海上戰(zhàn)鷹系列之天馬行空篇——由AV-8B降落“板凳”談中國發(fā)展STOVL的猜想

文/馬世強(qiáng)

?

海上戰(zhàn)鷹系列之天馬行空篇——由AV-8B降落“板凳”談中國發(fā)展STOVL的猜想

文/馬世強(qiáng)

軍事CG網(wǎng)上發(fā)布的中國垂直起降戰(zhàn)機(jī)CG圖，繪制：NIL

據(jù)美國媒體報(bào)道，2014年6月7日，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)一架AV-8B戰(zhàn)機(jī)因前起落架故障無法放下，最終依靠飛行甲板上鋪設(shè)的臨時(shí)支架，安全迫降于“巴丹”號（LHD 5）兩棲攻擊艦上。

這段“AV-8B降落到‘小板凳’上”的視頻在網(wǎng)上異常火爆，人們都對“鷂”式/AV-8B戰(zhàn)機(jī)的這種“特異功能”表示贊嘆。更有網(wǎng)友上傳了2010年9月，美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)利用一堆床墊進(jìn)行的AV-8B戰(zhàn)機(jī)無起落架迫降試驗(yàn)的照片。雖然圖片顯示這次試驗(yàn)未獲成功，但仍不禁使人聯(lián)想：是否能夠取消垂直起降戰(zhàn)機(jī)的起落架，這樣既能簡化飛機(jī)設(shè)計(jì)，還能減輕結(jié)構(gòu)重量，進(jìn)而大幅度提高這類的作戰(zhàn)能力？你還別說，英國人就曾經(jīng)動(dòng)過這樣的心思。1985年，英國宇航公司研制了一種“天鉤”空中回收系統(tǒng)，用來幫助“海鷂”式戰(zhàn)機(jī)在驅(qū)逐艦級別的艦只上放飛與回收。使用該系統(tǒng)的垂直起降戰(zhàn)機(jī)未來很有可能會取消起落架。

中國海軍在航母發(fā)展過程中，也臨著是否要研制短距起飛/垂直降落戰(zhàn)機(jī)（STOVL）的問題。有不少軍迷認(rèn)為中國應(yīng)該發(fā)展這類作戰(zhàn)飛機(jī)；也有不少人認(rèn)為中國還不具備研制的能力，或者對這類飛機(jī)的需要迫切性不足。就STOVL來說，這實(shí)際上是航空技術(shù)的橫向拓展。能夠研制出殲20的中國已經(jīng)具備了研制STOVL的實(shí)力。

從使用的角度看，“中國版F-35B作為艦載機(jī)才能有足夠大的吸引力”的看法非常具有指導(dǎo)意義。艦載機(jī)為上艦要付出結(jié)構(gòu)加強(qiáng)增重的巨大代價(jià)，最高可達(dá)15%，而F-35B相對于F-35A的增重也接近15%。中國版F-35B增重顯然是不可避免，既然如此，如將該機(jī)型定位于艦載機(jī)，其重量增加就是可以接受的事情了。網(wǎng)絡(luò)上，軍迷朋友們也提出了不少中國版F-35B的設(shè)計(jì)思路。有人提出短距起飛/垂直降落可在某種程度上避開沒有大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的不利因素。還有人提出了細(xì)節(jié)上的設(shè)計(jì)創(chuàng)新：采用噴水加力、縮小機(jī)翼面積以節(jié)省結(jié)構(gòu)重量；在航母甲板上采用發(fā)動(dòng)機(jī)噴流偏轉(zhuǎn)槽，避免此類機(jī)型在防止發(fā)動(dòng)機(jī)吸入廢氣上付出太大代價(jià)，等等。如果再結(jié)合“取消起落架”的思路，則中國研制艦載的STOVL也就有了非常強(qiáng)的實(shí)際意義。

AV-8B用“小板凳”代替前起落架迫降

垂直起降戰(zhàn)機(jī)的特點(diǎn)是對降落場地要求不太高，逼急了哪兒都敢降，有時(shí)難免壓到花花草草

AV-8B“鷂”Ⅱ在兩棲攻擊艦上降落時(shí)會利用甲板風(fēng)

關(guān)于起落架的異想天開

從中國航空工業(yè)的現(xiàn)狀及中國設(shè)計(jì)人員的“后來者居上”優(yōu)勢看，中國完全可以在現(xiàn)有各類方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)制造出具有同樣戰(zhàn)術(shù)技術(shù)優(yōu)勢的“紅色F-35B”來。當(dāng)然，僅做到這一步還不夠。因?yàn)镕-35B作戰(zhàn)性能遠(yuǎn)不如F-35A/C型，中國研制的此類飛機(jī)要想具有足夠的吸引力來促使海軍對其感興趣，還得在設(shè)計(jì)思想上進(jìn)一步解放才行。

在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件里，起落架只用于地面運(yùn)動(dòng)和起降，一飛上天就成了死重，因此網(wǎng)上早有軍迷認(rèn)為中國STOVL可以去掉這個(gè)死重。二戰(zhàn)中納粹德國Ar 234“閃電”噴氣轟炸機(jī)的原型機(jī)為了控制機(jī)體結(jié)構(gòu)重量，就取消了起落架，用一個(gè)可拋滑車幫助起飛，降落時(shí)則依靠機(jī)身下的可收放滑橇。二戰(zhàn)后美國開始研制尾座式垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)飛機(jī)，一個(gè)重要的誘因就是這種設(shè)計(jì)有可能去掉占飛機(jī)總重量10%左右的起落架重量。

用床墊進(jìn)行AV-8B無起落架迫降試驗(yàn)

“鷂”式飛機(jī)作為世界上第一架實(shí)用型垂直起降的戰(zhàn)斗機(jī)，擁有推力達(dá)9866千克力（約96.8千牛）的發(fā)動(dòng)機(jī)，其最大垂直起飛重量卻只有8噸多一點(diǎn)，攜彈量只有兩噸多，最大航程只有92千米，極大限制了鷂式的作戰(zhàn)能力。實(shí)際上，“鷂”式采用自行車式起落架，除了機(jī)身下前后主機(jī)輪外，還在翼尖處設(shè)置有起支撐作用的輔助護(hù)輪。取消起落架后可減少這四部分的結(jié)構(gòu)重量。另外，起落架收起后占據(jù)機(jī)內(nèi)空間的體積也相當(dāng)大，“鷂”式的兩個(gè)主起落架艙的空間尺寸超過飛行員座艙。對于超聲速的戰(zhàn)斗機(jī)而言，機(jī)內(nèi)空間大對氣動(dòng)外形的負(fù)面影響也很大，氣動(dòng)外形的改善可以進(jìn)一步減少燃油消耗。因此，如果重新設(shè)計(jì)的“鷂”式取消了起落架，幾種因素結(jié)合在一起至少可以增加50%的有效載荷，由此可以大幅度提高“鷂”式戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)性能。

航空界普遍認(rèn)為，作戰(zhàn)飛機(jī)無人化后，在重量上可以減少45%，在外形尺寸上則可以縮小40%。為什么會有如此大的重量及尺寸上的收益？一般來講，戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)重量每減少1千克，意味著起飛重量可減少3千克。無人機(jī)取消飛行員后，不僅結(jié)構(gòu)重量減輕，在燃料消耗上也有巨大效益，且兩者累積會產(chǎn)生放大效應(yīng)，因此航空專家才得出無人戰(zhàn)斗機(jī)重量、體積方面均有巨大優(yōu)勢的結(jié)論。由于起落架的重量遠(yuǎn)大于飛行員及配套裝備，其占據(jù)機(jī)內(nèi)空間的體積也超過飛機(jī)座艙，因此完全有理由做出這樣的設(shè)想：取消起落架可以讓中國的STOVL獲得戰(zhàn)術(shù)技術(shù)的大飛躍！

取消了起落架艦載機(jī)如何起降及在甲板上移動(dòng)？有人提出可以仿照英國“天鉤”系統(tǒng)進(jìn)行戰(zhàn)機(jī)的放飛與回收，或者在起飛時(shí)采用起飛滑車；甲板上移動(dòng)及停放可用專門的停放小車來完成。現(xiàn)有的起飛滑車通常由用一個(gè)鎖鉤裝置將車架與飛機(jī)連接在一起。當(dāng)滑行速度達(dá)到起飛速度后，飛機(jī)抬頭，前輪對鎖止機(jī)構(gòu)的壓力減小，就會在傳感器中產(chǎn)生信號，控制機(jī)械開鎖，飛機(jī)脫離滑行車完成起飛。艦載機(jī)的起飛滑車可以將起飛、移動(dòng)、停放等功能結(jié)合在一起，只是在結(jié)構(gòu)會稍顯復(fù)雜。這種起飛/停放/移動(dòng)車上安裝有氣壓作動(dòng)彈射裝置，在達(dá)到起飛速度后可以通過氣動(dòng)彈射將機(jī)體以一定速度彈射騰空，機(jī)體獲得一個(gè)向上的拋出速度（6米/秒），基本上相當(dāng)于從滑躍甲板上起飛的效果。幾十年前，美國曾對彈跳式起落架進(jìn)行過試驗(yàn)。他們在飛機(jī)的起落架上設(shè)置了加大的高壓氣瓶，利用高壓氣體進(jìn)入起落架的液壓裝置中，使機(jī)輪產(chǎn)生短暫的強(qiáng)力彈射效應(yīng)，讓飛機(jī)及時(shí)抬頭并騰空離開地面。試驗(yàn)證明這種方法明顯了縮短起飛滑跑距離，其效果接近滑躍起飛。

也有人認(rèn)為，中國的STOVL取消起落架后，并不一定就要采用英國的“天鉤”系統(tǒng)回收。從技術(shù)難度及艦上設(shè)備的重量/體積看，還是類似文章開頭時(shí)那種“板凳”式支撐架更加方便和適用。可以考慮這樣的方案：在飛行甲板的著艦區(qū)設(shè)置一左一右兩個(gè)可升降“板凳”，垂直著艦時(shí)讓戰(zhàn)機(jī)的左右機(jī)翼降落在這兩個(gè)“板凳”上；在回收降落過程中可適時(shí)將起飛/停放/移動(dòng)車駛?cè)雰蓚€(gè)“板凳”之間，機(jī)翼降到位后“板凳”下降，讓機(jī)體正好放在起飛/停放/移動(dòng)車上。為使兩個(gè)“板凳”能象“天鉤”一樣具有消除艦體搖擺的功能，可以將“板凳”設(shè)置在能夠保持縱向及橫向平衡的穩(wěn)定平臺上，再加上“板凳”的上下升降，就能實(shí)現(xiàn)與“天鉤”一樣的惡劣海況適應(yīng)能力。

采用起飛滑車的STOVL方案

關(guān)于“心臟”的設(shè)想

通常認(rèn)為，要想研制出具有實(shí)用意義的垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)是關(guān)鍵。因此，有人建議引進(jìn)俄羅斯的雅克-141的可轉(zhuǎn)噴口發(fā)動(dòng)機(jī)。其實(shí)，這類發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管雖然是“與眾不同”，但研制難點(diǎn)不在這里。總體上的性能是否滿足設(shè)計(jì)需要的才是重中之重。標(biāo)準(zhǔn)仍然是推重比及耗油率高低，更主要是看是否有合適推力的發(fā)動(dòng)機(jī)。從雅克-141及F-35B的發(fā)動(dòng)機(jī)推力看，研制國產(chǎn)STOVL，應(yīng)擁有13000千克力（約127千牛）以上的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，而可轉(zhuǎn)動(dòng)噴管結(jié)構(gòu)的技術(shù)并不是最大難點(diǎn)。中國現(xiàn)在的發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平已經(jīng)遠(yuǎn)超三十多年前雅克-141發(fā)動(dòng)機(jī)，要研制出類似于雅克-141的三軸承可轉(zhuǎn)動(dòng)噴管也不是太大的問題。有傳言中國已經(jīng)引進(jìn)了雅克-141的發(fā)動(dòng)機(jī)，果真如此，則研制中國版F-35B的把握就更無大了。

雅克-141的三軸承噴管

雅克-141進(jìn)行升力發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

“板凳”式支撐架的STOVL方案

在航母滑躍甲板上短距起飛，可以讓“鷂”式垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)獲得比垂直起飛大得多的起飛重量，其效果已接近了常規(guī)艦載機(jī)的水平。例如，“鷂”式改型AV-8B最大起飛重量已經(jīng)達(dá)到14噸以上，載彈量已經(jīng)接近F-16戰(zhàn)斗機(jī)。垂直起飛時(shí)需要大推力以滿足多載彈載油的需要，采用水平滑躍式短距起飛就能避開發(fā)動(dòng)機(jī)推力不足；而降落時(shí)由于彈油的消耗重量可減少一半以上。因此，簡單地說研制艦載“短距（滑躍）起飛、垂直降落”戰(zhàn)斗機(jī)，既能實(shí)現(xiàn)F-35B的主要功能，又能保持理想的載彈能力，同時(shí)還能大幅度地降低研制難度。

“飛馬”發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

在關(guān)于中國發(fā)展STOVL的討論中，有人建議用“噴油風(fēng)扇”取代升力風(fēng)扇。所謂的噴油燃燒風(fēng)扇就是在風(fēng)扇的下面增加一個(gè)燃燒室，相當(dāng)于把升力風(fēng)扇變成了一臺不需要渦輪的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這意味著用較小尺寸升力風(fēng)扇也能產(chǎn)生足夠的推力。在“鷂”式飛機(jī)的發(fā)展中曾償試在前噴管中加裝噴油燃燒裝置，極大地提高了“飛馬”發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，增大了該機(jī)的垂直起飛重量，并使最大飛行速度超過聲速。

F-35B的升力風(fēng)扇向下噴出的每千克氣流可產(chǎn)生超過60千克力（約0.59千牛）的升力；如果是噴油燃燒，則可以達(dá)到90～110千克力（約0.88～1.08千牛）的推力。這意味著可將風(fēng)扇直徑控制在0.8米左右，對節(jié)省機(jī)內(nèi)空間、控制機(jī)身開口結(jié)構(gòu)重量和照顧進(jìn)氣道氣動(dòng)性能都會帶來很大的好處。F-35B大尺寸升力風(fēng)扇的直徑達(dá)1.2米，加上傳動(dòng)軸等配套部件，至少占據(jù)機(jī)內(nèi)空間近兩立方米。大尺寸的風(fēng)扇導(dǎo)致機(jī)身上下大開口，為滿足機(jī)身強(qiáng)度需要，付出的結(jié)構(gòu)重量代價(jià)也相當(dāng)大。尺寸大也給設(shè)計(jì)出高可靠性的軸傳動(dòng)系統(tǒng)帶來不少的麻煩。設(shè)計(jì)人員曾戲稱他們?yōu)镕-35B設(shè)計(jì)出了世界上傳遞功率最大的離合器。另外大尺寸的升力風(fēng)扇也迫使F-35B的進(jìn)氣道與其他采用兩側(cè)/肋下進(jìn)氣的戰(zhàn)斗機(jī)有很大不同，急劇拐彎的“S”進(jìn)氣道已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過滿足隱身性能的需要。所有這一切導(dǎo)致F-35B結(jié)構(gòu)嚴(yán)重超重，進(jìn)而拖累的最大速度及最大航程。

“身材粗壯”的 F-35B

F-35B的升力風(fēng)扇和驅(qū)動(dòng)離合裝置

采用“噴油風(fēng)扇”可以避開F-35B“粗脖子”的弊端，風(fēng)扇直徑縮小后還可以簡化傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)。由于風(fēng)扇直徑縮小后可以取消減速齒輪，傳遞功率也幾乎可以降低一半以上。從設(shè)計(jì)的角度看，F(xiàn)-35B如果采用“噴油風(fēng)扇”，根本就不會產(chǎn)生超重問題。中國版F-35B如果采用了小直徑的噴油加力風(fēng)扇，就可以在外形氣動(dòng)阻力、機(jī)內(nèi)空間、進(jìn)氣道設(shè)計(jì)這幾個(gè)方面獲得相當(dāng)大的益處。

此外，有不少人還意識到雅克-141方案的技術(shù)優(yōu)勢，認(rèn)為中國版F-35B如采用雅克-141的設(shè)計(jì)方案，在主要的作戰(zhàn)性能（如最大速度）上超過美國F-35B還是比較容易的。通常認(rèn)為F-35B采用推力風(fēng)扇是解決這類飛機(jī)的最佳方案選擇，其實(shí)該方案的優(yōu)點(diǎn)在于均衡和全面。在某些方面，雅克-141的設(shè)計(jì)有明顯優(yōu)勢。F-35B的粗脖子及拐彎進(jìn)氣道對該機(jī)的最大速度影響巨大，發(fā)動(dòng)機(jī)短距起飛推力超過160千牛的戰(zhàn)機(jī)在空戰(zhàn)時(shí)的最大馬赫數(shù)只有1.6；而雅克-141發(fā)動(dòng)機(jī)的推力要小得多，卻可以讓該機(jī)的最大馬赫數(shù)達(dá)到2.0。因此，中國如研制這類戰(zhàn)機(jī)，并不一定就要采用F-35B的方案。

從已有STOVL戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)看，如何防止發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣吸入是此類飛機(jī)的一個(gè)重要問題。F-35B采用升力風(fēng)扇，向下噴出的是“干凈空氣”（由風(fēng)扇增壓的未經(jīng)燃燒氣流，與“鷂”式前噴管排氣基本一樣），可以在垂直起降時(shí)阻隔后面發(fā)動(dòng)機(jī)噴管中噴出的廢氣再次進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。通常認(rèn)為這樣做有利于提高戰(zhàn)時(shí)的場地部署靈活性，擴(kuò)大外場起降范圍。但“鷂”式飛機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，刻意追求使用靈活性其實(shí)是得不償失。F-35B為其大尺寸升力風(fēng)扇在最大速度、作戰(zhàn)半徑等技戰(zhàn)術(shù)性能上付出了很大代價(jià)巨大，并導(dǎo)致價(jià)格高昂，但在使用靈活性上并沒有得到實(shí)質(zhì)性提高，研制方仍然強(qiáng)調(diào)要在經(jīng)過特殊處理的場地上起降。

雅克-38動(dòng)力系統(tǒng)布置圖

有鑒于此，中國STOVL戰(zhàn)斗機(jī)方案應(yīng)突出“短距（滑躍）起飛、垂直降落”及在艦上使用的設(shè)計(jì)思想，并且通過在甲板上采用發(fā)動(dòng)機(jī)噴流導(dǎo)引槽來解決降落時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入廢氣的問題。這樣，不但能夠避免大尺寸風(fēng)扇拖累主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的弊端，也能輕松避開吸發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的問題。再結(jié)合“噴油加力風(fēng)扇”和其他一些技術(shù)創(chuàng)新后，其作戰(zhàn)性能完全可以達(dá)到常規(guī)艦載機(jī)的水平。

結(jié)語

對于現(xiàn)在的中國航空工業(yè)來說，研制STOVL戰(zhàn)機(jī)，真正的制約條件并不是技術(shù)因素，更多的是研制資金的限制以及對這種戰(zhàn)斗機(jī)重要性的認(rèn)識。從世界上研制這類戰(zhàn)斗機(jī)的經(jīng)驗(yàn)可以看出，設(shè)計(jì)思想與運(yùn)用方式往往對研制出實(shí)用的垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)起到很大的作用。例如，把“鷂”式當(dāng)成艦載機(jī)（“海鷂”）并采用短距起飛/垂直降落才能具有比較好的效費(fèi)比；F-35B之所以能夠成功，也正是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之初就采用了“短距起飛、垂直降落”的設(shè)計(jì)思想才能夠展開立項(xiàng)及確定設(shè)計(jì)方案，并且充分吸取了以前方案的優(yōu)點(diǎn)，與技術(shù)的進(jìn)步其實(shí)“關(guān)系不大”，或者說設(shè)計(jì)方案的重要性超過了技術(shù)。

由此可見，在充分借鑒“鷂”式飛機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)及F-35B的設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，再參考這些設(shè)計(jì)思路，現(xiàn)在的中國航空工業(yè)完全可以為中國海軍研制出一型戰(zhàn)技性能與F-35B相當(dāng)，且成本也能接受的艦載STOVL戰(zhàn)斗機(jī)來。

網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于中國STOVL的奇思妙想：可轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)+“天鉤”系統(tǒng)