学公司此次参与垂直起降X-飞机竞标的产品被命名为“闪电打击”（Lightening Strike），详细内容尚未向外界披露。不过，研究和使用涵道风扇及混合燃料推进技术是这家公司的两大传统优势，相信制定的垂直起降X-飞机的设计方案也基本不会背离这个特色。这里我们来简单了解一下“黄金眼”系列无人机，或许可以从中找寻到新方案的设计源头。
“黄金眼”系列无人机共有50/80/100三种型号，该系列无人机从外观上看就像一个大的水桶上长出了四条腿，“水桶”是该机包含发动机的机体，四条腿就是它的两对机翼。这种设计的优势在于能够使得飞行器像直升机一样垂直起飞或空中悬停，然后用机翼进行稳定的水平飞行，并实现垂直降落。“黄金眼”100无人机高1.7米，起飞重量67.5千克，续航时间4小时，最大航程800千米，最大速度160节（296千米/时），主要用于执行情报监视侦察任务。该机采用了涵道风扇式设计，动力系统（即一台由圆柱体包裹的推进器）为AR741型转子发动机，整个机体采用了轻型结构材料，能产生更大的升力，具备气动效率高、抗风能力强，结构紧凑、安全性高等特点。
其实，这项技术在20世纪80年代已经得到了应用，涵道风扇发动机非常适合制造各种小型垂直起降无人机，典型的当属美国联合航空公司设计的iSTAR无人机和新加坡的 “扇尾鸽”（Fantail）无人机。2004年，美国防部高级研究计划局也以“黄金眼”无人机为基础为陆军研发了一款名为OVA-II的新型侦察无人机，并取得了成功。
笔者猜测，“闪电打击”方案应该借鉴了“黄金眼”的独到之处，但诸多重要性能指标肯定要高于“黄金眼”，例如翼展、机身长度、飞行速度及综合指数等。其次，“闪电打击”这个方案很可能采用涵道风扇式设计，因为要满足美国军方提出的既定要求，在性能上也一定会有大幅度提高。
涵道风扇技术并不复杂，“闪电打击”肯定会在原有设计上进行改进，这也是涵道风扇式无人机今后发展的趋势；此外还要克服平飞速度较小，稳定性较差的劣势，提高控制实现准确度；再次，要改变任务载荷形状及携带方式，保证无人机任务完成质量；最后，通过改变涵道尾部的姿态控制组件及其结构，进一步提高飞行器的灵活机动性能。
卡莱姆飞机公司的“倾转旋翼机”
卡莱姆飞机公司也是来头不小，由以色列人亚伯拉罕·卡莱姆于2000年创立。广为人知的“捕食者”无人机和A160“蜂鸟”无人机就是由卡莱姆飞机公司设计的。随后，卡莱姆飞机公司致力于倾转旋翼机的设计方案。其中，最著名的当属代号为TR36TD的重型倾转旋翼机，该机采用了转速优化旋翼技术，即根据起飞重量、飞行高度和飞行速度的不同，对旋翼的转速进行调整优化，从而提高飞机在整个包线内的飞行性能，最高航速可达370节（685千米/时）。相比于其他旋翼机，该机具有更快的爬升速度和更为持久的机动能力，适合于在更高海拔进行高空作业，并且航程更长，维护保养简单，消耗低。
除此之外，卡莱姆参与的另一个知名项目就是美国联合重型垂直起降运输机计划（JHL），并提出了“最优速度倾转旋翼方案”，机型代号TR75。TR75在设计上采用了与V-22“鱼鹰”相同的倾转旋翼构型，在性能上非常了得。该机具备更强的运输能力，有效载荷36吨，最高航速达330节（611千米/时），计划燃料效率与最好的固定翼飞机相当。有消息称，卡莱姆飞机公司在垂直起降X-飞机的设计方案上已经瞄准了能够达到最佳航速的“倾转旋翼机”，相信会从TR36TD和TR75两种方案中汲取它们的精华。
波音公司的“幻影敏捷”
波音公司是世界军工业巨头，除了生产有人驾驶飞机外，在无人机领域的成就也是有目共睹。曾经参加过美国国防高级研究计划局牵头实施的“联合无人作战航空系统项目”（J-UCAS）竞标的X-45A无人机。虽然后来J-UCAS项目下马，但X-45A衍生出来“幻影射线”（Phantom Ray），并参与了美海军新近推出的“无人舰载发射侦察与打击项目”（UNCLASS）竞标。此外，还有拥有全新三角翼布局设计、通过减少舷窗座位来提高气动性能和更高燃料使用率的未来飞行器X-48B。
波音公司此次拿来竞标X-飞机项目的验证性产品被命名为“幻影敏捷”（Phantom Swift）。波音也是4家公司当中唯一公布产品实物模型的。作为一款无人航空器，“幻影敏捷”运用了不少新技术。其中，最显著的特点就是在机身内部安装了两台升力风扇，用于提供垂直起降阶段的主升力。飞机在进入巡航状态后，两台升力风扇将停止工作，其上的机盖会自动关闭。除此之外，在机翼的两个翼尖上各安装有一台能够进行180度旋转的函道风扇，用来提供附加升力和水平飞行时的推力，以及在悬停时控制机身。据悉，该机的实物模型，是2013年波音公司使用先进的3D打印技术制造的缩尺模型，并已经进行了若干项基础测试。
波音公司项目组的工程师表示，“幻影敏捷”设计的主要难度在于如何能够保持出色的悬停效率以及较高的巡航速度。这个项目要力求在不牺牲悬停效率的前提下实现460节（852千米/时）的最大飞行速度。当然，这种航空器未来也将面临着诸多技术上的挑战。
西科斯基的“新概念”
西科斯基公司是美国主要的直升机制造商之一，在业界知名度很高，最著名的产品就是广为人知的UH-60“黑鹰”多用途直升机和X-2高速直升机。美国总统使用的直升机“海军陆战队一号”也一直使用西科斯基公司的产品。
为了参加此次竞标，西科斯基公司与洛克希德·马丁公司的臭鼬工厂将实施为期22个月的概念研究和预先设计工作，斥资1440万美元。他们将联合开发一种低复杂性、将固定翼的航空动力学与先进的旋翼控制技术相结合的新技术。据悉，新的设计方案将应用一种被称为“吹气翼无人旋翼机”（Unmanned Rotor Blown Wing）的“新概念”，目前应该是出于保密考虑尚未有任何资料披露细节。
有分析人员认为，西科斯基公司此次打造的“新概念”垂直起降飞机似乎与波音公司曾经推出的一款名为“Heliwing”的无人机有着某些相同之处。“Heliwing”无人机采用尾部坐地、机身竖直的立式垂直起降方式（Tail Sitter），起飞并达到一定速度后，机身再转平进行水平飞行。该无人机翼展为17英尺（5.18米），起飞重量1450磅（658千克）。机翼两侧各安装一台功率为240轴马力（132千瓦）的WTS117型涡轮轴发动机，驱动直径为7英尺（2.13米）的螺旋桨为该机提供动力。该机航速可达到180节（333千米/时），装载200磅（91千克）有效载荷可飞行约5小时。“Heliwing”的验证机于1995年4月实现了首飞，同年6月坠毁，之后该项目被取消。
结语
上面的4种方案都各有特点，美国国防部高级研究计划局最终会选择哪一款还需要时间的检验。不过，任何一款航空产品都是符合本国实际作战需求的，X-飞机也不例外。美军在海外部署上十分注重特种作战的应用，因此对旋翼机类产品的要求也相对较高。多年来的反恐战争证明，优秀的旋翼机对于美军获得战场优势而言至关重要。
当前，比较常见的V-22“鱼鹰”倾转旋翼主要用作运输使用，而MQ-8B“火力侦察兵”无人侦察/攻击直升机、K-MAX无人运输直升机等诸多无人直升机也在逐步推广应用。那么垂直起降X-飞机的作战应用应该也是以运输为主，未来也很可能加装侦察传感器或武器装备执行侦察/攻击任务。相信X-飞机会在旋翼技术突破的基础上，不断带给外界新看点。