垂直起降戰(zhàn)機(jī)面面觀

垂直起降戰(zhàn)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)噴口，向地面噴出火紅烈焰，戰(zhàn)機(jī)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(jī)起飛方式，“垂直起降”一直是熱點(diǎn)話題：從二戰(zhàn)后期為應(yīng)對機(jī)場跑道毀壞而生的第一代垂直起降戰(zhàn)機(jī)“云雀”，到英阿戰(zhàn)爭在貨船上起飛的英國“鷂”式戰(zhàn)機(jī)，再到適用于中小型航母的F-35B戰(zhàn)機(jī)，垂直起降技術(shù)在戰(zhàn)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)。 

“起得來”又要“落得穩(wěn)”，一升一降考驗(yàn)戰(zhàn)機(jī)能力

如果將垂直起降戰(zhàn)機(jī)比作賽場上的“舉重選手”，那么戰(zhàn)機(jī)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(jī)平衡力要求很高。

眾所周知，垂直起降戰(zhàn)機(jī)無法利用機(jī)翼升力來平衡重力，只能靠發(fā)動機(jī)向下噴射燃?xì)猱a(chǎn)生向上推力。戰(zhàn)機(jī)要想“起得來”，不僅發(fā)動機(jī)的推力要足夠大，設(shè)計(jì)布局還要滿足戰(zhàn)機(jī)平衡力要求，“多點(diǎn)平衡”是大多數(shù)國家研制垂直起降戰(zhàn)機(jī)的首選方案。英國第一代垂直起降戰(zhàn)機(jī)——“鷂”式戰(zhàn)機(jī)采用了這樣的平衡方式，在機(jī)身兩側(cè)對稱布置可旋轉(zhuǎn)噴口。發(fā)動機(jī)工作時(shí)，四處噴口協(xié)同用力，像抬轎子一樣把戰(zhàn)機(jī)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(jī)共擊落22架阿根廷空軍戰(zhàn)機(jī)。能取得這般成績，得益于多噴口矢量發(fā)動機(jī)的優(yōu)異性能——小盤旋半徑、高轉(zhuǎn)向率和高速飛行時(shí)的定向控制能力，使得“鷂”式戰(zhàn)機(jī)脫穎而出。

隨著F-35B垂直起降五代機(jī)誕生，“鷂”式戰(zhàn)機(jī)逐漸落伍，先進(jìn)的垂直起降戰(zhàn)機(jī)大多采用“推力矢量發(fā)動機(jī)+升力風(fēng)扇”復(fù)合推進(jìn)系統(tǒng)。這種推進(jìn)系統(tǒng)無需將發(fā)動機(jī)動力分成4份，而是在戰(zhàn)機(jī)中軸線上加裝升力風(fēng)扇，使用發(fā)動機(jī)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(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

不過，復(fù)合推進(jìn)系統(tǒng)在戰(zhàn)機(jī)垂直降落時(shí)會出現(xiàn)“地面效應(yīng)”，導(dǎo)致燃?xì)馕肷︼L(fēng)扇，戰(zhàn)機(jī)會出現(xiàn)強(qiáng)烈抖動。此時(shí)，要想保證戰(zhàn)機(jī)“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(shí)時(shí)調(diào)整油門和操縱桿，保持戰(zhàn)機(jī)飛行姿態(tài)平穩(wěn)。

如何讓飛行員輕松完成戰(zhàn)機(jī)降落任務(wù)？各國航空設(shè)計(jì)師在改進(jìn)戰(zhàn)機(jī)“大腦”上下功夫——科研人員為垂直起降戰(zhàn)機(jī)量身打造閉環(huán)智能控制系統(tǒng)，通過分布在機(jī)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(jī)平穩(wěn)降落。

事實(shí)上，設(shè)計(jì)驗(yàn)證垂直起降戰(zhàn)機(jī)是一個(gè)漫長過程。在飛行試驗(yàn)階段，科研人員對戰(zhàn)機(jī)開展懸停系留試驗(yàn)，獲取懸停狀態(tài)的氣流場，評估動態(tài)控制能力。因此，為實(shí)現(xiàn)垂直起降戰(zhàn)機(jī)的高效起降，需要技術(shù)體系、系統(tǒng)設(shè)備與試驗(yàn)配套條件的同步革新。

重“面子”又要“里子”，戰(zhàn)機(jī)“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(jī)的懸停功能。該戰(zhàn)機(jī)機(jī)身6處噴口同時(shí)打開，向地面噴射燃?xì)猓崴埔恢粡堥_翅膀的大黃蜂。

航空界有一句話：“戰(zhàn)機(jī)顏值即是戰(zhàn)斗力?！痹O(shè)計(jì)人員在垂直起降戰(zhàn)機(jī)的“面子”上煞費(fèi)苦心，為了能裝下龐大的復(fù)合推進(jìn)系統(tǒng)，戰(zhàn)機(jī)機(jī)身不僅要滿足進(jìn)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(jī)的顯著特征。

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

在原本平整的機(jī)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(jī)可操作性和穩(wěn)定性也會下降。因此，設(shè)計(jì)人員給機(jī)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(jī)內(nèi)彈艙方式優(yōu)化氣動性能，增強(qiáng)飛行穩(wěn)定性。

如果說機(jī)身設(shè)計(jì)是“面子”，那么機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是戰(zhàn)機(jī)的“里子”。可以說，“室內(nèi)裝修”步驟更多、設(shè)計(jì)更細(xì)、標(biāo)準(zhǔn)更高。

一方面要為動力系統(tǒng)騰出空間。設(shè)計(jì)人員一般將戰(zhàn)機(jī)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(jī)為了加裝升力風(fēng)扇，將主彈艙安置在發(fā)動機(jī)兩側(cè)，進(jìn)氣道改為S型，就連機(jī)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(jī)“里子”既有型又貼合。

另一方面要整合配套設(shè)備。發(fā)動機(jī)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(jì)人員初步實(shí)現(xiàn)了垂直起降戰(zhàn)機(jī)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(shí)現(xiàn)自啟動，減少了輔助動力生成系統(tǒng)的渦輪數(shù)量，達(dá)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(jī)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(jì)人員通常會使用碳耐磨材料，并對其表面進(jìn)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(jī)問題頻出，戰(zhàn)場表現(xiàn)不盡如人意

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

雅克-38垂直起降戰(zhàn)機(jī)。 資料照片

美國軍方否決該項(xiàng)目，理由很簡單。按照當(dāng)時(shí)垂直起降戰(zhàn)機(jī)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(jī)雅克-38，可靠性低、事故率高，被稱為“桅桿保衛(wèi)者”；美國引進(jìn)英國“鷂”式戰(zhàn)機(jī)，并研制出垂直起降戰(zhàn)機(jī)AV-8B，投入巨額資金為其設(shè)計(jì)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(jìn)入新世紀(jì)，隨著垂直起降戰(zhàn)機(jī)F-35B列裝多國海軍，有關(guān)F-35B戰(zhàn)機(jī)發(fā)生事故的新聞接連不斷。2020年，美軍一架F-35B戰(zhàn)機(jī)在空中加油時(shí)，撞上了“空中奶媽”KC-130J加油機(jī)，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(jī)從航母起飛時(shí)，由于進(jìn)氣道防水保護(hù)罩和發(fā)動機(jī)蓋板沒有摘除，導(dǎo)致F-35B戰(zhàn)機(jī)因“呼吸不暢”而墜機(jī)。事后，有媒體為這種外形臃腫的F-35B戰(zhàn)機(jī)起了一個(gè)“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(jī)在垂直降落時(shí)失控墜毀。受此次F-35B墜機(jī)事故影響，洛馬公司宣布暫停新機(jī)驗(yàn)收和交付。細(xì)數(shù)近年來的飛行事故，讓F-35B戰(zhàn)機(jī)背上了“熊孩子”的名聲。

F-35B垂直起降戰(zhàn)機(jī)。

其實(shí)，F(xiàn)-35B戰(zhàn)機(jī)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(jī)項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)，如果放棄F-35B戰(zhàn)機(jī)，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(jī)的能力，“淪落”為直升機(jī)母艦，對替換“鷂”式戰(zhàn)機(jī)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(jī)只能勉強(qiáng)上馬，從之后10多年的戰(zhàn)場表現(xiàn)來看，確實(shí)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(jī)的六大能力需求，卻唯獨(dú)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(fù)。綜合考量后，歐洲六代機(jī)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(jī)方面下功夫。垂直起降艦載無人機(jī)可以省去一系列飛行員必備的機(jī)載內(nèi)部設(shè)備，機(jī)身內(nèi)部空間更大，可以裝載更多的燃油和彈藥，擴(kuò)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(jī)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(jī)設(shè)想，使用AI飛控設(shè)備實(shí)現(xiàn)無人化，成為垂直起降戰(zhàn)機(jī)發(fā)展的新方向。未來，垂直起降艦載無人機(jī)能否“破圈”順利騰飛，讓我們拭目以待。