于琦

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

0. 引言

美陆军希望“未来攻击侦察直升机”（FARA）能够紧跟地面作战部队，在地面作战部队的上方飞行。当进攻撕裂敌防御系统后，美陆军的“未来垂直起降飞行器”将运输地面作战部队至作战区域。未来攻击直升机将使用革命性的技术，其飞行速度为常规直升机的两倍，可在敌恢复防空系统前抵达目标区域和快速撤离。

1. 未来攻击侦察飞行器的作战能力要求

FARA作战概念紧扣美国防部的多域作战行动（Multidomain Operations）概念，多域作战行动要求地面与空中、有人和无人、目视可见和网络/电磁等域密切协同，以粉碎敌方由远程精确制导武器组成的多层次防御体系。从美军的要求可以看出，美军对“未来攻击侦察攻击飞行器”的要求很高，除了常规的空中侦察、对地攻击作战、与武装直升机和通用直升机联合作战以外，还突出以下几个重点。

1.1 外形尺寸较小，敏捷性好

首先，FARA自身外形尺寸较小，敏捷性好，善于利用山地和建筑物进行隐藏，FARA旋翼旋转时最大直径不超过12.2m，甚至可以沿街道飞行。

1.2 可作为控制无人机的控制机

FARA主要作为控制无人机的控制机，虽然FARA也可选为无人驾驶，但通常有1名或2名机组人员，可与各种无人机协同作战。现代无人机的自主性在增加，能够按人员设定的目标自主飞行，不需要地面人员远程控制。但无人机还需要人通过数据链来指挥，指挥人员可在靠近前沿的高机动飞机上，而不是在后方指挥所，这样可更加紧密与前方无人机的联系，同时可以缩短指令的延迟时间、提高抗干扰性，减轻了对卫星通信的依赖。

（1）可消耗的空中投放微型无人机，可携带传感器、诱饵、干扰装置、爆炸物等各种载荷。（2）取代当前的RQ-7B“影子”无人机的小尺寸、不依赖跑道的战术无人机，“影子”无人机需要跑道，并且外形尺寸太大，不能被CH-47搭载。（3）取代MQ-1C“灰鹰”的生存能力更强的大型无人机，“灰鹰”是“捕食者”无人机的改进型，需要两名地面人员进行远程控制，且无法穿透先进的防空系统。

1.3 与地面部队密切协同

FARA与地面部队密切协同，步兵和装甲车将在地面摧毁敌防空，而FARA及伴随的无人机可利用高度优势看得更远。例如，定位威胁目标并将目标信息传给地面远程火炮，远程火炮攻击目标。当FARA指挥无人机时，获取的信息可通过可靠的无线网络传给其他作战力量。美陆军的多域作战行动概念有纵深攻击的内容，但主要由无人机、远程火炮和导弹承担，而不是有人机。对于FARA，则不会承担纵深攻击的任务。

1.4 突出高速性

美军要求未来攻击侦察直升机最大飞行速度为378km/h，当前武装直升机最大飞行速度都在350km/h以内，侦察直升机普遍不超过300km/h，美国AH-64D “阿帕奇”最大飞行速度293km/h，俄罗斯的卡-52“短吻鳄”最大飞行速度300km/h，俄罗斯米-28NE最大飞行速度也仅有300km/h。

1.5 人工智能和无人驾驶

美军对未来多个平台提出了采用人工智能技术和无人驾驶的要求，从陆地的步兵战车到空中的新一代直升机，因为伴随着人工智能技术的发展，用于作战将是必然的趋势，可以有效减少人员工作强度和反应速度。

1.6 发现和摧毁敌方无人机的能力

毕竟当前战场各种类型的无人机使用广泛，尤其是各类小型任务机逐渐成为步兵作战的协同力量，发现难，拦截难，所以打击敌方无人机是非常重要的。

1.7 与己方无人机联合作战的能力

在打击敌方无人机的同时，要求专用安全网络控制己方无人机，这就要求可以控制己方的无人机执行侦察、打击、巡逻等多种任务，进一步扩大了侦察和打击的范围。

2.AVX和L3Technologies公司联合推出复合共轴的AVX-L3 CCH

2.1 研发概况

美国陆军推动FARA项目的目的是为了寻求一种轻型攻击侦察直升机，用于代替已经退役的OH-58D直升机。AVX飞机公司和L3 Technologies公司的联合团队设计了一种新型高速攻击侦察直升机AVX-L3 CCH，用于参加美国陆军未来攻击侦察机（FARA）竞争性原型计划竞赛的第一阶段。其总体布局与AVX早期参与美国陆军联合多任务演示验证计划JMR-TD的旋翼飞行器很像，但细节上做了改进。AVX-L3 CCH（Coaxial Compound Helicopter）直升机创新地采用了复合共轴布局，是一种带有共轴双旋翼和两副涵道风扇推进螺旋桨的复合直升机。从作战应用角度讲，这种联合多用途直升机能够执行火力打击、武装侦察、搜索救援等多种任务，是美军直升机未来发展的一个方向，仅用于搜救任务，就能适合各种战场环境，保存在战斗中受损失部队的有生力量，对于人道主义救援等非战争军事行动也具有重要意义。早期的AVX-L3 CCH直升机设计效果如图1所示。

L3公司表示，联合团队的创新设计解决方案将超越FARA提出的侦察和轻型攻击任务指标要求，是一种同时兼具高性能和高生存能力的作战平台。AVX-L3 CCH原型机概念如图2所示。

AVX公司表示，因为AVX-L3 CCH直升机采用复合共轴设计方案，将100%满足美国陆军未来攻击侦察飞行器的指标要求门槛，并且超过70%，CCH直升机设计与严格的工程和生产流程及认证相结合，将提供安全、性能优异、价格合理的新型旋翼飞行器，能够在高度危险的空域和恶劣的环境中长时间执行任务。AVX-L3 CCH执行任务示意图如图3所示。

2.2 早期研究的成果

AVX公司在2009年就已经开始了共轴式复合直升机（CCH）的研发，其可运载14名士兵，其包括带有尾舱门，两侧滑动门既能满足士兵迅速登机与撤离的要求，也能满足货运要求，并设计有3个外吊挂货钩。AVX飞机公司的JMR目标机全面适应舰载需求，着舰面积比“黑鹰”“阿帕奇”都要小。

共轴式复合直升机（CCH）在机身两侧设计有两个7片桨叶涵道风扇，为共轴布置的两副旋翼卸载，采用可收放起落架，突击型采用内置武器，机身阻力小，而且在通用运输型与突击型之间的通用程度达到90%。

AVX早期完成的主要工作有：在低速风洞中进行了1/10缩比模型的吹风测试；进行了CCH性能和操稳性研究；在大型风洞中进行了1/2缩比模型吹风试验。

2.2.1 气动布局优化设计

AVX已经采用多种方式建立了CCH的空气动力学和结构动力学模型，其中包括使用CHARM软件建立的气动干扰模型。这种模型快速、高效，置信度也能满足工程设计需求，能够模拟旋翼、涵道螺旋桨、机翼和机身之间的干扰，并对其气动特性进行分析并以此为基础进行优化设计，能够设计的参数包括旋翼的翼型、扭转分布以及涵道螺旋桨和机翼的气动布局。气动干扰模型建模如图4所示。

2.2.2 结构动力学设计

AVX公司采用旋翼飞行器综合分析系统（Rotorcraft Comprehensive Analysis System）来探索CCH直升机旋翼系统的动力学特性，并分析了上下旋翼轴间距对整体动力学特性的影响。动力学特性研究如图5所示。

2.2.3 模型风洞试验

AVX公司按照早期的方案制造了缩比机身模型，并进行了风洞试验。现有的风洞试验中，CCH方案都只有机身、机翼和涵道参与了吹风测试，旋翼、涵道中的螺旋桨尚未进行试验。风洞试验如图6所示。

2.3 技术特点

（1）AVX-L3 CCH直升机采用单发动机设计，复合共轴双旋翼搭配升力机翼，具有更高的飞行速度，全机的质量更轻，在整个生命周期内需要更少的维护。融入创新的方法和技术如图7所示。（2）采用共轴双旋翼+机翼+ 两副涵道风扇推进螺旋桨的复合式布局，旋翼都是铰接式旋翼。挥舞铰和摆振铰如图8所示。（3）横列式驾驶舱，采用电传操纵，针对飞行员的任务执行效率进行了优化，两个横列布局的涵道风扇，为高速飞行和机动性提供前进和后退的推力。（4）先进的现代开放系统架构（MOSA）的数字架构和航空电子系统。（5）机体后侧下方有2个小短翼，装备4枚“地狱火”反坦克导弹，机头下方有一座3管机关炮炮塔，光电搜索侦察设备位于机鼻上方。AVX-L3 CCH直升机发射导弹如图9所示。（6）旋翼桨叶和机翼可折叠，能满足C-17装载和海军DDG级舰艇存放尺寸限制。（7）模块化设计，为所有美国陆军多个飞行器能力集提供组件，重复利用和高度系统通用性。

2.4 技术参数

按照FARA的要求，AVX-L3 CCH达到379.66km/h的最低速度，旋翼直径12m。

3. 卡瑞姆飞机公司推出魔幻感极强的AR-40

3.1 研发概况

卡瑞姆（Karem）公司在2019年美国陆军协会论坛（AUSA 2019）展出了AR-40复合直升机概念模型，参与美国陆军未来武装侦察直升机竞标，直面西科斯基共轴双刚性旋翼+尾部推进螺旋桨的“Raider”X和采用传统直升机设计的贝尔360 Invictus的竞争。AR-40在低速下以传统直升机模式飞行，在高速下以复合直升机模式飞行，要实现这点全靠该机的可侧转尾部推进螺旋桨。从设计角度看，AR-40 直升机由刚性旋翼、机翼和尾部螺旋桨构成，这种设计能够实现直升机低速飞行时产生的反扭矩，而直升机以更高速度起飞时，可产生推力。这是目前为止最符合FARA要求的设计想法，在直升机高速飞行时，可实现低阻力。旋翼桨叶单独受电动执行机构控制，尽可能提高直升机飞行性能，将阻力和振动最小化。AR-40直升机还采用双人驾驶舱设计，不仅提升了整个机组的配合效率，还为驾驶舱的设备和人员提供了足够的可用空间。

AR-40的合作与分工：卡瑞姆负责核心的旋翼和传动技术，诺斯罗普提供生产和产品支持以及航空电子专业知识，雷神则负责任务系统集成和设计模块化开放系统架构，所以该机在FARA竞标中具有较强实力。卡瑞姆AR-40概念如图10所示。

3.2 设计亮点

（1）摆动尾桨。卡瑞姆公司在AR-40上采用“摆动尾桨”，能在3s内完成90°旋转，既能在低速下作为反扭尾桨使用，又能在高速下作为推进螺旋桨使用，此时随着飞行速度的提高，旋翼扭矩已经能被垂尾产生的偏航力矩完全抵消。卡瑞姆AR-40可侧转尾桨如图11所示。

（2）速度优化旋翼。AR-40 采用三片桨叶的“速度优化旋翼”，能根据垂直起降和水平飞行情况主动调整旋翼转速，保持旋翼叶片始终处于最佳负载状态，最大程度上提高推进效率。此外，这种旋翼系统并没有采用传统直升机的总距和周期变距控制系统，能单独控制每一个叶片的桨距，通过微操作进一步优化旋翼气动性能。

（3）大翼展机翼。AR-40采用长机翼，该机翼能在水平飞行提供大部分升力，为旋翼大幅卸载，并且外翼段在上升和下降过程中可以倾转到垂直状态，降低对旋翼下洗气流的干扰。

3.3 技术特点

（1）采用旋翼+机翼+可侧转尾桨的复合式布局，机身非常圆润，整体流线布局有利于隐身，可运载4名士兵。（2）采用并列双座座舱布局，机身中部安装一台军方指定的通用电气T901涡轴发动机，最大功率3000马力。（3）驾驶舱之后设置有一个小客舱，可容纳4名乘客。例如，运输特种作战部队执行潜入任务，之后是内部弹舱。由于机翼倾转设计，AR-40拥有一个巨大的武器舱，所有武器都内置于弹舱，可以容纳多种武器，没有设置翼下挂架。

旋翼桨叶具备单独控制功能，可以使其在声学和可靠性方面获得最佳效果，从而降低飞行噪音并提升飞行效率。卡瑞姆AR-40原型机模型如图12所示。

3.4 AR-40技术参数

旋翼直径为11m，机翼翼展为12.2m，机身长为14m，最大平飞速度约为407km/h，远超军方规定的333km/h底线，能在1219m/35℃条件下完成悬停。

4. 结语

美国直升机竞标的最终目的，是要研发一款性能优异、价格便宜还要符合未来作战要求的直升机，隐身直升机成为极佳的选择。美国陆军正在朝着规模更小、更加机动灵活的方向发展，同时面临着财政紧缩的问题，因此需要一种新型攻击侦察直升机。美国陆军的作战原则支持攻击与侦察任务的合理结合，此外，未来的攻击侦察直升机应该体现技术的飞跃，而不应该用新的形式表现旧的内容。用于实施攻击任务的解决方案是研制一种新型直升机，这种直升机的任务首先是侦察、防卫和近距离攻击；其次，这种直升机必须能够实施对传统威胁的攻击。

总之，AVX公司希望从易用性和性价比方面来体现其优势所在。CCH的设计意图更多是面向高速飞行，所以设计了前置升力面、两侧为大尺寸机翼，并加装了辅助推进装置。在大速度前飞情况下，全机所有的前飞拉力由涵道推进螺旋桨提供，旋翼系统仅需要提供前飞升力，而在高速飞行时，机翼和平尾将产生可观的升力，旋翼最后需要提供升力的比例占悬停总升力的40%以下，因此，旋翼系统的拉力得以卸载，从而避免了高速飞行状态下振动过大的问题。L3公司在航电系统等飞行器配套设施方面有极强的实力，是一家真正能让AVX创新构型落到实地的最佳合作伙伴。卡瑞姆公司的科幻作品AR-40复合直升机安装有先进主动适应旋翼，每个桨叶能都能根据情况独立调整桨距，尾部还安装了可旋转尾桨，在高速时作为推进螺旋桨使用，其性能和复杂性介于贝尔360和“Raider”X之间，属于折中方案。