鸭式布局、停转旋翼、桨尖喷气，黑科技满满的波音X-50A试验机
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波音公司的X-50A“蜻蜓”（BoeingX-50ADragonfly） ， 在项目早期被称为“鸭式旋翼/机翼验证机”（CRW；CanardRotor/WingDemonstrator） ， 是一种垂直起降旋翼/机翼复合式无人飞行器 。 该机由波音公司和美国国防先进研究项目局（DARPA）联合打造 ， 其研制目的就是为了演示验证一种特别打造的直升机旋翼能够在飞行中实现“停转”并实现与固定翼飞机的机翼相同的作用 ， 从而确保这种飞行器能够实现固定翼飞机模式和直升机模式之间的转换 。 也正是因为该机旋翼所具备的这种独特的特点 ， “蜻蜓”也被称为“停转旋翼机”（Stopped-RotorAircraft） 。
追根溯源的话 ， X-50A“蜻蜓”其本质可以说是延续了西科斯基公司在上世纪八十年代启动的S-72“X-Wing”项目 ， 该项目初步探索了“停转旋翼”这种多模式飞行器的潜在可行性 。 后来 ， 美国国防先进研究项目局资助了两项被称为“Heliplane”（可译作直升飞机 ， 注意和‘直升机’的区别） ， X-50A正是其中一项 。
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△西科斯基公司的“X-翼”试验机艺术概念图
可惜的是 ， 两架“直升飞机”原型机最终都没能达成“全速前飞”的飞行测试 ， 为此 ， 在最后的评估中 ， 美国国防先进研究项目局的评估专家认为“蜻蜓”停转旋翼机存在固有的设计缺陷 ， 所以在2006年年底 ， DARPA撤销了对X-50的项目资助 。
谁来为“鱼鹰”保驾护航？——需求催生的X-50A
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△为“鱼鹰”倾转旋翼机寻找合适的护航飞行器至今仍是令美国海军陆战队头痛的问题之一
自从V-22鱼鹰倾转旋翼机进入服役之后 ， 美国军方一直都在寻求一种能够为该机实现“保驾护航”的飞行器 ， 相比鱼鹰 ， 常规直升机速度太慢 ， 固定翼飞机又欠缺低速伴飞和悬停警戒能力 ， 所以采用一种类似于倾转旋翼机的复合式旋翼飞行器就成了美国军方的首选目标 。
正是在这种大背景下 ， 波音公司“鬼怪工厂”（当时鬼怪工厂还是麦道公司的一个研发机构）的设计师提出了“鸭式旋翼/机翼复合布局”CRW构型的概念构想 ， 希望能够借此打造一种能为鱼鹰倾转旋翼机执行武装护航任务的飞行器 。 鬼怪工厂的设计师们拥有丰富的设计、试验和生产经验 ， 他们针对西科斯基公司的“X-Wing”飞行器所存在的缺陷 ， 并吸取倾转旋翼机发展中的经验 ， 通过多轮设计迭代和改进 ， 最终敲定了“停转旋翼机”的方案 ， 希望能够通过这种新颖的概念设计方案实现垂直起降飞行器的技术突破 。 按照鬼怪工厂设计师们的构想 ， 这种停转旋翼机能够在舰艇的直升机平台上垂直起降 ， 也具备喷气式飞机的速度和航程 ， 不仅能够圆满完成“鱼鹰”倾转旋翼机的护航任务 ， 同时也非常适用于快速部署和作战使用 。
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△CRW构型飞行器的概念构想
对于这种概念过于前卫和新颖的设计 ， 美国军方当然不会直接签研发合同 ， 这种预先研究项目一般都是丢给美国国防先进研究项目局去折腾 。 顺水推舟 ， 1998年6月份 ， DARPA和波音公司签署了一份一个关于“CRW构型”的联合项目 ， 项目被称为“先进旋翼系统”（AdvancedRotorSystem） ， 其预估总研发经费2400万美元 ， 双方各自承担一半 。
当然 ， 项目的主要负责人还是波音公司的鬼怪工厂 ， 他们需要负责设计、制造并试飞两架“CRW构型”的这种新型停转旋翼机 。 项目的主要目的是通过试飞验证验证新构型的可行性 ， 尤其是可以实现空中停转和旋翼重启 ， 从而打造兼具垂直起降和高速前飞两种能力的新型飞行器 。 波音公司还声称 ， 该机潜力非常巨大 ， 其潜在用途包括武装侦察、精确搜索、通信联络等 ， 还可以根据不同的需求分别设计出无人驾驶机和有人驾驶机 ， 足可满足美国军方的多种实际使用需求 。
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△X-50A停转旋翼试验机原型机
2002年4月9日 ， 这种新构型停转旋翼机正式被定型为“X-50A” ， 注意 ， 这里的50并不是按照DARPA一贯的X系列概念验证机的顺序来的 ， 而是直接考虑到这种飞行器是由50%的直升机和50%的固定翼飞机综合而成 ， 故而将其命名为“X-50A” ， 从而凸显其在设计上的创新性和独特性 。
停转旋翼、桨尖喷气——黑科技满满的X-50A新颖设计
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【鸭式布局、停转旋翼、桨尖喷气，黑科技满满的波音X-50A试验机】△CRW构型无人试验机模型渲染图及其三视设计草图
从总体而言 ， X-50A停转旋翼机采用了“前后三组升力面”的独特设计 ， 其动力系统由一台常规的涡扇发动机提供动力 ， 在直升机模式 ， 发动机的排气被导向位于旋翼桨叶尖端的喷嘴 ， 从而实现“桨尖驱动”旋翼旋转 ， 实现垂直起降、悬停和低速等飞行操纵；当该机转为全速前飞状态时 ， 发动机排气则通过该机尾部的喷嘴排除 ， 与此同时 ， X-50A的旋翼系统锁死在一个固定的位置 ， 从而作为一种常规的固定翼机翼来提供前飞升力 。 作为项目的一部分 ， 波音公司制造了两架X-50A概念验证机 。 2003年11月24日 ， X-50A停转旋翼机完成了其首次飞行测试 。
①整体布局特点
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△X-50A停转旋翼原型试验机
“蜻蜓”停转旋翼机突破了原有复合式旋翼飞行器的设计思路 ， 采用了独特的前后三组升力面创新设计 ， 其第一组升力面就是位于该机头部的鸭式前翼 ， 第二组升力面就是机身中部的既是旋翼又是机翼的“停转旋翼” ， 第三组升力面就是该机尾部的水平尾翼 。 鬼怪工厂的设计师们认为这种独特的设计可以适应不同飞行状态下 ， 飞行器所需要的升力和操纵力矩的需求 ， 而停转旋翼技术的加入也使得该机能够非常平稳地从直升机模式转换到固定翼飞机模式 。
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△X-50A三维渲染模型图
X-50A停转旋翼机的鸭翼和平尾的翼面面积都比较大 ， 随着前飞速度的增加 ， 两者所能提供的升力就会逐渐增加 ， 慢慢卸载旋翼负载 ， 等到该机的前飞速度达到时速110公里 ， 这两个升力面就能够产生较大的升力 ， 旋翼转速就可以开始逐步降低 。 随后随着飞行速度的增加 ， 喷气旋翼转速逐渐减小 ， 最后锁定在于机身成90°角的位置（也就是旋翼90°-270°方位角位置） ， 于是 ， 旋翼系统也顺利化作一套“附加机翼”为全机提供升力 。
②桨尖喷气技术
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△X-50A对地打击衍生型号的艺术概念和布局示意图
“蜻蜓”停转旋翼验证机在起飞和着陆、悬停和低速飞行阶段会采用直升机模式 ， 其升力主要通过对机身中部上方的大型“喷气旋翼”直接产生 。 所谓“喷气旋翼”其实就是这副旋翼采用了“桨尖喷气驱动”技术 ， 亦即发动机排出的燃气沿着两侧旋翼桨尖切向喷出 ， 驱动旋翼旋转 。
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△X-50A停转旋翼风洞试验图及其三视尺寸示意图
为实现高效的桨尖喷气驱动旋翼设计 ， X-50A停转旋翼机的设计与常规直升机有较大区别 。 首先在旋翼结构方面 ， 该机设计有翼型较厚的一对复合材料旋翼桨叶 ， 其结构强度足以在缺少离心力支持的固定翼状态下确保桨叶具有足够的刚度来承受较大的气动载荷 。
同时 ， 得益于桨尖喷气驱动这种驱动方式 ， X-50A停转旋翼机在直升机模式下 ， 旋翼并不会产生扭矩 ， 故而也无须第二副旋翼（如尾桨）等系统来平衡反扭矩 ， 从而不需要安装复杂的尾桨传动机构 ， 至于该机的航向操纵则通过安装在机尾的两个小型喷气舵面来控制 。
③停转旋翼设计
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△X-50A停转旋翼试验机缩比模型
与80年代中期西科斯基公司所研制的“X-Wing”验证机不同 ， X-50A停转旋翼机并没有采用类似的较为负载的减速器传动系统来使得旋翼系统停止转动 ， 它们是通过“反应式驱动系统”来改变两片喷气旋翼的喷气量 ， 来实现垂直起飞、空中悬停和高速飞行过度的需求 ， 相比西科斯基的方案 ， 从理论上来说 ， 这是一种比较容易进行模式转换的飞行方式 。
在停转旋翼的设计中 ， 还有一个需要重视的问题就是桨叶的翼型 。 对于停转旋翼来说 ， 它本身固有两种飞行模式——直升机模式和固定翼飞机模式——这两种模式的区别在哪呢？从下面我绘制的桨叶周围空气流动示意图中可以看出个大概 ， 在直升机模式状态下 ， 前行侧桨叶和后行侧桨叶的来流方向是相反的 ， 这也就意味着 ， 桨叶翼型的前缘和后缘方向需要相反的设计 ， 但是一旦过渡到固定翼飞机模式 ， 锁定后的两片桨叶其前缘和后缘朝向就变成朝向相同了 ， 这也就意味着 ， 如果采用常规的翼型设计的话 ， 有一侧的桨叶就会是后缘朝向前飞来流 ， 从而导致极低的气动效率 。
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△直升机模式和固定翼模式桨叶气流示意图
为了解决这一问题 ， 研究人员最早提出了用椭圆形双钝头翼型（Double-EndedAirfoil）来代替常规尖锐后缘的翼型来平衡停转旋翼在直升机模式和固定翼模式下对于翼型前后缘的需求转变 。 在此之上 ， 近年来针对停转旋翼的研究中 ， 还有研究人员提出了一种结构可变形的翼型 ， 这种翼型可以通过结构变形 ， 实现前后缘的互相转换 ， 可谓是专门为“停转旋翼”量身定制 ， 如果这种新的翼型变形技术成熟的话 ， 停转旋翼就能够实现同时兼顾直升机模式和固定翼模式的气动效率最大化了 。
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△近年来研究人员提出的可变形翼型概念 ， 采用节点式结构外部包覆蒙皮
项目告吹——是不是停转旋翼技术真的难以突破？
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△飞行测试中的X-50A原型机
2004年3月23日 ， 在X-50A原型机第三次飞行测试期间 ， 由于该机控制系统中固有的交叉耦合问题导致该机飞控系统紊乱 ， 最终致使飞行器坠毁 。
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△工作人员在对X-50A原型试验机进行调整
之后 ， 波音公司很快打造了第二架改进版本的原型机 ， 该机被称为“Ship2” ， 设计师们一直认为这架原型机已经解决了第一代原型机中所碰到的所有问题 ， 所以对其期待很高 ， 为此 ， 波音公司和DARPA最初计划基于这个二代原型机 ， 开展一系列的飞行测试 ， 总计次数为11次 。 2006年4月12日 ， 该机在美国军方大名鼎鼎的尤马试验场（YumaProvingGrounds）进行了第六次飞行测试 ， 但不幸的是 ， 二代原型机同样出现了操纵故障 ， 随即坠毁 ， 该机也被“完全摧毁” 。
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△工作人员正在为X-50A试验机进行飞行测试之前的调整
事故调查小组在随后的调查中发现 ， 该机的飞行测试过程中 ， 其机身受到了极端敏感的气动俯仰力矩的影响 。 无论是飞行来流还是旋翼尾迹都会使得机身产生一个抬头力矩 ， 其量级完全超过了该机的飞行控制系统所能够补偿的程度 ， 最终致使其操纵失效而坠毁 。
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△停靠在跑道上的X-50A试验机
从两架原型机的事故角度分析 ， 都可以发现 ， 最终导致事故的本质上并不是“停转旋翼”这项先进技术的原因 ， 而是“蜻蜓”停转旋翼机本身在气动布局方面存在的多个气动面之间耦合干扰问题 ， 以及该机的预编程飞控系统本身存在的缺陷 ， 最终导致了该项目的失败 。
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△波音公司对于X-50A停转旋翼机未来衍生型号的构想
总的来说 ， 由于X-50A两架原型机都存在气动和飞行控制系统方面的问题 ， 致使其始终没能在飞行测试中达成全速前飞模型的测试 。 2006年9月份 ， 美国国防先进研究项目局的评估小组最终认为该机在设计上存在暂时无法解决的固有缺陷 ， 为此撤销了对该项目的资助 。 尽管鬼怪工厂的“蜻蜓”项目失败了 ， 但是停转旋翼的概念技术却仍然引发了多方的兴趣 ， 西工大的研究团队就曾按此打造过缩比样机探索停转旋翼的原理和潜能 ， 当然这就是另外的故事了 ， 感兴趣的欢迎持续关注......
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