垂直/短距起降技術(shù)前傳

鹿鳴

摘要：2015年9月，美國公布了新一代垂直起降飛行器的研發(fā)路線圖。這一消息再度引發(fā)了人們對垂直起降飛行器的討論與思考。在英國的“鷂”式、美國的F-35B和蘇聯(lián)雅克-38等大家耳熟能詳?shù)拇怪?短距起降戰(zhàn)斗機(jī)之前，還有著一系列帶有試驗(yàn)性質(zhì)的垂直起降飛機(jī)。這些飛機(jī)對于今天想要了解并發(fā)展垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)（尤其是艦載機(jī)）的人們?nèi)杂休^大的參考價值。

2015年9月份，美國公布了新一代垂直起降飛行器的研發(fā)路線圖，計(jì)劃在2017財(cái)年至2019財(cái)年期間對波音、貝爾和洛馬等團(tuán)隊(duì)提供的垂直起降驗(yàn)證飛行器進(jìn)行測試飛行，以幫助美軍對未來垂直起降飛行器（FVL）的需求和相關(guān)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行探索。隨后將在2024年或2025年開始一個為期五年的工程化和制造準(zhǔn)備階段。到2030年則正式啟動新一代垂直起降飛行器的量產(chǎn)。這一消息再度引發(fā)了人們對垂直起降飛行器的討論與思考。在垂直起降飛行器中，除直升機(jī)外，還有一類能夠垂直/短距起降的飛機(jī)備受關(guān)注。英國的“鷂”式、美國的F-35B和蘇聯(lián)雅克-38等大家耳熟能詳?shù)拇怪?短距起降戰(zhàn)斗機(jī)便屬于此類。不過，在這些戰(zhàn)斗機(jī)出現(xiàn)之前，一系列帶有試驗(yàn)性質(zhì)的垂直/短距起降技術(shù)驗(yàn)證機(jī)為該技術(shù)的發(fā)展起到了不容忽視的作用。這些驗(yàn)證機(jī)檢驗(yàn)了人們對垂直起降技術(shù)的理論分析，展示了升力風(fēng)扇和升力發(fā)動機(jī)的優(yōu)劣，對于今天想要了解并發(fā)展垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)（尤其是艦載機(jī)）的人們?nèi)杂休^大的參考價值。以蘇霍伊T-58VD這款由截?fù)魴C(jī)改造而來的短距起降飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)為代表的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)身上凝聚了太多有關(guān)垂直/短距起降技術(shù)的爭論和探索。它們是垂直/短距起降飛機(jī)改造及研發(fā)史上的珍貴標(biāo)本。

短距起降 時代在召喚

蘇霍伊T-58VD這款由截?fù)魴C(jī)改造而來的短距起降飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)為代表的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)身上凝聚了太多有關(guān)垂直/短距起降技術(shù)的爭論和探索。

上世紀(jì)五六十年代是垂直/短距起降飛機(jī)的萌芽時期。經(jīng)歷過二戰(zhàn)洗禮的各大航空強(qiáng)國開始反思戰(zhàn)斗機(jī)的快速反應(yīng)能力和機(jī)場的抗損傷能力。無論是飛機(jī)設(shè)計(jì)單位還是空軍本身，都不約而同地將目光放到了飛機(jī)的短距起降能力上面。如果飛機(jī)能夠不依賴機(jī)場跑道而直接升空的話，大量在第一波突襲中存活下來的戰(zhàn)斗機(jī)就能夠迅速形成反擊力量，不會因跑道被炸毀而失去全部的戰(zhàn)斗能力。1956 年，法國航空工程師首次提出了“推力換向”的概念。后來，英國工程師對此方案進(jìn)行了修改，于 1957 年 1 月與法國人共同取得了專利權(quán)。在短暫而緊張的試制工作之后，英國人制造的2架SC.1垂直起降驗(yàn)證機(jī)和法國達(dá)索推出的“巴爾扎克”驗(yàn)證機(jī)宣告了垂直起降飛機(jī)時代的來臨。1960年，亞歷山大·雅克福列夫在英國范堡羅航展上看到了參展的肖特SC.1驗(yàn)證機(jī)后，為其獨(dú)特的設(shè)計(jì)所深深吸引，當(dāng)即決定開展蘇聯(lián)人自己的垂直起降飛機(jī)的研發(fā)工作。這便是雅克-36、雅克-38乃至雅克-141系列垂直起降飛機(jī)的緣起。

如今，升力風(fēng)扇技術(shù)已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，而人們對升力發(fā)動機(jī)的爭論仍未平息。

然而，在蘇聯(lián)，對垂直/短距起降飛機(jī)進(jìn)行探索的研究單位并沒有局限在雅克一家。蘇霍伊設(shè)計(jì)局在上世紀(jì)60年代接到了研制短距起降飛機(jī)的任務(wù)。該設(shè)計(jì)局準(zhǔn)備以T-58D（后來被命名為蘇-15）為基礎(chǔ)改造出他們研制的首款短距起降飛機(jī)。

T-58D一改蘇系戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)頭進(jìn)氣布局，率先采用了兩側(cè)進(jìn)氣的布局方案?；诋?dāng)時的時代背景，T-58D沿用了大量蘇-11戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)（如起落架、機(jī)翼、尾翼等）。1967年7月9日，大批民眾涌向中斷了6年之久的莫斯科航展，見證了蘇-15截?fù)魴C(jī)的首次公開表演。以“保證蘇聯(lián)天空30年的安寧”為誓言的蘇-15最高速度可達(dá)2.1馬赫，裝備R-98空空導(dǎo)彈，前緣后掠角達(dá)60°的三角翼設(shè)計(jì)使其成為了那個時代的截?fù)魴C(jī)的典型代表。既然短距起降技術(shù)首先要用在國土防空領(lǐng)域，那么T-58D也就成了蘇霍伊設(shè)計(jì)局的不二選擇。具備短距起降能力的T-58VD驗(yàn)證機(jī)便是在這個背景下誕生的。

升力不夠 發(fā)動機(jī)來湊

通常來說，固定翼飛機(jī)產(chǎn)生垂直升力的辦法有三個：一個是偏轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)的噴管，二是直接用升力發(fā)動機(jī)來提供，三是前兩種方法的結(jié)合，即同時使用升力發(fā)動機(jī)和帶有可偏轉(zhuǎn)噴管的主發(fā)動機(jī)。T-58VD的垂直升力主要來源于升力發(fā)動機(jī)。

T-58VD的機(jī)身中部被重新設(shè)計(jì)，有3臺RD-36-35升力發(fā)動機(jī)被安裝到了駕駛艙后面的機(jī)身中。其中1臺升力發(fā)動機(jī)放在1個單獨(dú)的隔艙里，靠前布置。另外兩臺升力發(fā)動機(jī)放在靠后一點(diǎn)的防火隔艙中。每臺升力發(fā)動機(jī)都可以產(chǎn)生23千牛的推力。兩個隔艙的頂端便是升力發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口，上面有兩塊可調(diào)節(jié)開關(guān)狀態(tài)的蓋板。機(jī)身下部安裝有可控鰭板，用來調(diào)節(jié)升力發(fā)動機(jī)的噴流角度。另外，為改善飛機(jī)在低速狀態(tài)下的升力特性，外側(cè)機(jī)翼的前緣后掠角減小為45°。這種對后掠角進(jìn)行改動而不是用延長翼展的方式來改善升力的方法體現(xiàn)了當(dāng)時設(shè)計(jì)人員對機(jī)身尺寸的苛刻要求。從這個細(xì)節(jié)上可以看到早在這個時候，蘇聯(lián)就已經(jīng)注意到了垂直起降技術(shù)與艦載機(jī)之間的聯(lián)系，畢竟只有艦載機(jī)這樣的存儲空間狹小的飛行器才會對翼展如此敏感。武器系統(tǒng)也暫時被拆卸掉，以減輕升力發(fā)動機(jī)的負(fù)擔(dān)。

試飛工作進(jìn)行得很順利。T-58VD共進(jìn)行了37次飛行試驗(yàn)。推力強(qiáng)勁的升力發(fā)動機(jī)讓T-58VD擁有了名副其實(shí)的短距起降能力。在改型之前，T-58D的起飛滑跑距離為1 170米，最小起飛速度為390千米/小時。而擁有升力發(fā)動機(jī)的T-58VD的起飛滑跑距離僅為500米，在滑跑速度達(dá)到290千米/小時的時候就能夠起飛。升力發(fā)動機(jī)將飛機(jī)的著陸滑跑距離由1 000米減小到了600米，著陸速度由315千米/小時減小到240千米/小時。

但是，升力發(fā)動機(jī)給飛機(jī)帶來了太多不便。熾熱的噴流讓機(jī)場跑道苦不堪言，必須要進(jìn)行防熱加強(qiáng)處理，否則漫天飛舞的灼熱沙塵將嚴(yán)重影響飛行員的視野，并對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣環(huán)境帶來極壞的影響。熱噴流在經(jīng)過地面反彈后會吹拂在機(jī)翼下方，這就使得該機(jī)原本引以為傲的空空導(dǎo)彈將不能繼續(xù)掛載在翼下掛架上，這無異于掰掉了猛虎的獠牙。

另外，升力發(fā)動機(jī)占據(jù)了機(jī)身油箱的位置，使載油量大幅減少，而發(fā)動機(jī)的總耗油量卻急劇增加。約有三分之一的燃油在起飛階段就被消耗掉了。還有，飛行員反映該機(jī)在低速降落的時候，很難控制住機(jī)頭上揚(yáng)的趨勢。這導(dǎo)致試飛員不想繼續(xù)在降落階段啟用升力發(fā)動機(jī)。有猜測認(rèn)為在改造過程中設(shè)計(jì)人員對俯仰方向的配平計(jì)算有誤，畢竟設(shè)計(jì)局之前從來沒有對采用升力發(fā)動機(jī)的飛行器進(jìn)行過相關(guān)計(jì)算。

留下傳說 優(yōu)劣任人評

1976年，這架T-58VD驗(yàn)證機(jī)被送給莫斯科航空學(xué)院成為教具。1980年，該機(jī)被拆解成碎片。

有人認(rèn)為，多臺升力發(fā)動機(jī)的布局方式并非沒有可取之處。在飛行穩(wěn)定性和推力優(yōu)化方面，該布局有一定的優(yōu)勢。而T-58VD較差的續(xù)航能力源自蘇-15截?fù)魴C(jī)本身。1967年8月份，蘇-15的第一次墜毀事故出現(xiàn)。飛行員在飛行訓(xùn)練中做了多個機(jī)動動作，展示了飛機(jī)較為良好的性能，但是他忘了時刻關(guān)注那個迅速下降的油表指針。燃油耗盡的飛機(jī)發(fā)動機(jī)立刻熄火，使得飛行員只得跳傘逃生。截?fù)魴C(jī)作為國土防空力量，對航程的要求較低，這一特點(diǎn)遺傳給了T-5VD。而采用單臺發(fā)動機(jī)的“鷂”式垂直/短距起降戰(zhàn)斗機(jī)在垂直起降的情況下，攜帶3 顆454 千克炸彈時的作戰(zhàn)半徑只有92 千米?？梢姡词故菃闻_布局也存在作戰(zhàn)半徑過小的問題。

實(shí)際上，到底是采用單臺推力較大的發(fā)動機(jī)配合可旋轉(zhuǎn)噴管來產(chǎn)生垂直升力和巡航推力還是采用1臺推力較小的巡航發(fā)動機(jī)和多臺推力更小的升力發(fā)動機(jī)來分別負(fù)責(zé)巡航推力和垂直升力的爭論早就存在，并且時至今日這樣的爭論仍未平息。

1961年8月，北約多國聯(lián)合提出了VAK-191（VAK為德語Vertikal startendes Aufklarungs-und-kampfflugzeug的縮寫，意為垂直/短距起降飛機(jī)）計(jì)劃。該計(jì)劃推出的VAK-191B飛機(jī)共安裝3臺發(fā)動機(jī)。1臺推力為45.2千牛的RB193-12發(fā)動機(jī)作為主發(fā)動機(jī)，通過4個可以旋轉(zhuǎn)115°的噴管來產(chǎn)生推力。2臺推力為24.8千牛的RB162-81升力發(fā)動機(jī)安裝在駕駛艙后方。當(dāng)飛機(jī)在平飛狀態(tài)時，升力發(fā)動機(jī)關(guān)閉，其進(jìn)氣口和排氣口也被封閉起來以減小空氣阻力。與這種采用3臺發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)不同，“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)只采用了一臺發(fā)動機(jī)。GR.1是英國空軍使用的“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)中的最初型號，采用推力達(dá)84.7 千牛的羅羅“飛馬”6發(fā)動機(jī)。這兩款飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)接近，起飛重量類似，而發(fā)動機(jī)布局方案迥異，正好可以用來進(jìn)行比較。VAK-191B戰(zhàn)斗機(jī)為減小起飛重量，對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)和制造工藝進(jìn)行了大量優(yōu)化，三臺發(fā)動機(jī)的重量之和比單臺“飛馬”發(fā)動機(jī)的重量還要小。針對垂直起降狀態(tài)而專門設(shè)計(jì)的多發(fā)動機(jī)布局方案能夠使飛機(jī)在這樣的狀態(tài)下有較好的穩(wěn)定性和操縱性。但是，當(dāng)飛機(jī)轉(zhuǎn)為平飛狀態(tài)后，2臺升力發(fā)動機(jī)不再工作，變成了飛機(jī)上不提供升力也不產(chǎn)生推力的“死重”。而單臺發(fā)動機(jī)則不會面臨這個問題。另外，雖然這3臺發(fā)動機(jī)本身的總重量較小，但是為了將發(fā)動機(jī)固定在機(jī)身上而采用的大量承力結(jié)構(gòu)則給飛機(jī)增添了不少重量。因此，VAK-191B的起飛重量與“鷂”式相當(dāng)。但是，綜合考慮發(fā)動機(jī)故障率和飛機(jī)整體可維護(hù)性等因素，單臺大推力的布局方案勝過了多臺小推力的方案。這也是很多人認(rèn)為在垂直起降飛機(jī)上采用單臺發(fā)動機(jī)的布局較好的主要依據(jù)。不過，這個比較基于上世紀(jì)60年代的兩款機(jī)型，有其獨(dú)特的歷史背景和技術(shù)局限。在今天，單臺與多臺之爭究竟會有怎樣的結(jié)果，尚有進(jìn)一步討論的空間。

對戰(zhàn)斗機(jī)、截?fù)魴C(jī)上艦的渴望催促著技術(shù)人員進(jìn)行堅(jiān)持不懈的努力和充滿奇思妙想的探索。但是后來出現(xiàn)的雅克-38的作戰(zhàn)半徑仍然太小，擺脫不掉“桅桿保衛(wèi)者”的戲謔稱號。

垂直/短距起降飛機(jī)有獨(dú)特的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)價值，尤其是當(dāng)這種飛機(jī)在平飛狀態(tài)時有著與一般固定翼飛機(jī)相當(dāng)?shù)淖鲬?zhàn)效能時。但是，只有當(dāng)發(fā)動機(jī)技術(shù)、飛行器與發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計(jì)方法以及先進(jìn)控制技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)取得更進(jìn)一步的發(fā)展的時候，才能夠讓此類飛行器不用在獲得優(yōu)秀的垂直起降性能的同時以犧牲載彈量、航程和機(jī)動性為前提。以T-58VD為代表的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)屬于那個用奇思妙想彌補(bǔ)技術(shù)局限的時代?，F(xiàn)在，優(yōu)化算法、材料、工藝和控制理論已今非昔比，垂直/短距起降戰(zhàn)斗機(jī)或許將迎來一個更加美好的蓬勃發(fā)展時期。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)