垂直起落飞机的发展

1964-01-19林振申

航空知识 1964年1期

林振申

几年之前，现代飞机的发展逐渐呈现出两个趋向。一方面是军用和民用飞机随着气动外形的改进和发动机推力的增大，飞行速度愈来愈大，但是不幸的是，这些飞机的起飞和着陆距离也愈来愈大，需要很长的跑道才能起飞降落。另一方面是提出了发展一种只要很小起飞降落场地的飞机，如果可能，则希望能垂直起落。从近几年的航空发展情况看来，这两个趋向更加明显了。

必要性

现代的军用飞机，如果具有垂直起落的性能，那么就可以摆脱对机场跑道的依赖。大家知道，一条长达几公里的跑道，在战争中是个不易隐蔽而极为明显的目标，很容易遭受敌方飞机或导弹的轰炸摧毁。如果不用机场，而又能起飞着陆，就可以减少一个不易防护的大目标。

当战线推移时，一般的前线飞机，由于活动半径有限，如要求随着战线推移，到距前线不远的地方修建野战机场，这是一件需要耗费巨大人力物力的事情，如果不用机场，也就可以减少工程兵部队一项艰巨的工作。

飞机不用机场，可以实现空中伏击战，也就是可以将歼击机隐藏在敌方飞行器可能经过的航线上，待敌机临近，才起飞实施出其不意的攻击，这样就大大增加了歼击航空兵的作战机动性。

总之，如果飞机能够垂直起落，将可大大增加军用飞机的战术技术性能，特别是对于歼击机、强击机和前线轰炸机来说，是极为有利的。

民用飞机为什么也有垂直起落的需要呢？当然，不言而喻，在没有飞机场的地方，一般飞机不能去，只有垂直起落飞机可以去，特别是对于边远地区和崇山峻岭之间，这种需要就更为明显。

但是，为什么大城市之间的快速交通也有垂直起落的需要呢？

直立式变换姿态的垂直起落飞机方案

直立式变换姿态的喷气式垂直起落飞机方案

我们不妨举一个简单的例子来分析一下这个问题：目前民航飞机的巡航速度正在不断地增加，飞机重量也愈变愈重。现代喷气式旅客机的速度已达每小时1000公里左右，而目前已在设计中的超音速旅客机，飞行速度将达每小时2000～3000公里。由于大型喷气式旅客机要求的跑道很长，以前在城市附近为活塞式螺旋桨旅客机所修建的跑道往往不敷应用，因此许多大城市都在市郊修建了大型的机场。但是这样一来，来往机场的地面交通时间就增加了，因而抵消掉了空中节省时间的好处，这就是说，从甲城市中心旅行到乙城市中心并没有节省时间。

因此，人们很自然地想到：能不能设计一种能在市中心直接起飞着陆的飞机，它不需要占地很广的机场，又不受高大建筑物的限制，能够快速航行。

如果现代民用机也能垂直起落，那么无论从节省时间上、节省被机场占用的可耕农田面积上，或者从节省修建高质量的混凝土机场跑道的基建费用和材料上，都是有利的。

特点

垂直起落飞机的研究工作是在第二次世界大战以后才开始的。十几年来，世界各国的科学家和设计师们在这方面作了巨大的努力，尽管到目前为止，除了直升飞机以外，其他型式的垂直起落飞机还处于实验阶段，可是在这方面的研究设计工作已经获得了相当大的发展。特别是最近几年，垂直起落飞机的研究工作进展较快，看来可以说是已经初步找到能作超音速飞行的垂直起落飞机的型式。预料在今后几年中发展会更加迅速，垂直起落将成为航空发展中的一个重要方向。

到目前为止，世界各国设计的垂直起落飞机已经有许许多多不同的型式，后面我们将一一加以介绍。

垂直起落飞机能在空中停住不动，就像有根无形的绳子把飞机吊住一样，这我们叫做“悬停”。这是垂直起落飞机不同于一般飞机特点之一。从原理上讲，要做到这一点，垂直起落飞机需要一个垂直推力，其大小应该等于飞机重量。但是实际上这还不够，因为在垂直起飞过程中还会受到空气的阻力，为了克服空气阻力，垂直推力的大小，一般地讲还要比飞机的重量大10%。

垂直起落飞机除了“悬停”和垂直起飞着陆以外，还应当和普通飞机一样能够作水平飞行。从垂直起飞转到平飞，或者从平飞转到垂直下降，称为“过渡”。

各种型式的垂直起落飞机，都必须解决两个问题：一是能够产生足够的垂直推力，把飞机垂直地托起来；二是要从垂直状态平稳地转到水平飞行。这也就是说，无论那种型式的垂直起落飞机，都要具有“悬停”和“过渡”的良好性能。垂直起落飞机发展的十几年以来，正是由于各国解决上述两个问题所采取的方法不同，因此才出现了形形色色、五花八门的不同构造型式。

下面我们就来介绍一下在这十几年发展中所出现的各种垂直起落飞机。

形形色色

依靠旋翼产生垂直拉力的直升飞机，当然也是一种垂直起落飞机。它的升力螺旋桨相当于旋转着的机翼。但是直升飞机的平飞速度比较小，大约只有300公里/小时左右，这是由于旋翼的工作特性在相当程度上限制了速度的提高。如果在直升飞机上装上机翼，或者再装上能产生水平拉力的螺旋桨，成为复合式直升飞机。这种飞机的平飞速度能够提高，可达500公里/小时左右。

螺旋桨转向式飞机方案

涵道螺旋桨或涵道风扇飞机方案

涵道螺旋桨转向式飞机方案

飞行吉普方案

第二种型式是直立式变换姿态的垂直起落飞机。这种飞机机头向上直立于地面，利用拉力螺旋桨使飞机垂直起飞。至一定高度后，由垂直转入平飞，最后再由水平转回垂直着陆。但是，直立起飞着陆时对于飞行员来说是很不方便的，适合于平飞的飞行员座椅位置在起落时要转动一个角度才能便于观察地面和操纵飞机，这样就使座舱布置和操纵系统复杂化。再则，这种飞机在过渡过程变换飞行姿态时，飞机的操纵及稳定都比较复杂。因此这种飞机后来已经停止发展了。

第三种型式的垂直起落飞机，是飞机机身处于水平状态，由发动机相对于机翼旋转90度，或发动机连同机翼相对于机身旋转90度，实现垂直起落。它可以克服前述直立式的缺点，这种型式可以适用于速度要求不太大的运输机上。

例如，有一种轻型战地运输机是采用机翼转向式方案(参看封底彩色插图)，它有四台涡轮螺旋桨发动机可以连同机翼旋转100度，所以不仅可以垂直起飞，甚至可以后退飞行。另外有一种螺旋桨转向式飞机，具有四台分别装在前后机翼翼尖的螺旋桨可以转到垂直位置，以产生垂直拉力。这几种飞机都预计在63年或64年试飞。这些飞机的最大速度范围为500～700公里/小时。

第四种垂直起落飞机是采用涵道螺旋桨或涵道风扇产生垂直升力，实现垂直起落。涵道螺旋桨或涵道风扇，是把螺旋桨或风扇放在像圆桶似的涵道内，这样可以减小螺旋桨的径向尺寸，便于布置。

如果把涵道风扇布置在机翼或机身内部，使它产生升力，另外再用推进发动机产生水平推力，推动飞机平飞，则可以达到较高速度的飞行。

利用涵道风扇的飞行平台，可以做成飞行吉普。它适用于低空低速飞行并能垂直起落。还有采用升力风扇的飞机也能实现垂直起落。在它机翼根部有两台垂直起落时用的升力风扇，它们靠喷气驱动。正常飞行时，风扇上下用盖板盖住，机翼外形仍保持流线，可以像普通飞机那样产生升力。它的水平飞行推进动力，是用涡轮喷气发动机。这种型式的飞机是用来作支援攻击和侦察用的，最大速度范围大约为700～950公里/小时。

上面介绍的这些垂直起落飞机型式，都不能作超音速飞行，因为它们都是利用旋翼、风扇或螺旋桨来产生垂直升力的，而这些东西受到的空气阻力都很大。

是不是能直接利用喷射气流产生垂直推力呢？能不能找到对超音速飞行更适合的型式呢？近几年来，在这方面做过不少研究和设计工作，看来已经有了初步答案了。

超音速

早在垂直起落飞机的发展初期，就有过直立式变换姿态的喷气式垂直起落试验机。这种型式的缺点，和用螺旋桨的直立式一样，因此也没有得到进一步发展。

现在看来，比较有前途的喷气式超音速垂直起落飞机的型式有三种。

第一种是发动机转向式。这种型式的飞机的发动机装在机翼翼尖，在起飞时，发动机喷口向下，产生垂直起飞推力，而到水平飞行时，又将发动机转向水平，使喷口向后，产生水平前进推力。这样就使得产生垂直推力和水平推力，能共用一套发动机，并且这种飞机在安排、布置和内部设备等方面，和普通飞机相似，没有什么特殊困难的地方。它现在已经制成并开始试飞。有一种方案是在飞机上装置六台涡轮喷气式发动机，四台分别成对地装于翼尖，这是升力——推力发动机，可以转向，另外两台装于机身内，是辅助升力发动机，只供产生垂直推力之用。这种构造型式的问题，看来是装在翼尖上的可旋转发动机，构造比较复杂，其飞行状态的转换操纵，也还要进一步研究。

复合式直升飞机

发动机推力换向式飞机方案

升力发动机和推力发动机的复合式飞机方案

第二种是发动机推力换向式。这种型式的飞机，是可以操纵发动机喷口的方向，使推力向下或向后，以实现垂直起落和平飞。这种型式的好处，是只要用一台发动机，便可以兼顾垂直起落和水平飞行。飞行员起飞着陆操纵也较简单，只要操纵喷口的推力导向叶片，就可以进行飞行状态的转换。它的缺点是，发动机布置要占据飞机重心位置附近的空间，而这一般都在机身中段，再要想布置其他载重就比较困难。

第三种是用升力发动机再加推力发动机的复合式。这种型式除了和一般飞机一样装有推进用的发动机之外，还装有专供产生垂直推力用的升力发动机。升力发动机的特点是本身重量很轻，但是又能发出较大的推力。目前已经设计出来的升力发动机，其重量和推力之比最好的可以达到1比16，即推力为1600公斤的发动机，每台只重100公斤。而一般的涡轮喷气发动机，重量和推力之比总在1比5至1比8的范围内，如果推力为1600公斤，那么重量就约为200－320公斤。这种型式的好处，是推力发动机和升力发动机可各按其最有利的工作状态设计、缺点是在水平飞行时，升力发动机不发挥作用，成为不起作用的赘重。

展望

垂直起落飞机发展到目前，可以说在原理上和技术上都已经获得了初步解决，实验机试飞已经获得了初步成果，有条件着手进一步的发展。

世界各国对于垂直起落飞机的进一步发展工作，首先着眼于军用飞机。利用试验机累积的经验，西德、英国、法国等都在发展速度等于两倍音速的超音速垂直起落飞机，目前都已着手进行制造，不久即可能试飞。其他如意大利、荷兰，也提出了一些方案。

但是，在发展垂直起落飞机的道路上还有不少障碍，需要作很大的努力。进一步发展垂直起落飞机中的主要技术问题，有下列五方面需要解决：

第一，要获得足够的垂直推力，以便克服飞机重量，实现垂直起落。虽然目前已经有了相当多的动力装置类型可以选择，但是必须进一步研究从总体布置、安全性、经济性以及重量等角度考虑，究竟应该选那一种最合理。

第二，要解决在垂直起落和过渡过程中的操纵和稳定问题。譬如说地面上一阵风吹过来，如何保持飞机稳定在所需要的位置。现在一般都用喷气操纵系统来解决这个问题，也就是在机头、机尾和两翼翼尖各装一些喷口，可以喷出压缩空气，利用喷气的反作用力来使飞机俯仰、横滚改变方向或保持稳定。此外，还可以安排一些自动装置，以便实现自动稳定，减轻驾驶员的负担。

第三，在垂直起落或者过渡飞行时，如果发动机发生故障，如何保证飞机和机上人员的安全。这要求采用应急系统。以目前的技术水平看，用所谓“应急脱离系统”比较现实，也就是说用和一般飞机相似的弹射救生设备在发生紧急情况时，把飞行员弹射出来。由于垂直起落飞机较长时间在低空作低速飞行，并且可以作垂直下降的飞行，而特别危险的情况，是当垂直下降时动力系统失效，所以垂直起落飞机的应急脱离系统，要保证飞机在前进速度为零、或者正在下降时能够安全弹射，并在弹射以后，要迅速张开救生伞，使机上人员安全着陆。

第四，用喷气发动机产生垂直推力时，要注意喷射气流对地面的影响，并且还要解决发动机噪音对周围的影响问题。这个问题，在用升力风扇时比较容易解决，因为风扇吹出的气流速度和温度都比较低，因此飞机几乎可以在任何地区起落。但是当使用喷气升力发动机时，问题就比较严重，因为升力发动机喷出的气流可能侵蚀地面，并且还会把吹起的砂石杂物和已经喷出的气流，再度吸入发动机。喷气发动机的噪音也比较大。要使这种飞机能在任何地区起落，这方面的问题还需要进一步研究解决。

第五，要发展适用于垂直起落飞机的仪表设备和导航设备。