海上战鹰系列之天马行空篇——由AV-8B降落“板凳”谈中国发展STOVL的猜想

2016-04-06马世强

航空世界 2016年2期

关键词：雅克起落架板凳

文/马世强

文/马世强

军事CG网上发布的中国垂直起降战机CG图，绘制：NIL

据美国媒体报道，2014年6月7日，美国海军陆战队一架AV-8B战机因前起落架故障无法放下，最终依靠飞行甲板上铺设的临时支架，安全迫降于“巴丹”号（LHD 5）两栖攻击舰上。

这段“AV-8B降落到‘小板凳’上”的视频在网上异常火爆，人们都对“鹞”式/AV-8B战机的这种“特异功能”表示赞叹。更有网友上传了2010年9月，美国海军陆战队利用一堆床垫进行的AV-8B战机无起落架迫降试验的照片。虽然图片显示这次试验未获成功，但仍不禁使人联想：是否能够取消垂直起降战机的起落架，这样既能简化飞机设计，还能减轻结构重量，进而大幅度提高这类的作战能力？你还别说，英国人就曾经动过这样的心思。1985年，英国宇航公司研制了一种“天钩”空中回收系统，用来帮助“海鹞”式战机在驱逐舰级别的舰只上放飞与回收。使用该系统的垂直起降战机未来很有可能会取消起落架。

中国海军在航母发展过程中，也临着是否要研制短距起飞/垂直降落战机（STOVL）的问题。有不少军迷认为中国应该发展这类作战飞机；也有不少人认为中国还不具备研制的能力，或者对这类飞机的需要迫切性不足。就STOVL来说，这实际上是航空技术的横向拓展。能够研制出歼20的中国已经具备了研制STOVL的实力。

从使用的角度看，“中国版F-35B作为舰载机才能有足够大的吸引力”的看法非常具有指导意义。舰载机为上舰要付出结构加强增重的巨大代价，最高可达15%，而F-35B相对于F-35A的增重也接近15%。中国版F-35B增重显然是不可避免，既然如此，如将该机型定位于舰载机，其重量增加就是可以接受的事情了。网络上，军迷朋友们也提出了不少中国版F-35B的设计思路。有人提出短距起飞/垂直降落可在某种程度上避开没有大推力发动机的不利因素。还有人提出了细节上的设计创新：采用喷水加力、缩小机翼面积以节省结构重量；在航母甲板上采用发动机喷流偏转槽，避免此类机型在防止发动机吸入废气上付出太大代价，等等。如果再结合“取消起落架”的思路，则中国研制舰载的STOVL也就有了非常强的实际意义。

AV-8B用“小板凳”代替前起落架迫降

垂直起降战机的特点是对降落场地要求不太高，逼急了哪儿都敢降，有时难免压到花花草草

AV-8B“鹞”Ⅱ在两栖攻击舰上降落时会利用甲板风

关于起落架的异想天开

从中国航空工业的现状及中国设计人员的“后来者居上”优势看，中国完全可以在现有各类方案的基础上进一步优化，通过创新设计制造出具有同样战术技术优势的“红色F-35B”来。当然，仅做到这一步还不够。因为F-35B作战性能远不如F-35A/C型，中国研制的此类飞机要想具有足够的吸引力来促使海军对其感兴趣，还得在设计思想上进一步解放才行。

在飞机的结构部件里，起落架只用于地面运动和起降，一飞上天就成了死重，因此网上早有军迷认为中国STOVL可以去掉这个死重。二战中纳粹德国Ar 234“闪电”喷气轰炸机的原型机为了控制机体结构重量，就取消了起落架，用一个可抛滑车帮助起飞，降落时则依靠机身下的可收放滑橇。二战后美国开始研制尾座式垂直起降战斗机飞机，一个重要的诱因就是这种设计有可能去掉占飞机总重量10%左右的起落架重量。

用床垫进行AV-8B无起落架迫降试验

“鹞”式飞机作为世界上第一架实用型垂直起降的战斗机，拥有推力达9866千克力（约96.8千牛）的发动机，其最大垂直起飞重量却只有8吨多一点，携弹量只有两吨多，最大航程只有92千米，极大限制了鹞式的作战能力。实际上，“鹞”式采用自行车式起落架，除了机身下前后主机轮外，还在翼尖处设置有起支撑作用的辅助护轮。取消起落架后可减少这四部分的结构重量。另外，起落架收起后占据机内空间的体积也相当大，“鹞”式的两个主起落架舱的空间尺寸超过飞行员座舱。对于超声速的战斗机而言，机内空间大对气动外形的负面影响也很大，气动外形的改善可以进一步减少燃油消耗。因此，如果重新设计的“鹞”式取消了起落架，几种因素结合在一起至少可以增加50%的有效载荷，由此可以大幅度提高“鹞”式战机的作战性能。

航空界普遍认为，作战飞机无人化后，在重量上可以减少45%，在外形尺寸上则可以缩小40%。为什么会有如此大的重量及尺寸上的收益？一般来讲，战斗机结构重量每减少1千克，意味着起飞重量可减少3千克。无人机取消飞行员后，不仅结构重量减轻，在燃料消耗上也有巨大效益，且两者累积会产生放大效应，因此航空专家才得出无人战斗机重量、体积方面均有巨大优势的结论。由于起落架的重量远大于飞行员及配套装备，其占据机内空间的体积也超过飞机座舱，因此完全有理由做出这样的设想：取消起落架可以让中国的STOVL获得战术技术的大飞跃！

取消了起落架舰载机如何起降及在甲板上移动？有人提出可以仿照英国“天钩”系统进行战机的放飞与回收，或者在起飞时采用起飞滑车；甲板上移动及停放可用专门的停放小车来完成。现有的起飞滑车通常由用一个锁钩装置将车架与飞机连接在一起。当滑行速度达到起飞速度后，飞机抬头，前轮对锁止机构的压力减小，就会在传感器中产生信号，控制机械开锁，飞机脱离滑行车完成起飞。舰载机的起飞滑车可以将起飞、移动、停放等功能结合在一起，只是在结构会稍显复杂。这种起飞/停放/移动车上安装有气压作动弹射装置，在达到起飞速度后可以通过气动弹射将机体以一定速度弹射腾空，机体获得一个向上的抛出速度（6米/秒），基本上相当于从滑跃甲板上起飞的效果。几十年前，美国曾对弹跳式起落架进行过试验。他们在飞机的起落架上设置了加大的高压气瓶，利用高压气体进入起落架的液压装置中，使机轮产生短暂的强力弹射效应，让飞机及时抬头并腾空离开地面。试验证明这种方法明显了缩短起飞滑跑距离，其效果接近滑跃起飞。

也有人认为，中国的STOVL取消起落架后，并不一定就要采用英国的“天钩”系统回收。从技术难度及舰上设备的重量/体积看，还是类似文章开头时那种“板凳”式支撑架更加方便和适用。可以考虑这样的方案：在飞行甲板的着舰区设置一左一右两个可升降“板凳”，垂直着舰时让战机的左右机翼降落在这两个“板凳”上；在回收降落过程中可适时将起飞/停放/移动车驶入两个“板凳”之间，机翼降到位后“板凳”下降，让机体正好放在起飞/停放/移动车上。为使两个“板凳”能象“天钩”一样具有消除舰体摇摆的功能，可以将“板凳”设置在能够保持纵向及横向平衡的稳定平台上，再加上“板凳”的上下升降，就能实现与“天钩”一样的恶劣海况适应能力。

采用起飞滑车的STOVL方案

关于“心脏”的设想

通常认为，要想研制出具有实用意义的垂直起降战斗机，发动机是关键。因此，有人建议引进俄罗斯的雅克-141的可转喷口发动机。其实，这类发动机的喷管虽然是“与众不同”，但研制难点不在这里。总体上的性能是否满足设计需要的才是重中之重。标准仍然是推重比及耗油率高低，更主要是看是否有合适推力的发动机。从雅克-141及F-35B的发动机推力看，研制国产STOVL，应拥有13000千克力（约127千牛）以上的大推力发动机，而可转动喷管结构的技术并不是最大难点。中国现在的发动机研制水平已经远超三十多年前雅克-141发动机，要研制出类似于雅克-141的三轴承可转动喷管也不是太大的问题。有传言中国已经引进了雅克-141的发动机，果真如此，则研制中国版F-35B的把握就更无大了。

雅克-141的三轴承喷管

雅克-141进行升力发动机试验

“板凳”式支撑架的STOVL方案

在航母滑跃甲板上短距起飞，可以让“鹞”式垂直起降战斗机获得比垂直起飞大得多的起飞重量，其效果已接近了常规舰载机的水平。例如，“鹞”式改型AV-8B最大起飞重量已经达到14吨以上，载弹量已经接近F-16战斗机。垂直起飞时需要大推力以满足多载弹载油的需要，采用水平滑跃式短距起飞就能避开发动机推力不足；而降落时由于弹油的消耗重量可减少一半以上。因此，简单地说研制舰载“短距（滑跃）起飞、垂直降落”战斗机，既能实现F-35B的主要功能，又能保持理想的载弹能力，同时还能大幅度地降低研制难度。

“飞马”发动机结构图

在关于中国发展STOVL的讨论中，有人建议用“喷油风扇”取代升力风扇。所谓的喷油燃烧风扇就是在风扇的下面增加一个燃烧室，相当于把升力风扇变成了一台不需要涡轮的喷气发动机，这意味着用较小尺寸升力风扇也能产生足够的推力。在“鹞”式飞机的发展中曾偿试在前喷管中加装喷油燃烧装置，极大地提高了“飞马”发动机的推力，增大了该机的垂直起飞重量，并使最大飞行速度超过声速。

F-35B的升力风扇向下喷出的每千克气流可产生超过60千克力（约0.59千牛）的升力；如果是喷油燃烧，则可以达到90～110千克力（约0.88～1.08千牛）的推力。这意味着可将风扇直径控制在0.8米左右，对节省机内空间、控制机身开口结构重量和照顾进气道气动性能都会带来很大的好处。F-35B大尺寸升力风扇的直径达1.2米，加上传动轴等配套部件，至少占据机内空间近两立方米。大尺寸的风扇导致机身上下大开口，为满足机身强度需要，付出的结构重量代价也相当大。尺寸大也给设计出高可靠性的轴传动系统带来不少的麻烦。设计人员曾戏称他们为F-35B设计出了世界上传递功率最大的离合器。另外大尺寸的升力风扇也迫使F-35B的进气道与其他采用两侧/肋下进气的战斗机有很大不同，急剧拐弯的“S”进气道已经远远超过满足隐身性能的需要。所有这一切导致F-35B结构严重超重，进而拖累的最大速度及最大航程。

“身材粗壮”的 F-35B

F-35B的升力风扇和驱动离合装置

采用“喷油风扇”可以避开F-35B“粗脖子”的弊端，风扇直径缩小后还可以简化传动轴设计。由于风扇直径缩小后可以取消减速齿轮，传递功率也几乎可以降低一半以上。从设计的角度看，F-35B如果采用“喷油风扇”，根本就不会产生超重问题。中国版F-35B如果采用了小直径的喷油加力风扇，就可以在外形气动阻力、机内空间、进气道设计这几个方面获得相当大的益处。

此外，有不少人还意识到雅克-141方案的技术优势，认为中国版F-35B如采用雅克-141的设计方案，在主要的作战性能（如最大速度）上超过美国F-35B还是比较容易的。通常认为F-35B采用推力风扇是解决这类飞机的最佳方案选择，其实该方案的优点在于均衡和全面。在某些方面，雅克-141的设计有明显优势。F-35B的粗脖子及拐弯进气道对该机的最大速度影响巨大，发动机短距起飞推力超过160千牛的战机在空战时的最大马赫数只有1.6；而雅克-141发动机的推力要小得多，却可以让该机的最大马赫数达到2.0。因此，中国如研制这类战机，并不一定就要采用F-35B的方案。

从已有STOVL战斗机的设计经验看，如何防止发动机废气吸入是此类飞机的一个重要问题。F-35B采用升力风扇，向下喷出的是“干净空气”（由风扇增压的未经燃烧气流，与“鹞”式前喷管排气基本一样），可以在垂直起降时阻隔后面发动机喷管中喷出的废气再次进入发动机。通常认为这样做有利于提高战时的场地部署灵活性，扩大外场起降范围。但“鹞”式飞机的使用经验已经表明，刻意追求使用灵活性其实是得不偿失。F-35B为其大尺寸升力风扇在最大速度、作战半径等技战术性能上付出了很大代价巨大，并导致价格高昂，但在使用灵活性上并没有得到实质性提高，研制方仍然强调要在经过特殊处理的场地上起降。

雅克-38动力系统布置图

有鉴于此，中国STOVL战斗机方案应突出“短距（滑跃）起飞、垂直降落”及在舰上使用的设计思想，并且通过在甲板上采用发动机喷流导引槽来解决降落时发动机吸入废气的问题。这样，不但能够避免大尺寸风扇拖累主要战术技术性能的弊端，也能轻松避开吸发动机废气的问题。再结合“喷油加力风扇”和其他一些技术创新后，其作战性能完全可以达到常规舰载机的水平。

结语

对于现在的中国航空工业来说，研制STOVL战机，真正的制约条件并不是技术因素，更多的是研制资金的限制以及对这种战斗机重要性的认识。从世界上研制这类战斗机的经验可以看出，设计思想与运用方式往往对研制出实用的垂直起降战斗机起到很大的作用。例如，把“鹞”式当成舰载机（“海鹞”）并采用短距起飞/垂直降落才能具有比较好的效费比；F-35B之所以能够成功，也正是因为在设计之初就采用了“短距起飞、垂直降落”的设计思想才能够展开立项及确定设计方案，并且充分吸取了以前方案的优点，与技术的进步其实“关系不大”，或者说设计方案的重要性超过了技术。

由此可见，在充分借鉴“鹞”式飞机的使用经验及F-35B的设计思想的基础上，再参考这些设计思路，现在的中国航空工业完全可以为中国海军研制出一型战技性能与F-35B相当，且成本也能接受的舰载STOVL战斗机来。