直上云霄

——解析垂直起降战斗机

来源:《中国空军》作者:缪 凯编辑:高立英发布时间:2015-06-09 17:08


近日,美国海军陆战队加紧进行F-35B战机的作战试验,按计划,其首次舰载作战试验将于5月18日至30日在“黄蜂”级两栖攻击舰进行。F-35B定于今年7月形成初始作战能力。F-35B这种世界最新型短距起飞垂直降落战斗机即将服役,再次引发了人们对垂直起降战机的关注。那么,垂直起降战斗机经历了哪些发展历程,性能到底如何,和普通战斗机相比有何优劣,未来的发展前景又怎样呢?

印象·垂直起降战斗机

缪 凯


早在上世纪五十年代,人们就开始探讨如何让战斗机不需要很长的跑道而垂直升入空中作战。美、英、法、俄等国先后进行过大量的研究试验,但是最终服役的垂直起降战斗机,却只有三个技术流派。

第一大流派就是以英国的“鹞”式为代表的,使用单一发动机完成垂直起飞和巡航的模式。“鹞”式战斗机是世界第一种实用性的垂直起降飞机,其核心是一台“飞马”涡扇发动机。相对于其他战斗机,这台发动机的布置非常靠近飞机重心,发动机的4个可旋转的喷口也布置在机身重心附近,可以说整个机身都是围绕发动机来设计的。在起降阶段,喷口近乎垂直于地面,提供升力,飞机在巡航阶段,发动机喷口呈水平状态。由于特殊的发动机结构,该发动机没有加力燃烧室,飞机也就不具备超音速飞行能力。后来的“海鹞”以及美国的AV-8B都是继承了这一技术流派。

第二个流派以苏联的雅克-38、雅克-141为代表。这两种战斗机除了使用一台带有矢量喷管的主发动机以外,在座舱后部的机身中间安装两台小型、大推重比的涡轮喷气升力发动机。起降阶段,主发动机的推力矢量喷管垂直朝下,与此同时,开启两台升力发动机,以这两股分别位于全机重心前后的升力抬起飞机。这种总体布局方式可以减少主发动机的研制难度,雅克-141的发动机具有加力燃烧室,加之气动布局得当,该机还获得了超音速飞行能力。但是两台升力发动机在飞机进入巡航阶段之后就成了“死重”,既浪费空间,也浪费重量。这一点,一直为西方设计师诟病。

第三个流派以F-35B为代表,它实际上是雅克-141的衍生流派。雅克-141位于全机重心前部安装的是两台涡喷发动机,而F-35B只安装了一部大型的升力风扇,通过一个传动轴从主发动机引来动力驱动风扇。升力风扇的重量远比两台涡喷发动机的重量低,减少了死重,另外风扇向下吹的是冷风,而非高温燃气,对地面或甲板的烧蚀较小,其技术上又上升了一个层次。可以说,这是目前超音速垂直起降战斗机最先进的模式。

需要说明的是,上述飞机除了主发动机、升力发动机和风扇以外,大多在机翼翼尖、机尾和机头等处布置有喷气反作用喷嘴,用于低速阶段控制飞机的姿态。

之所以到目前为止,只有这三大技术流派的垂直起降战机装备部队,而且服役的型号很少,一个重要原因在于技术上的复杂性。

首先,无论哪种流派的垂直起降战斗机,都需要一台具有推力矢量喷管的发动机,而且和常规战斗机的推力矢量喷管不同,垂直起降战斗机需要的矢量喷管,其旋转角度需要超过90度,远大于常规的推力矢量喷嘴,这是研制垂直起降战机的首要难题。这其中,采用升力发动机的战斗机,对主发动机研制难度相对较低,但是也要解决推力矢量喷管在高温条件下的密封问题。而采用升力风扇模式的垂直起降飞机,更需要额外的复杂而可靠的传动装置。

第二个技术难点在于操纵、控制技术,特别是在起降阶段和过渡飞行状态下如何保持战斗机的飞行稳定性。在起降阶段,飞机的速度很低,各个气动控制面基本起不到作用,而主要靠发动机产生的直接力控制飞机的平衡。在这一阶段,飞机可能受到地面效应、发动机功率变化、气动扰动、燃气污染等因素干扰,任何微小的失衡,都可能导致机毁人亡,控制系统必须非常精密,且具备很高的可靠性。

此外,如何尽量提高垂直起降战斗机的飞行性能也是所有战斗机设计师共同的心愿。现代垂直起降战斗机,不能光解决起降问题,还要把机动性、载荷、速度、隐身等一系列问题综合考虑,这又使得设计难上加难。

除了技术复杂,研制困难以外,垂直起降战斗机在操作上也很复杂,作战使用起来难度也不小。由于垂直起降战斗机的操纵非常复杂,事故率远高于普通战机。有资料显示,美军装备的“鹞”式飞机(AV—8A)的A级事故率一度达到31.77起/10万飞行小时。后来用更先进的AV—8B取代AV—8A,但截止到1996年,该战斗机也摔毁了近1/4,平均事故率是11.44起/10万飞行小时,大约是常规战斗机的10倍左右。


另外,在相同技术水平的情况,垂直起降战机的飞行性能要低于常规飞机,而且价格更昂贵。由于这种战斗机把过多的空间、重量用于保障垂直起降,必然导致燃油、载弹量下降,机动性、航程等性能要逊色于同时代的战斗机。三种型别的F-35飞机中,垂直起降的F-35B具有最短的航程、最小的有效载荷,能力降低的同时,价格最昂贵。根据2014年4月发布的美国国会研究服务处报告,空军的F-35A机体和发动机价格为7770万美元,与之相比F-35B价格为1.055亿美元,F-35C为8970万美元。垂直起降战斗机的推力矢量系统在空战中也帮不上什么忙。在马岛空战,英军飞行员没有一次在空战中使用其推力矢量方式。因为在空战中使用有很大风险,受到技术上的限制很多。“鹞”式之所以取得空战胜利,一方面在于AIM-9L“响尾蛇”导弹的先进性能(AIM-9L“响尾蛇”共发射27枚,命中24枚),另一方面还是飞行员素质决定的。而且“鹞”式击落的大部分战机,都是阿军担负攻击任务的飞机,甚至未携带空空导弹。

从技术角度来看,大国航空工业应该进行更多的验证、广泛涉猎,这一点应该是鼓励的。但是,一支军队是否一定要装备垂直起降飞机值得商榷。美国海军陆战队的垂直起降飞机并不担负争夺制空权的任务,英国海军有装备这类战机的传统,但是他同样依靠美国海军大甲板航母上的常规起降战机获得制空权。一些小国装备垂直起降飞机也是因为航母过小的无奈选择。总的来看,垂直起降战斗机的需求仍然较小,未来发展空间受到限制。

链接

什么是垂直起降战斗机

关于垂直起降战斗机有不少提法,包括垂直/短距起降战斗机、垂直起降战斗机、短距起飞垂直降落战斗机,那么这些战斗机有什么区别吗?实际上,这是对同一类战斗机的不同叫法。这一类战斗机都能实现垂直起降和短距离起降,目前这类战机以短距起飞垂直降落战斗机的叫法为主。主要是因为如果以垂直方式起飞,其起飞重量受到严格限制,无法满油、满载起飞。例如,“海鹞”战斗机垂直起飞时飞机重量不得超过9342千克,而飞机自重就达到了6336千克,这样的话连机内燃油都不能带满。而且这种起飞方式十分耗油,进一步导致作战半径的降低,在实战中的战术价值十分有限。而采用短距起飞方式则可以大幅提高起飞重量,提高载弹和载油量。而垂直降落方式,又减少了对地面、舰上设施的依赖。所以,目前这种战斗机大多以短距离滑跑(或者滑跃)起飞,垂直降落的方式运作。



【责任编辑:牛锐利】

网友评论

主办:解放军报社空军分社
设为首页 | 加入收藏 | 关于我们 | 转载申请 | 在线投稿 | 联系我们 | 站点地图
京ICP备11009437号 公安网备11009437号  法律顾问:北京荣德律师事务所
Copyright © 2012-2013 by kj.81.cn all rights reserved
本网站刊登的新闻信息和专题专栏资料,均为中国空军网版权所有,未经协议授权,禁止下载使用