垂直起降戰(zhàn)機面面觀

垂直起降戰(zhàn)機面面觀

■姜子晗 李子豪 潘孟濤

電影《流浪地球2》中有這樣一段畫面：一架雙發(fā)戰(zhàn)機轉(zhuǎn)動發(fā)動機噴口，向地面噴出火紅烈焰，戰(zhàn)機騰空而起，快速升空。酷炫的科幻場景，讓影迷直呼過癮。

談起戰(zhàn)機起飛方式，“垂直起降”一直是熱點話題：從二戰(zhàn)后期為應(yīng)對機場跑道毀壞而生的第一代垂直起降戰(zhàn)機“云雀”，到英阿戰(zhàn)爭在貨船上起飛的英國“鷂”式戰(zhàn)機，再到適用于中小型航母的F-35B戰(zhàn)機，垂直起降技術(shù)在戰(zhàn)機的迭代更新中不斷發(fā)展。

在過去70多年里，發(fā)展垂直起降戰(zhàn)機一直飽受爭議，高油耗、高故障率、低載彈量等技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)短板依然存在。那么，戰(zhàn)機垂直起降技術(shù)有多復(fù)雜？需要攻克哪些技術(shù)難關(guān)？未來如何發(fā)展？請看本文為您一一解讀。

“鷂”式垂直起降戰(zhàn)機。 

“起得來”又要“落得穩(wěn)”，一升一降考驗戰(zhàn)機能力

如果將垂直起降戰(zhàn)機比作賽場上的“舉重選手”，那么戰(zhàn)機每一次起落都是一場20000公斤級別以上的較量。不僅要“起得來”，還要“落得穩(wěn)”，這對戰(zhàn)機平衡力要求很高。

眾所周知，垂直起降戰(zhàn)機無法利用機翼升力來平衡重力，只能靠發(fā)動機向下噴射燃氣產(chǎn)生向上推力。戰(zhàn)機要想“起得來”，不僅發(fā)動機的推力要足夠大，設(shè)計布局還要滿足戰(zhàn)機平衡力要求，“多點平衡”是大多數(shù)國家研制垂直起降戰(zhàn)機的首選方案。英國第一代垂直起降戰(zhàn)機——“鷂”式戰(zhàn)機采用了這樣的平衡方式，在機身兩側(cè)對稱布置可旋轉(zhuǎn)噴口。發(fā)動機工作時，四處噴口協(xié)同用力，像抬轎子一樣把戰(zhàn)機舉起來，通過調(diào)整噴口角度保持平衡。

英阿馬島戰(zhàn)爭，英國皇家海軍“鷂”式戰(zhàn)機共擊落22架阿根廷空軍戰(zhàn)機。能取得這般成績，得益于多噴口矢量發(fā)動機的優(yōu)異性能——小盤旋半徑、高轉(zhuǎn)向率和高速飛行時的定向控制能力，使得“鷂”式戰(zhàn)機脫穎而出。

隨著F-35B垂直起降五代機誕生，“鷂”式戰(zhàn)機逐漸落伍，先進的垂直起降戰(zhàn)機大多采用“推力矢量發(fā)動機+升力風(fēng)扇”復(fù)合推進系統(tǒng)。這種推進系統(tǒng)無需將發(fā)動機動力分成4份，而是在戰(zhàn)機中軸線上加裝升力風(fēng)扇，使用發(fā)動機連接驅(qū)動，通過大氣壓力差的原理來平衡重力，具有動力損耗小、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單等優(yōu)點。

不過，復(fù)合推進系統(tǒng)在戰(zhàn)機垂直降落時會出現(xiàn)“地面效應(yīng)”，導(dǎo)致燃氣吸入升力風(fēng)扇，戰(zhàn)機會出現(xiàn)強烈抖動。此時，要想保證戰(zhàn)機“落得穩(wěn)”，飛行員需要根據(jù)風(fēng)力、地面距離等數(shù)據(jù)實時調(diào)整油門和操縱桿，保持戰(zhàn)機飛行姿態(tài)平穩(wěn)。

如何讓飛行員輕松完成戰(zhàn)機降落任務(wù)？各國航空設(shè)計師在改進戰(zhàn)機“大腦”上下功夫——科研人員為垂直起降戰(zhàn)機量身打造閉環(huán)智能控制系統(tǒng)，通過分布在機身各處的傳感器代替飛行員的態(tài)勢感知，只需在系統(tǒng)中輸入坐標(biāo)，便可生成推力方案，自動調(diào)整噴管角度和推力大小控制戰(zhàn)機平穩(wěn)降落。

事實上，設(shè)計驗證垂直起降戰(zhàn)機是一個漫長過程。在飛行試驗階段，科研人員對戰(zhàn)機開展懸停系留試驗，獲取懸停狀態(tài)的氣流場，評估動態(tài)控制能力。因此，為實現(xiàn)垂直起降戰(zhàn)機的高效起降，需要技術(shù)體系、系統(tǒng)設(shè)備與試驗配套條件的同步革新。

重“面子”又要“里子”，戰(zhàn)機“裝修”牽一發(fā)而動全身

去年，國外某軍工企業(yè)公開展示了一種垂直起降戰(zhàn)機的懸停功能。該戰(zhàn)機機身6處噴口同時打開，向地面噴射燃氣，酷似一只張開翅膀的大黃蜂。

航空界有一句話：“戰(zhàn)機顏值即是戰(zhàn)斗力?！痹O(shè)計人員在垂直起降戰(zhàn)機的“面子”上煞費苦心，為了能裝下龐大的復(fù)合推進系統(tǒng)，戰(zhàn)機機身不僅要滿足進氣和排氣的需要，還要保持簡潔流暢的外形，活動部件和噴口設(shè)置成為垂直起降戰(zhàn)機的顯著特征。

設(shè)計人員在垂直起降戰(zhàn)機座艙后部為升力風(fēng)扇設(shè)置了進氣口蓋，背部噴口設(shè)計可避免發(fā)動機再次吸入噴出的廢氣，有利于提高發(fā)動機功率，并減少異物吸入的危險。此外，設(shè)計人員在升力風(fēng)扇進氣口給戰(zhàn)機設(shè)置了一個雙開門的“天窗”，用以輔助發(fā)動機進氣，改善戰(zhàn)機的進氣能力。

在原本平整的機身上加裝風(fēng)扇以及各類噴口，將引起氣動特性發(fā)生變化，戰(zhàn)機可操作性和穩(wěn)定性也會下降。因此，設(shè)計人員給機翼加裝副翼，增大活動舵面提高升力；取消外掛物和掛架，采用機內(nèi)彈艙方式優(yōu)化氣動性能，增強飛行穩(wěn)定性。

如果說機身設(shè)計是“面子”，那么機體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計就是戰(zhàn)機的“里子”。可以說，“室內(nèi)裝修”步驟更多、設(shè)計更細、標(biāo)準(zhǔn)更高。

一方面要為動力系統(tǒng)騰出空間。設(shè)計人員一般將戰(zhàn)機中間寬敞的艙段“清理”出來，留作動力系統(tǒng)的“客廳”。例如，國外某型垂直起降戰(zhàn)機為了加裝升力風(fēng)扇，將主彈艙安置在發(fā)動機兩側(cè)，進氣道改為S型，就連機電設(shè)備也是見縫插針。此外，他們還改變油箱形狀，使戰(zhàn)機“里子”既有型又貼合。

另一方面要整合配套設(shè)備。發(fā)動機功率的提升，需要增設(shè)大功率供電、液壓和冷卻系統(tǒng)，打造“一體化家具”是破解空間難題的關(guān)鍵。目前，一些國家設(shè)計人員初步實現(xiàn)了垂直起降戰(zhàn)機輔助動力系統(tǒng)和應(yīng)急動力單元的整合，高壓氣瓶通過存儲壓縮氣體，直接驅(qū)動動力渦輪實現(xiàn)自啟動，減少了輔助動力生成系統(tǒng)的渦輪數(shù)量，達到了“一專多能”的效果。

相比“室內(nèi)裝修”“增減家具”，各系統(tǒng)之間的“磨合”同樣重要。發(fā)動機與升力風(fēng)扇需要通過一根傳動軸連接，由于離合器與升力風(fēng)扇的速度差極大，在接合瞬間會產(chǎn)生極高溫度。因此，設(shè)計人員通常會使用碳耐磨材料，并對其表面進行硬化處理，使離合器更輕、更有力，提升傳動效率和響應(yīng)速度。

垂直起降戰(zhàn)機問題頻出，戰(zhàn)場表現(xiàn)不盡如人意

上世紀70年代初，時任美國海軍作戰(zhàn)部部長艾爾默首次提出建造更小、性價比更高的“制海艦”，并搭配垂直起降戰(zhàn)機。這一方案遭到軍方高層的否決。

雅克-38垂直起降戰(zhàn)機。 資料照片

美國軍方否決該項目，理由很簡單。按照當(dāng)時垂直起降戰(zhàn)機的戰(zhàn)場表現(xiàn)看，其空戰(zhàn)能力難堪重任——蘇聯(lián)研制垂直起降戰(zhàn)機雅克-38，可靠性低、事故率高，被稱為“桅桿保衛(wèi)者”；美國引進英國“鷂”式戰(zhàn)機，并研制出垂直起降戰(zhàn)機AV-8B，投入巨額資金為其設(shè)計提升載油量和載彈量，但在海灣戰(zhàn)爭中依然因火力不足被頻頻換下。

進入新世紀，隨著垂直起降戰(zhàn)機F-35B列裝多國海軍，有關(guān)F-35B戰(zhàn)機發(fā)生事故的新聞接連不斷。2020年，美軍一架F-35B戰(zhàn)機在空中加油時，撞上了“空中奶媽”KC-130J加油機，導(dǎo)致“空中奶媽”在附近田地迫降，而它自己則直接墜毀。2021年11月，英軍一架F-35B戰(zhàn)機從航母起飛時，由于進氣道防水保護罩和發(fā)動機蓋板沒有摘除，導(dǎo)致F-35B戰(zhàn)機因“呼吸不暢”而墜機。事后，有媒體為這種外形臃腫的F-35B戰(zhàn)機起了一個“肥電”的綽號。2022年12月，美國沃斯堡海軍航空站聯(lián)合儲備基地，一架F-35B戰(zhàn)機在垂直降落時失控墜毀。受此次F-35B墜機事故影響，洛馬公司宣布暫停新機驗收和交付。細數(shù)近年來的飛行事故，讓F-35B戰(zhàn)機背上了“熊孩子”的名聲。

F-35B垂直起降戰(zhàn)機。

其實，F(xiàn)-35B戰(zhàn)機在列裝前就飽受爭議，美軍曾一度想要下馬垂直起降戰(zhàn)機項目。當(dāng)時，如果放棄F-35B戰(zhàn)機，意味著美國海軍的多艘兩棲攻擊艦將失去固定翼作戰(zhàn)飛機的能力，“淪落”為直升機母艦，對替換“鷂”式戰(zhàn)機翹首以待的一些國家也將陷入類似的困境。鑒于此，F(xiàn)-35B戰(zhàn)機只能勉強上馬，從之后10多年的戰(zhàn)場表現(xiàn)來看，確實不盡如人意。

2022年，歐洲多國聯(lián)合推出的“未來空中作戰(zhàn)系統(tǒng)”方案，提出六代機的六大能力需求，卻唯獨將垂直起降排除在外。歐洲各國的選擇，并不無道理。高額的科研和保障資金投入，讓各國難堪重負。綜合考量后，歐洲六代機決定放棄垂直起降技術(shù)。

近年來，面對不景氣的軍貿(mào)市場，科研人員選擇另辟蹊徑，在研制垂直起降艦載無人機方面下功夫。垂直起降艦載無人機可以省去一系列飛行員必備的機載內(nèi)部設(shè)備，機身內(nèi)部空間更大，可以裝載更多的燃油和彈藥，擴展更多的作戰(zhàn)任務(wù)。幾年前，美國發(fā)布了垂直起降戰(zhàn)機的無人版方案，英、法、俄等國也陸續(xù)推出具備垂直起降能力的無人機設(shè)想，使用AI飛控設(shè)備實現(xiàn)無人化，成為垂直起降戰(zhàn)機發(fā)展的新方向。未來，垂直起降艦載無人機能否“破圈”順利騰飛，讓我們拭目以待。