由上至下，分別為波音、卡雷姆、西科斯基，洛馬提交的方案。

　　2014年3月18日，美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）正式宣布了其“垂直起降試驗飛機”（VTOL X-Plane）項目第一階段的4家競標(biāo)商，至此VTOL X-Plane項目競標(biāo)全面展開，同時也意味著沉寂了相當(dāng)長一段時間的垂直起降飛機卷土重來。

　　“垂直起降試驗飛機”項目于2013年2月啟動，旨在開發(fā)一種新的垂直起降飛行器，使其兼具當(dāng)前常規(guī)直升機垂直起降能力和懸停性能，以及公務(wù)機的有效載重水平、飛行速度和升阻比。

　　VTOL X-Plane項目預(yù)期研制周期為52個月，總預(yù)算約為1.3億美元。項目共分為3個階段工作。第一階段工作為概念設(shè)計和技術(shù)準(zhǔn)備，預(yù)算為4700萬美元。

　　第二階段工作是詳細(xì)設(shè)計和系統(tǒng)集成，計劃進(jìn)行18個月。這一階段將完成平臺的詳細(xì)設(shè)計及各子系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計評估，并在通過最終設(shè)計評估后完成驗證機系統(tǒng)集成和總裝。

　　第三階段工作是地面及飛行試驗，計劃進(jìn)行12個月。預(yù)計于合同授出42個月后完成驗證機首飛（2017年2月前后）。隨后將進(jìn)行為期1年的飛行試驗，對驗證機重量、載荷、飛行速度、懸停效率、巡航效率、飛行包線等參數(shù)進(jìn)行試驗。

　　第一階段工作于2013年年底開始，先后授出了4份概念設(shè)計合同，進(jìn)行構(gòu)型權(quán)衡和方案初始設(shè)計。獲得合同的4個競標(biāo)商分別是：西科斯基公司/洛馬公司小組、極光飛行科學(xué)公司、波音公司和卡雷姆公司。第一階段工作結(jié)束后，DARPA將對設(shè)計方案進(jìn)行評估，并從多個方案中選擇一個開展第二、三階段工作。計劃在2017年春天實現(xiàn)驗證機首飛，2018年2月完成項目全部研究內(nèi)容。

技術(shù)指標(biāo)

　　DARPA在VTOL X-Plane項目中對驗證機性能提出了極高的要求，最主要的性能指標(biāo)包括以下幾個方面：

　　驗證機最大起飛重量在4500～5400千克之間，技術(shù)可擴展應(yīng)用在最大起飛重量1800～10800千克之間不同級別的平臺上；

　　機動性能要求能夠承受-0.5g～2.0g過載；

　　持續(xù)飛行速度能夠達(dá)到556～741千米/時；

　　懸停效率不低于75%；

　　巡航狀態(tài)升阻比不低于10；

　　有效載重不低于總重的40%，商載不低于12.5%。

　　從其提出的性能指標(biāo)來看，飛行速度、懸停效率和巡航升阻比是挑戰(zhàn)性較大的指標(biāo)，而在這些指標(biāo)同時滿足的條件下能夠達(dá)到其提出的重量指標(biāo)則進(jìn)一步加大了難度，對設(shè)計、材料、制造等方面都有極高的要求。

　　飛行速度方面，項目要求達(dá)到556～741千米/時的持續(xù)飛行速度。這一速度已達(dá)到固定翼飛機的水平，與渦槳飛機和部分噴氣飛機相當(dāng)（如C-17和C-130）。美軍正在進(jìn)行的高速旋翼機型號研制項目“聯(lián)合多任務(wù)旋翼機”（JMR）項目對飛行速度提出的指標(biāo)僅為315～556千米/時；美軍已服役的V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機的最大前飛速度也僅為582千米/時。這意味著從飛行速度指標(biāo)看，該機已明顯高于當(dāng)前在役和在研的高速旋翼機技術(shù)水平。

　　懸停效率方面，“垂直起降試驗飛機”項目要求懸停效率不低于75%，也遠(yuǎn)高于當(dāng)前旋翼機水平。當(dāng)前的直升機懸停效率通常只有60%左右。這意味著旋翼系統(tǒng)的氣動性能需要大幅提升，不僅需要采用氣動性能更好的翼型，同時還需要有更為優(yōu)化的槳尖形狀；并且，由于高速特性和懸停性能兩方面的要求，槳葉設(shè)計還需要同時兼顧高速和低速兩種不同狀態(tài)的氣動性能，進(jìn)一步增加了設(shè)計難度。

　　巡航性能方面，“垂直起降試驗飛機”要求全機巡航狀態(tài)升阻比達(dá)到10以上，相當(dāng)于20世紀(jì)50年代前后的固定翼通用飛機的水平而目前常規(guī)直升機由于構(gòu)型的固有限制，全機升阻比僅為4～6左右。這意味著該機很難僅靠旋翼系統(tǒng)提供升力，其機身也需要在巡航狀態(tài)下提供較大比例的升力，因此具有固定翼特征的構(gòu)型方案將成為一個努力的方向；此外，高速巡航狀態(tài)氣動減阻問題也是當(dāng)前高速旋翼機的技術(shù)難點之一，西科斯基X2和空客直升機公司（原歐直公司）的X3都遇到了這一問題。

構(gòu)型方案

　　目前投標(biāo)的4個制造商除極光公司外，都公布了其競標(biāo)方案概念。其提出的方案盡管十分新穎，但或多或少的都借鑒了之前的一些技術(shù)驗證機構(gòu)型方案。

　　西科斯基/洛馬小組提交了一個名為“旋翼下洗機翼”（Rotor Blown Wing）的無人機概念。其由左右兩套旋翼系統(tǒng)提供升力從垂直狀態(tài)起飛，在飛行過程中逐漸提高平飛速度，并將機身轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)，由機翼提供升力，而旋翼則充當(dāng)螺旋槳，提供前飛所需拉力。

　　盡管這一概念看似十分新穎，但與波音公司20世紀(jì)90年代研制的“直升翼”（Heliwing）無人旋翼機驚人地神似，區(qū)別僅是其將“垂尾”從一個改為兩個，布置在兩個旋翼的正下方。“直升翼”在1995年完成首飛，其設(shè)計飛行速度為180節(jié)（334千米/時），飛行高度能夠達(dá)到20000英尺（6096米），但其原型機在一次試飛的減速/下降過程中由于發(fā)動機失效而墜毀。但“直升翼”的成功首飛很顯然為西科斯基公司選擇這一構(gòu)型的樹立了信心。

　　與其他方案相比，該方案在結(jié)構(gòu)上相對簡單，相對容易滿足DARPA對有效載荷的要求，其技術(shù)難點主要集中設(shè)計方面，尤其是旋翼系統(tǒng)及其控制機構(gòu)和控制率。然而由于槳盤面積相對較小，懸停效率方面可能會有些問題，而機身從垂直狀態(tài)與水平狀態(tài)過渡過程，即起飛/著陸過程的操縱性和穩(wěn)定性也是一個設(shè)計難點。

　　波音公司提交的方案是一個名為“幽靈雨燕”（Phantom Swift）的無人機，由波音公司鬼怪工廠（Phantom Works）設(shè)計。鬼怪工廠在30天內(nèi)就完成了一個縮比的原理樣機設(shè)計和制造工作，并進(jìn)行了簡單的飛行，其中設(shè)計工作僅用了3天時間，可見其方案的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也不是很高?！坝撵`雨燕”采用了機體上2個大尺寸涵道風(fēng)扇、翼尖2個可傾轉(zhuǎn)的涵道風(fēng)扇的布局。其中機體的風(fēng)扇主要用于垂直起降和懸停，翼尖的2個涵道風(fēng)扇則用于提供操縱力。該構(gòu)型從結(jié)構(gòu)上十分簡單，不管是傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇還是機體上的升力風(fēng)扇對于波音公司來說都不是技術(shù)難點，該機的主要技術(shù)難點在于其旋翼尺寸較小，盡管有4個旋翼系統(tǒng)，但槳盤面積較小、誘導(dǎo)速度過高，恐怕仍會存在懸停效率較低的問題；此外從目前的構(gòu)型形式來看，其貨倉位置很難選擇，容積和尺寸的限制也很嚴(yán)重，若不對方案進(jìn)行調(diào)整的話，該構(gòu)型的實用性不高。

　　與西科斯基公司方案類似，“幽靈雨燕”也依稀能夠看到一些過去的技術(shù)驗證機和型號的影子：其機身的雙涵道風(fēng)扇與以色列研制的一個名為“騾子”的無人旋翼機頗為神似，與F-35B也有些類似；而其傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇則在一些傾轉(zhuǎn)旋翼機方案中出現(xiàn)過，如美國陸軍于20世紀(jì)50年代研制的一個垂直起降飛機VZ-4DA就采用了雙涵道風(fēng)扇傾轉(zhuǎn)的設(shè)計方案，而美國動力飛行系統(tǒng)公司（American Dynamics Flight Systems）也曾提出過一個名為AD-150的傾轉(zhuǎn)涵道風(fēng)扇設(shè)計方案，用于競標(biāo)美國海軍陸戰(zhàn)隊的“三級垂直起降無人機系統(tǒng)”項目（Tier III VUAS）。

　　與西科斯基/洛馬小組和波音公司的方案相比，卡雷姆公司的方案則選擇了一個相對中規(guī)中矩的傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型。方案的機翼翼展很大，并且呈折線形，外側(cè)機翼隨旋翼一起傾轉(zhuǎn)。

　　從技術(shù)層面來看，傾轉(zhuǎn)旋翼方案應(yīng)該能夠滿足DARPA提出的巡航升阻比要求，但懸停效率方面會相對有所挑戰(zhàn)。因此其采用大翼展、大展弦比機翼，并且機翼外段隨旋翼傾轉(zhuǎn)，以盡量降低垂直起飛狀態(tài)時機翼對旋翼下洗流的影響。此外，卡雷姆公司拿手的“優(yōu)化轉(zhuǎn)速旋翼”技術(shù)也將在這一方案上得到應(yīng)用，該技術(shù)最早在A160“蜂鳥”無人直升機上應(yīng)用，而A160的總設(shè)計師正是卡雷姆公司創(chuàng)始人亞伯拉罕·卡雷姆。該技術(shù)應(yīng)能夠較好地解決垂直起降/水平前飛兩個狀態(tài)下旋翼轉(zhuǎn)速不同的問題，從而同時具備良好的懸停效率和巡航升阻比。

　　極光公司盡管沒有公布其構(gòu)型方案，但透露了一些構(gòu)型信息。其方案將采用公司之前的兩個無人旋翼機 “圣劍”（Excalibur）和“黃金眼”（Goldeneye）的技術(shù)成果?！包S金眼”是一個單涵道風(fēng)扇式的微型無人旋翼機，極光公司僅有可能使用其涵道風(fēng)扇技術(shù)。而“圣劍”的總體構(gòu)型最有可能用于X-Plane方案中。該無人機采用了涵道風(fēng)扇和矢量推力技術(shù)，在機翼兩端和機身前部各裝有一個涵道風(fēng)扇以提供垂直起降所需的升力，機身中部還裝有一個可旋轉(zhuǎn)的噴氣發(fā)動機，在垂直起降時提供升力。高速前飛時，機翼兩端的風(fēng)扇會收進(jìn)機翼內(nèi)部，機頭的風(fēng)扇也將被一個探出的隔板遮蓋以減小氣動阻力，而發(fā)動機向斜下方傾轉(zhuǎn)，提供所需的推力，由于其發(fā)動機無法轉(zhuǎn)到水平位置，因此將機翼布置在機身后部以平衡發(fā)動機推力的垂直方向分量?！笆Α辈捎萌婒?qū)動，從而省去了重量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳動系統(tǒng)。技術(shù)上來看，該方案采用了電力驅(qū)動，因此省去了動力傳輸機構(gòu)，降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，并且“圣劍”無人機于2009年已成功首飛，技術(shù)成熟度較高；但由于槳盤面積小、槳盤載荷較大，其懸停效率將是一個難點，并且由于發(fā)動機不能左右傾轉(zhuǎn)，因此其懸停狀態(tài)的偏航控制難以實現(xiàn)；并且由于其在機身絕大多數(shù)位置都布置了風(fēng)扇、發(fā)動機及傾轉(zhuǎn)機構(gòu)等，任務(wù)載荷和載貨空間的布置將受到很大限制，很有可能不得不采用外掛的方式實現(xiàn)。          

項目意義

　　在直升機旋翼機領(lǐng)域，DARPA也曾開展過數(shù)個研究項目，而這次由DARPA主導(dǎo)新一代高速旋翼機技術(shù)的預(yù)研，一定程度上意味著美國軍方將高速旋翼機的定位從戰(zhàn)術(shù)裝備開始向戰(zhàn)略性武器裝備轉(zhuǎn)變，認(rèn)為其將成為未來影響美軍整體作戰(zhàn)方式、提升作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵性技術(shù)。

　　高速旋翼機將成為改變美軍作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)方式、保持美國軍事優(yōu)勢的重要裝備。旋翼機一直是美軍裝備體系中重要的組成部分，其在美軍歷次的作戰(zhàn)和其他行動中都發(fā)揮了重要且不可替代的作用，是美軍保持其軍事優(yōu)勢的關(guān)鍵裝備之一。美國國防科學(xué)委員會（DSB）在2013年8月向國防部提交了一份名為《2030年保持優(yōu)勢的技術(shù)與創(chuàng)新》的報告，就具有重大潛在影響但目前發(fā)展仍不充分的技術(shù)，向國防部提出了具體的投資建議。報告認(rèn)為，目前美軍研制的很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費用高昂的武器裝備都被對手采用相對廉價的技術(shù)所針對，而高速旋翼機技術(shù)由于具備較高的性價比，并能夠顯著提升美軍的機動能力、靈活性和保障能力，并一定程度上改變美軍作戰(zhàn)方式；同時，高速旋翼機由于較低的單機價格，能夠形成較大的裝備規(guī)模，使得其在技術(shù)上很難被針對，因而將迫使對手在更大范圍內(nèi)布防，從而對其造成經(jīng)濟上的壓力。因此DSB建議國防部為作為目前唯一的高速旋翼機技術(shù)預(yù)研項目“垂直起降試驗飛機”增加投資，對更多的構(gòu)型方案進(jìn)行驗證，從而為高速旋翼機性能提升提供更充分的技術(shù)準(zhǔn)備，從而達(dá)到通過技術(shù)壓制和成本施壓兩個方面保持美國未來的軍事優(yōu)勢。

　　美國高速旋翼機研發(fā)體系初步形成，呈現(xiàn)出“生產(chǎn)一代、研制一代、探索一代”的特點。首個采用高速旋翼機技術(shù)的軍機型號V-22已于2008年開始正式部署并持續(xù)生產(chǎn)，現(xiàn)有生產(chǎn)合同就可以持續(xù)到2018年；計劃替換“黑鷹”、“阿帕奇”等現(xiàn)役直升機型號的高速旋翼機型號研制項目“聯(lián)合多任務(wù)旋翼機”JMR已進(jìn)入到原型機研制階段，預(yù)計2017年完成首飛，2020年開始生產(chǎn)型研制。在此基礎(chǔ)上，DARPA認(rèn)為以傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)型和復(fù)合推力構(gòu)型為代表的現(xiàn)階段的高速旋翼機技術(shù)已基本成熟，應(yīng)開始為下一代性能更強的高速垂直起降飛行器的研發(fā)進(jìn)行概念探索和技術(shù)儲備，以應(yīng)對2030年之后的軍事需求，并繼續(xù)保持其在高速旋翼機領(lǐng)域的超強技術(shù)優(yōu)勢，因此啟動了VTOL X-Plane項目，以保證未來美國在旋翼機技術(shù)領(lǐng)域能夠繼續(xù)處于領(lǐng)先地位。