2013年3月8日，美国国防高级研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency ）发布了新型垂直起落验证机（VTOL X-Plane 又称VXP）的项目需求，要求在垂直起落飞行领域开展一项具有革命性意义的研究。项目经费为1.3亿美元，时间为52个月。

美国DARPA是美国国防部重大科技攻关项目的组织、协调、管理机构和军用高技术预研工作的技术管理部门，主要负责研究、开发和应用具有潜在军事价值、风险大的高新技术，为解决美国中远期国家安全问题提供高技术储备，争取在军事技术领域为美国“创造并防止战略突袭”。该局不生产军用装备，而是为有远见的、有时是怪诞的研究项目提供经费支持以使美国的军事技术处于最前沿的位置。如果DARPA的研究项目取得成果，这些成果将会转交给部队进行下一步的研制。例如，该局对F-35B战斗机使用的升力风扇技术进行一些初期研究工作，但不直接参与F-35的生产。

DARPA称，开展VXP项目的目的是通过支持基础平台和相关子系统的研究，促进垂直起落飞行技术领域出现突破性的进展。该项目最终将研制出一款在持续高速飞行、悬停与巡航效率、有效载重比及平台综合功能等方面大大优于现有传统旋翼机的新型验证机。

项目需求

直升机由于具有不需要机场而能垂直起降、悬停、前后侧飞等优良的飞行品质，在军事和民用中获得广泛的应用。但是，由于直升机旋翼气动力学的固有限制，飞行速度很难超过360千米/时，这限制了其发展。从20世纪40年代起，人们就在探索研究一种既具有直升机垂直起落、悬停、前后侧飞能力，又具有固定翼飞机航程远、高速度飞行性能的飞行器。曾探索过复合式直升机、前行桨叶概念（ABC）、X翼方案、旋翼折叠方案、倾转旋翼机等多种新原理构型旋翼机。经过几十年的试验研究，目前取得较大进展的有复合式直升机X-2、X3和已实用化的V-22倾转旋翼机。常规直升机采用旋翼作为利用空气动力的手段，由于旋翼气动力学的固有限制，不仅使常规直升机速度慢，而且航程短和运输效率低。最新研制的复合式直升机X-2、X3和倾转旋翼机V-22，虽然在速度上由350千米/时提高到460千米/时，但在运输效率方面却提高不多。

DARPA认为，直升机在美国军事行动中的运用已经比较成熟。目前，各类传统设计的直升机基本都具备在无准备的复杂地形与天气条件下作战和快速飞越广阔战场，并将兵力、兵器垂直机降至作战区域的能力。但是，在现有的直升机中，开放式旋翼仍占主导地位，它们虽然能执行许多作战任务，但无法满足未来军队在极端恶劣条件下悬停和远距离、高速度飞行的作战使用要求。因此，发展在性能指标方面大幅超越现有传统机型的新机型很有必要，这也是DARPA启动该项目研究的根本原因。

DARPA称，VXP项目不是为了某一个特定任务而进行的型号研究，而是为了推进新型垂直起落技术、概念机型或构型的发展，验证能从根本上提升直升机飞行性能的垂直飞行技术。换言之，该项目也是为了能够彻底改善未来直升机在速度、悬停效率、航程和有用载重方面的性能，而不仅仅只为了实现某一个特定的任务指标和要求进行技术革新。DARPA强调，对能够突破现有主流构型的概念设计很感兴趣，而对那些仅仅是在现有传统设计方案基础上进行“渐进式改进”的提案兴趣不大。

该项目中研究和发展的新技术应包括空气动力学、动力学、飞行控制、推进系统、机体结构等各个方面。DARPA要求各研发单位注意广泛采用各种新概念新技术，例如提高升力、降低阻力的技术；升力分摊的复合设计和构型；多功能高权限控制技术；提升悬停效率的功率负载技术；旋翼下洗流覆盖区域控制技术；推力增大技术；地效应用技术；创新性推力应用与整合技术；相关的新型飞行控制技术等。尽管该项目的重点不是研究新材料技术、发动机技术、储能技术和自主飞行控制技术，但DARPA仍欢迎在该平台设计中采用上述领域任何可用的最新技术。DARPA还要求设计单位最好能在基础设计阶段注重结构的简洁与整体优化，并采用综合设计方法提高效率和降低整个系统的复杂性。

项目目标

最新分析表明，现有2～10吨级直升机的飞行速度限制在350千米/时左右。这些机型基本上都是采用传统构型，这种设计要受到悬停飞行时功率负载的影响。但是，这些采用“悬停优化”机型的平均悬停效率却只能达到理论上的60%。而且，这些机型的升阻比要比固定翼机低2倍或更多。

根据这些分析，垂直起落验证机项目的首要技术目标是，验证垂直起落机的飞行速度、悬停效率、巡航效率的根本提升程度和验证垂直起落机在整个飞行包线内有效遂行任务的能力。项目的重点不是设计“高速”直升机或能够垂直起落的新型固定翼飞机具体型号，而是研究和设计可以克服限制垂直飞行性能的新概念、新构型、新技术和详细的子系统布局，以解决长期困扰传统直升机的诸如后行桨叶失速、废阻力高、功率负载低、前飞时升力效率低、高空重比等问题。

从定性的角度分析，垂直起落验证机研究项目的根本目标有：提高该机的持续飞行速度；提高该机的悬停效率；提高该机的巡航效率；提高该机的有用载重（燃油、飞行机组、试验器具、有效载荷）。美国DARPA认为，过去的一些垂直起落试验机仅仅注重其中某一方面，而该垂直起落验证机项目要求在同一个平台上同时满足这些目标。这是一项基本要求，是该垂直起落验证机研究的新特点，体现了在提升垂直起落机速度的同时改善其执行有效任务的一种综合能力。

DARPA称，研制垂直起落验证机的目的是确立能使新机具备超常任务能力的性能，具体指标是：（1）以555～740千米/时的真实空速进行持续的高速飞行。（2）飞机悬停效率由60%至少提高到75%。（3）飞机巡航升阻比要达到10。（4）有用载重不低于飞机总重的40%，有效载荷不低于总重的12.5%。

DARPA要求，该项目使用的技术应在4.5～5.5吨相关量级的有人或无人飞行验证机上得到证实，并且要具备较强的适应性，适用于总重2～11吨的各种平台。验证机是采取有人、无人或可选驾驶员模式由研制单位自己决定。研制单位应考虑验证机的空气动力学、重量、控制和适航性认证等问题。验证机应具备充分的载重余度，能在各种飞行条件下实施从-0.5～+2.0g的机动。

垂直起落验证机项目持续时间为52个月，分3个阶段实施，并在授予项目后的第42个月施行首次飞行。第1阶段分为两个子阶段：1A阶段和1B阶段。1A阶段是概念设计，为期6个月；1B阶段是初步设计和技术完善，为期16个月。第2阶段将进行所有的细节设计、研发和集成，时间为18个月。第2阶段和第3阶段期间将制造2架验证机。第3阶段为地面与飞行试验，时间为12个月，将进行飞行测试以明确验证性能包线。2013年3月8日，DARPA发布项目需求的联合通告（BAA） ，宣告第1阶段开始，经费为4700万美元。第1阶段合同按照基础（1A阶段）和可选（1B阶段）方案授予。是否进入第2阶段，要视研制实施团队在第1阶段取得的技术进步和1B阶段投出的下两个阶段详细方案的质量而定。第2、3阶段的方案要从第1阶段的实施团队中选择。在第2阶段及其以后将选择一个实施团队。

竞争团队的投标方案

VXP项目于2013年启动，2014年3月18日DARPA宣布已分别与4个竞争团队签订了金额为110万～170万美元不等的初步设计合同。其中，2个竞争团队是美国顶尖的军用航空制造商波音飞机公司和西科斯基/洛克希德·马丁团队。另2个合同商是由2名美国最具创新才能的航空工程师领导的较小公司，它们是极光飞行科学公司（Aurora Flight Sciences）和卡莱姆飞机公司（Karem Aircraft）。前者的首席设计师是约翰·兰福特（John Langford），他领导的设计团队曾因创造了人力飞行的世界纪录而崭露头角。卡莱姆飞机公司的创建者是亚伯拉罕·卡莱姆（Abraham Karem），他取得了许多航空成就，其中之一是设计制造了著名的“捕食者”无人机。这4个竞争者提出了明显不同的投标方案，但都是无人驾驶的。

波音飞机公司方案 波音飞机公司依靠“鬼怪工厂”快速原型机制造设施，提出了“幽灵雨燕”（Phantom Swift）方案。其机身长约13.4米，宽约2.3米，外形有点像冲浪板。机身前后各有一台大直径内置涵道风扇，在两机翼翼尖各有一台小直径可转向涵道风扇，后者的直径波音飞机公司没有透露。其构型与Doak Model 16 VZ-4的飞机相似，它实际上是在机翼翼尖有转向涵道风扇的常规飞机。我们把这种可转向涵道风扇称之为翼尖推进器，把机身内大涵道升力风扇称作机身升力风扇。“幽灵雨燕”采用4点升力方法作垂直上下飞行和悬停。垂直起飞后，机身内升力风扇底部的排气百叶窗能用于控制飞机悬停时的机动。前飞时百叶窗完全闭合，然后机身升力风扇关闭停转，而翼尖推进器朝前倾转使飞机像常规飞机一样飞行。

人们能完全单独地分别控制所有4台风扇。机身升力风扇底部的排气百叶窗能用于操纵飞行方向。翼尖推进器能独自转向，这也有助于飞行方向操纵。通过控制每台风扇的推力及它们不同的组合能进行低速飞行方向操纵。高速飞行时有尾翼和襟副翼，加上翼尖推进器的作用，该机具有良好的机动性和敏捷性。

“幽灵雨燕”的动力装置是西科斯基飞机公司S-92多用途直升机所使用的2台通用电气公司700系列的GE CT7-8发动机。波音飞机公司没有制造小比例验证机来进行飞行试验，但“鬼怪工厂”的工程师制造了一个1.8米大小的模型作为在投标阶段的宣传工具。

“幽灵雨燕”很容易制造成有人驾驶型或无人驾驶型，能从VXP要求的总重4500～5500千克减到1814千克，采取一些工程设计方法又能把“幽灵雨燕”增大到10886千克。

极光飞行科学公司方案 约翰·兰福特领导的这家公司提出一种超常规的名为“雷击”（Lightning Strike）的混合动力倾转机翼飞机。该机使用分布式电推进的现代方式，美国国家航空航天局（NASA）也在进行这种推进方式的试验。该公司通过“金眼”（Golden Eye） 无人机和“神剑”（Excalibur）无人驾驶飞行器方案验证机的设计研制获得了丰富的涵道风扇设计和混合电推进设计经验。他们凭借这些经验提出了采用分布式电推进的革命性全新飞机方案。

“雷击”的机体外形十分怪异，而它真正与众不同的是产生推力的方法。与常规由一台或两台高耗油发动机通过机械连接来驱动一副螺旋桨或两副反转螺旋桨产生拉力不同，“雷击”的推力由24台涵道风扇产生。18台涵道风扇嵌入安装在可倾转机翼中，另6台嵌入安装在可倾转鸭式前翼中。这些风扇由3台霍尼韦尔公司发电机发出的3兆瓦（相当于4023马力）电力驱动，3台发电机由1台与V-22“鱼鹰”倾转旋翼机使用的相同的罗·罗AE1107涡轮发动机带动，不需要蓄电池。

该机的分布式电推进系统由高度综合的分布式涵道风扇构成，它与同步电驱动系统一起使得该机具有极高的悬停效率和高速前飞能力。机翼和鸭式前翼都能倾转以改变涵道风扇的推力方向。前飞时推力向后，悬停时推力朝下，在两者之间的过渡飞行时推力成某一角度，这样也使飞机能够转弯或反向转弯。正是这种分布式电推进模式使人们有很大的自由度把空气动力与推进力整合在一起。输送给18台机翼风扇（直径79厘米）和6台鸭式前翼风扇（直径53厘米）所用电机的功率可由3余度飞行控制计算机控制改变。所有风扇的背部都有喷口，人们可以分别单独改变这些喷口的推力，从而改变升力分布，也就能获得对飞机的有效控制。飞机构型允许在悬停、过渡飞行和前飞的整个飞行范围内每片机翼的工作都处在最佳性能状态下，可以消除其他构型中下洗流吹打在机翼上的升力损失。

“雷击”用于VXP项目竞争的是无人驾驶和全自主飞行型，与“捕食者”和许多其他无人驾驶飞机一样不需要遥控飞行员，但是它有驾驶舱，能由飞行员做有人驾驶。原型机的飞行控制技术来源于该公司的“半人马座”和“猎户座”无人机计划。在鸭式翼与机翼之间可加装机舱，用于乘坐6名士兵或旅客。这种设计能很容易放大与缩小，由涵道风扇和电动机组成的每个风扇单元几乎能像乐高积木玩具一样任意增减拼装与拆卸。

与其他竞争者不同，极光飞行科学公司利用3D打印技术制造了一个1/5比例模型验证机，以便在美国马里兰州克森特河海军航空站进行试验，验证在风洞试验中采集的数据。“雷击”飞机将像直升机一样机动敏捷，前飞时其机动性和敏捷性更好。它有极高的横滚角速度和很好的俯仰角速度。

卡莱姆飞机公司方案 亚伯拉罕·卡莱姆领导的公司参与了VXP项目竞争。他除了设计制造出“捕食者”无人驾驶飞机之外，还发明了“最佳转速旋翼”（Optimum Speed Rotor）。这种旋翼技术能使直升机的旋翼在飞行时以最佳角速度旋转，把转动旋翼所需功率降到最小，可提高直升机飞行效能。卡莱姆已运用他的发明设计了一系列各种尺寸的最佳转速倾转旋翼机，其中包括VXP项目投标方案机TR36XP。

TR36XP因为2副直径为11米的旋翼而得此命名。它外形细长苗条，机身长12.2米，有朝上的V形尾翼和展长为30.5米的细长机翼。与其他构型的旋翼机比较，其旋翼较大，能排压大量空气，因此旋翼下洗流速度不大。TR36XP比大多数直升机的机动性要好，因为它的旋翼刚性较好，飞行员在需要时可以相当粗猛地推拉操纵杆控制飞机。

飞机的旋翼由2台功率为2540轴马力的透博梅卡RTM322发动机驱动，在飞机前飞需要较小推力时旋翼转速可减少50%。如果一台发动机出现故障，另一台发动机可以带动2副旋翼旋转。相对飞机重量来说TR36XP旋翼直径比较大，如果两台发动机同时出现故障，旋翼能很容易进入自转状态使飞机安全着陆。

与其他的竞争者一样，卡莱姆飞机公司用于投标的TR36XP倾转旋翼机是无人驾驶的。但该公司原来的设计主要是应用于有人驾驶，它研究这种有人驾驶方案已有许多年。该公司已设计和分析研究了许多不同尺寸和不同应用的最佳转速旋翼机，其起飞重量从约4536千克到113400千克不等。DARPA VXP项目验证机方法的低风险，有利于军事部门和垂直飞行工业界制造远远超过现在直升机能力和应用的新型飞行器。

考虑到这家公司对这种方案已做的所有工作，卡莱姆竞争团队觉得没有必要制造小比例验证机。最佳转速倾转旋翼机的许多挑战性问题都已在以前的飞行试验中解决了。

西科斯基/洛克希德团队方案 西科斯基飞机公司与洛克希德·马丁公司著名的“臭鼬工厂”组队参与VXP项目竞争，他们提出的设计方案是被称为无人驾驶“旋翼吹气机翼”（Rotor Blown Wing）的尾坐式飞机方案。上世纪50年代，美国康维尔公司的XFY-1和洛克希德公司的XFV-1就是美海军提供资金研制的尾坐式飞机，它们以尾部支撑在地面直立停放，垂直向上起飞和向下着陆。起飞与着陆时安装在机头的两副相反旋转的大直径螺旋桨产生升力。有人驾驶尾坐式飞机着陆时，飞行员要不断观察四周情况使机头朝上慢慢降落，但西科斯基公司的无人驾驶“旋翼吹气机翼”飞机没有这个问题，因为它是由计算机控制飞行的。其自主飞行方式使它具有优良的灵活性。

这种投标方案被称做“旋翼吹气机翼”飞机，是因为飞行时该机的机翼大部分经受着旋翼洗流的吹刷，这会增加机翼表面的空气流速使机翼升力增大，于是飞机能设计成有较小的机翼和较高的飞行速度。预计该机速度比DARPA招标要求的最低555千米/时的速度快很多。

其设想图显示，该机的机翼翼展为11米，机翼上装2副位置固定的直径为4.57米的旋翼螺旋桨，它们位于两机翼尖与飞机中线的中间。在2副旋翼螺旋桨之间，机翼支撑着一个类似驾驶舱的机舱。每副旋翼螺旋桨的后面（飞机尾翼朝下直立停放时，在旋翼螺旋桨的下面）有与机翼成直角交叉布置的垂直尾翼，水平飞行时形成一对上下垂尾。

尾坐式飞机是获得垂直起落和高速飞行的最简单方法，它不需要在飞行中通过改变飞机形状来改变飞行模式。飞机支撑在尾翼上垂直起飞，然后逐渐转向水平位置，过渡到前飞状态，不必为倾转机翼或旋翼或者改变飞机形状而增加重量和系统的复杂性。

“雷击”胜出

上述4种设计方案都很有创意，在最近的将来都很有研发潜力，但令人意外的是规模较小的极光飞行科学公司“雷击”方案脱颖而出，取得胜利。2016年3月3日，DARPA宣布极光飞行科学公司战胜其他3个竞争团队赢得金额为8940万美元的VXP项目第2和第3阶段研制合同，制造和试验飞行“雷击”验证机。合同要求制造2架“雷击”验证机，预计2018年9月完成研制与飞行试验工作。

极光飞行科学公司获胜后，该公司主席兼首席设计师约翰·兰福特说：“极光飞行科学公司为在此项目上支持DARPA感到自豪，因为我们都希望在航空技术上取得真正的历史性突破。如果获得成功，VXP将彻底提高飞行器飞行能力，这能导致美国军队未来作战任务能力实现革命性的提升。我们荣幸地已被DARPA选中制造和飞行试验验证机。”

与V-22相比，“雷击”用24台涵道风扇推进器代替了V-22飞机的2个巨大的大功率推进器。在24台涵道风扇上分配使用与V-22同样大小的能量，所以喷气流不猛烈、温度不高、噪声较小并且破坏力较小，这就意味着它能够飞入V-22不能到达的地方。

“雷击”现在还不会取代V-22，它只作为技术验证机来制造。DARPA希望通过它取得经验和收集技术数据，以便能够用于研发未来的军用飞机。也许有朝一日，涵道风扇混合电推进垂直起落飞机能用作运输部队或参与作战。

DARPA战术技术办公室VXP项目主任巴盖（Bagai）说，这种VXP飞机在今后几年中不会大量生产，但它对于垂直起落飞机能达到的未来能力是重要的。所设想的这种飞机噪声小、耗油率低并且适应性强，它起落不需要跑道。我们想开创摆脱以前约束条件的全新设计与使命空间，并开发新的垂直起落飞机系统与支系统。虽然这种技术验证机是无人驾驶的，但VXP研制的技术能完全适用于未来有人驾驶飞机。他说，垂直起落飞行是一个微妙难应对的领域。曾经有人认为直升机设计将不会有进一步进展，我们能证明事实远非如此。

（编辑/王路）