垂直起落飛機的發(fā)展

林振申

幾年之前，現(xiàn)代飛機的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)出兩個趨向。一方面是軍用和民用飛機隨著氣動外形的改進和發(fā)動機推力的增大，飛行速度愈來愈大，但是不幸的是，這些飛機的起飛和著陸距離也愈來愈大，需要很長的跑道才能起飛降落。另一方面是提出了發(fā)展一種只要很小起飛降落場地的飛機，如果可能，則希望能垂直起落。從近幾年的航空發(fā)展情況看來，這兩個趨向更加明顯了。

必要性

現(xiàn)代的軍用飛機，如果具有垂直起落的性能，那么就可以擺脫對機場跑道的依賴。大家知道，一條長達幾公里的跑道，在戰(zhàn)爭中是個不易隱蔽而極為明顯的目標，很容易遭受敵方飛機或?qū)椀霓Z炸摧毀。如果不用機場，而又能起飛著陸，就可以減少一個不易防護的大目標。

當戰(zhàn)線推移時，一般的前線飛機，由于活動半徑有限，如要求隨著戰(zhàn)線推移，到距前線不遠的地方修建野戰(zhàn)機場，這是一件需要耗費巨大人力物力的事情，如果不用機場，也就可以減少工程兵部隊一項艱巨的工作。

飛機不用機場，可以實現(xiàn)空中伏擊戰(zhàn)，也就是可以將殲擊機隱藏在敵方飛行器可能經(jīng)過的航線上，待敵機臨近，才起飛實施出其不意的攻擊，這樣就大大增加了殲擊航空兵的作戰(zhàn)機動性。

總之，如果飛機能夠垂直起落，將可大大增加軍用飛機的戰(zhàn)術技術性能，特別是對于殲擊機、強擊機和前線轟炸機來說，是極為有利的。

民用飛機為什么也有垂直起落的需要呢？當然，不言而喻，在沒有飛機場的地方，一般飛機不能去，只有垂直起落飛機可以去，特別是對于邊遠地區(qū)和崇山峻嶺之間，這種需要就更為明顯。

但是，為什么大城市之間的快速交通也有垂直起落的需要呢？

直立式變換姿態(tài)的垂直起落飛機方案

直立式變換姿態(tài)的垂直起落飛機方案

直立式變換姿態(tài)的噴氣式垂直起落飛機方案

直立式變換姿態(tài)的噴氣式垂直起落飛機方案

我們不妨舉一個簡單的例子來分析一下這個問題：目前民航飛機的巡航速度正在不斷地增加，飛機重量也愈變愈重?，F(xiàn)代噴氣式旅客機的速度已達每小時1000公里左右，而目前已在設計中的超音速旅客機，飛行速度將達每小時2000～3000公里。由于大型噴氣式旅客機要求的跑道很長，以前在城市附近為活塞式螺旋槳旅客機所修建的跑道往往不敷應用，因此許多大城市都在市郊修建了大型的機場。但是這樣一來，來往機場的地面交通時間就增加了，因而抵消掉了空中節(jié)省時間的好處，這就是說，從甲城市中心旅行到乙城市中心并沒有節(jié)省時間。

因此，人們很自然地想到：能不能設計一種能在市中心直接起飛著陸的飛機，它不需要占地很廣的機場，又不受高大建筑物的限制，能夠快速航行。

如果現(xiàn)代民用機也能垂直起落，那么無論從節(jié)省時間上、節(jié)省被機場占用的可耕農(nóng)田面積上，或者從節(jié)省修建高質(zhì)量的混凝土機場跑道的基建費用和材料上，都是有利的。

特點

垂直起落飛機的研究工作是在第二次世界大戰(zhàn)以后才開始的。十幾年來，世界各國的科學家和設計師們在這方面作了巨大的努力，盡管到目前為止，除了直升飛機以外，其他型式的垂直起落飛機還處于實驗階段，可是在這方面的研究設計工作已經(jīng)獲得了相當大的發(fā)展。特別是最近幾年，垂直起落飛機的研究工作進展較快，看來可以說是已經(jīng)初步找到能作超音速飛行的垂直起落飛機的型式。預料在今后幾年中發(fā)展會更加迅速，垂直起落將成為航空發(fā)展中的一個重要方向。

到目前為止，世界各國設計的垂直起落飛機已經(jīng)有許許多多不同的型式，后面我們將一一加以介紹。

垂直起落飛機能在空中停住不動，就像有根無形的繩子把飛機吊住一樣，這我們叫做“懸?！薄＿@是垂直起落飛機不同于一般飛機特點之一。從原理上講，要做到這一點，垂直起落飛機需要一個垂直推力，其大小應該等于飛機重量。但是實際上這還不夠，因為在垂直起飛過程中還會受到空氣的阻力，為了克服空氣阻力，垂直推力的大小，一般地講還要比飛機的重量大10%。

垂直起落飛機除了“懸停”和垂直起飛著陸以外，還應當和普通飛機一樣能夠作水平飛行。從垂直起飛轉(zhuǎn)到平飛，或者從平飛轉(zhuǎn)到垂直下降，稱為“過渡”。

各種型式的垂直起落飛機，都必須解決兩個問題：一是能夠產(chǎn)生足夠的垂直推力，把飛機垂直地托起來；二是要從垂直狀態(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)到水平飛行。這也就是說，無論那種型式的垂直起落飛機，都要具有“懸?！焙汀斑^渡”的良好性能。垂直起落飛機發(fā)展的十幾年以來，正是由于各國解決上述兩個問題所采取的方法不同，因此才出現(xiàn)了形形色色、五花八門的不同構(gòu)造型式。

下面我們就來介紹一下在這十幾年發(fā)展中所出現(xiàn)的各種垂直起落飛機。

形形色色

依靠旋翼產(chǎn)生垂直拉力的直升飛機，當然也是一種垂直起落飛機。它的升力螺旋槳相當于旋轉(zhuǎn)著的機翼。但是直升飛機的平飛速度比較小，大約只有300公里/小時左右，這是由于旋翼的工作特性在相當程度上限制了速度的提高。如果在直升飛機上裝上機翼，或者再裝上能產(chǎn)生水平拉力的螺旋槳，成為復合式直升飛機。這種飛機的平飛速度能夠提高，可達500公里/小時左右。

螺旋槳轉(zhuǎn)向式飛機方案

涵道螺旋槳或涵道風扇飛機方案

涵道螺旋槳轉(zhuǎn)向式飛機方案

飛行吉普方案

第二種型式是直立式變換姿態(tài)的垂直起落飛機。這種飛機機頭向上直立于地面，利用拉力螺旋槳使飛機垂直起飛。至一定高度后，由垂直轉(zhuǎn)入平飛，最后再由水平轉(zhuǎn)回垂直著陸。但是，直立起飛著陸時對于飛行員來說是很不方便的，適合于平飛的飛行員座椅位置在起落時要轉(zhuǎn)動一個角度才能便于觀察地面和操縱飛機，這樣就使座艙布置和操縱系統(tǒng)復雜化。再則，這種飛機在過渡過程變換飛行姿態(tài)時，飛機的操縱及穩(wěn)定都比較復雜。因此這種飛機后來已經(jīng)停止發(fā)展了。

第三種型式的垂直起落飛機，是飛機機身處于水平狀態(tài)，由發(fā)動機相對于機翼旋轉(zhuǎn)90度，或發(fā)動機連同機翼相對于機身旋轉(zhuǎn)90度，實現(xiàn)垂直起落。它可以克服前述直立式的缺點，這種型式可以適用于速度要求不太大的運輸機上。

例如，有一種輕型戰(zhàn)地運輸機是采用機翼轉(zhuǎn)向式方案(參看封底彩色插圖)，它有四臺渦輪螺旋槳發(fā)動機可以連同機翼旋轉(zhuǎn)100度，所以不僅可以垂直起飛，甚至可以后退飛行。另外有一種螺旋槳轉(zhuǎn)向式飛機，具有四臺分別裝在前后機翼翼尖的螺旋槳可以轉(zhuǎn)到垂直位置，以產(chǎn)生垂直拉力。這幾種飛機都預計在63年或64年試飛。這些飛機的最大速度范圍為500～700公里/小時。

第四種垂直起落飛機是采用涵道螺旋槳或涵道風扇產(chǎn)生垂直升力，實現(xiàn)垂直起落。涵道螺旋槳或涵道風扇，是把螺旋槳或風扇放在像圓桶似的涵道內(nèi)，這樣可以減小螺旋槳的徑向尺寸，便于布置。

如果把涵道風扇布置在機翼或機身內(nèi)部，使它產(chǎn)生升力，另外再用推進發(fā)動機產(chǎn)生水平推力，推動飛機平飛，則可以達到較高速度的飛行。

利用涵道風扇的飛行平臺，可以做成飛行吉普。它適用于低空低速飛行并能垂直起落。還有采用升力風扇的飛機也能實現(xiàn)垂直起落。在它機翼根部有兩臺垂直起落時用的升力風扇，它們靠噴氣驅(qū)動。正常飛行時，風扇上下用蓋板蓋住，機翼外形仍保持流線，可以像普通飛機那樣產(chǎn)生升力。它的水平飛行推進動力，是用渦輪噴氣發(fā)動機。這種型式的飛機是用來作支援攻擊和偵察用的，最大速度范圍大約為700～950公里/小時。

上面介紹的這些垂直起落飛機型式，都不能作超音速飛行，因為它們都是利用旋翼、風扇或螺旋槳來產(chǎn)生垂直升力的，而這些東西受到的空氣阻力都很大。

是不是能直接利用噴射氣流產(chǎn)生垂直推力呢？能不能找到對超音速飛行更適合的型式呢？近幾年來，在這方面做過不少研究和設計工作，看來已經(jīng)有了初步答案了。

超音速

早在垂直起落飛機的發(fā)展初期，就有過直立式變換姿態(tài)的噴氣式垂直起落試驗機。這種型式的缺點，和用螺旋槳的直立式一樣，因此也沒有得到進一步發(fā)展。

現(xiàn)在看來，比較有前途的噴氣式超音速垂直起落飛機的型式有三種。

第一種是發(fā)動機轉(zhuǎn)向式。這種型式的飛機的發(fā)動機裝在機翼翼尖，在起飛時，發(fā)動機噴口向下，產(chǎn)生垂直起飛推力，而到水平飛行時，又將發(fā)動機轉(zhuǎn)向水平，使噴口向后，產(chǎn)生水平前進推力。這樣就使得產(chǎn)生垂直推力和水平推力，能共用一套發(fā)動機，并且這種飛機在安排、布置和內(nèi)部設備等方面，和普通飛機相似，沒有什么特殊困難的地方。它現(xiàn)在已經(jīng)制成并開始試飛。有一種方案是在飛機上裝置六臺渦輪噴氣式發(fā)動機，四臺分別成對地裝于翼尖，這是升力——推力發(fā)動機，可以轉(zhuǎn)向，另外兩臺裝于機身內(nèi)，是輔助升力發(fā)動機，只供產(chǎn)生垂直推力之用。這種構(gòu)造型式的問題，看來是裝在翼尖上的可旋轉(zhuǎn)發(fā)動機，構(gòu)造比較復雜，其飛行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換操縱，也還要進一步研究。

復合式直升飛機

發(fā)動機推力換向式飛機方案

發(fā)動機推力換向式飛機方案

升力發(fā)動機和推力發(fā)動機的復合式飛機方案

第二種是發(fā)動機推力換向式。這種型式的飛機，是可以操縱發(fā)動機噴口的方向，使推力向下或向后，以實現(xiàn)垂直起落和平飛。這種型式的好處，是只要用一臺發(fā)動機，便可以兼顧垂直起落和水平飛行。飛行員起飛著陸操縱也較簡單，只要操縱噴口的推力導向葉片，就可以進行飛行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。它的缺點是，發(fā)動機布置要占據(jù)飛機重心位置附近的空間，而這一般都在機身中段，再要想布置其他載重就比較困難。

第三種是用升力發(fā)動機再加推力發(fā)動機的復合式。這種型式除了和一般飛機一樣裝有推進用的發(fā)動機之外，還裝有專供產(chǎn)生垂直推力用的升力發(fā)動機。升力發(fā)動機的特點是本身重量很輕，但是又能發(fā)出較大的推力。目前已經(jīng)設計出來的升力發(fā)動機，其重量和推力之比最好的可以達到1比16，即推力為1600公斤的發(fā)動機，每臺只重100公斤。而一般的渦輪噴氣發(fā)動機，重量和推力之比總在1比5至1比8的范圍內(nèi)，如果推力為1600公斤，那么重量就約為200－320公斤。這種型式的好處，是推力發(fā)動機和升力發(fā)動機可各按其最有利的工作狀態(tài)設計、缺點是在水平飛行時，升力發(fā)動機不發(fā)揮作用，成為不起作用的贅重。

展望

垂直起落飛機發(fā)展到目前，可以說在原理上和技術上都已經(jīng)獲得了初步解決，實驗機試飛已經(jīng)獲得了初步成果，有條件著手進一步的發(fā)展。

世界各國對于垂直起落飛機的進一步發(fā)展工作，首先著眼于軍用飛機。利用試驗機累積的經(jīng)驗，西德、英國、法國等都在發(fā)展速度等于兩倍音速的超音速垂直起落飛機，目前都已著手進行制造，不久即可能試飛。其他如意大利、荷蘭，也提出了一些方案。

但是，在發(fā)展垂直起落飛機的道路上還有不少障礙，需要作很大的努力。進一步發(fā)展垂直起落飛機中的主要技術問題，有下列五方面需要解決：

第一，要獲得足夠的垂直推力，以便克服飛機重量，實現(xiàn)垂直起落。雖然目前已經(jīng)有了相當多的動力裝置類型可以選擇，但是必須進一步研究從總體布置、安全性、經(jīng)濟性以及重量等角度考慮，究竟應該選那一種最合理。

第二，要解決在垂直起落和過渡過程中的操縱和穩(wěn)定問題。譬如說地面上一陣風吹過來，如何保持飛機穩(wěn)定在所需要的位置?，F(xiàn)在一般都用噴氣操縱系統(tǒng)來解決這個問題，也就是在機頭、機尾和兩翼翼尖各裝一些噴口，可以噴出壓縮空氣，利用噴氣的反作用力來使飛機俯仰、橫滾改變方向或保持穩(wěn)定。此外，還可以安排一些自動裝置，以便實現(xiàn)自動穩(wěn)定，減輕駕駛員的負擔。

第三，在垂直起落或者過渡飛行時，如果發(fā)動機發(fā)生故障，如何保證飛機和機上人員的安全。這要求采用應急系統(tǒng)。以目前的技術水平看，用所謂“應急脫離系統(tǒng)”比較現(xiàn)實，也就是說用和一般飛機相似的彈射救生設備在發(fā)生緊急情況時，把飛行員彈射出來。由于垂直起落飛機較長時間在低空作低速飛行，并且可以作垂直下降的飛行，而特別危險的情況，是當垂直下降時動力系統(tǒng)失效，所以垂直起落飛機的應急脫離系統(tǒng)，要保證飛機在前進速度為零、或者正在下降時能夠安全彈射，并在彈射以后，要迅速張開救生傘，使機上人員安全著陸。

第四，用噴氣發(fā)動機產(chǎn)生垂直推力時，要注意噴射氣流對地面的影響，并且還要解決發(fā)動機噪音對周圍的影響問題。這個問題，在用升力風扇時比較容易解決，因為風扇吹出的氣流速度和溫度都比較低，因此飛機幾乎可以在任何地區(qū)起落。但是當使用噴氣升力發(fā)動機時，問題就比較嚴重，因為升力發(fā)動機噴出的氣流可能侵蝕地面，并且還會把吹起的砂石雜物和已經(jīng)噴出的氣流，再度吸入發(fā)動機。噴氣發(fā)動機的噪音也比較大。要使這種飛機能在任何地區(qū)起落，這方面的問題還需要進一步研究解決。

第五，要發(fā)展適用于垂直起落飛機的儀表設備和導航設備。

超音速垂直起落殲擊機方案(升力—推力發(fā)動機復合式)

1.4.5.操縱用噴口2.升力發(fā)動機3.推力發(fā)動機

沈亦勛插圖

超音速垂直起落殲擊機方案(發(fā)動機推力換向式)

1.3.操縱用噴口2.升力—推力發(fā)動機