宏亮瞻局｜垂直起降专利背后的技术脉络

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宏亮瞻局｜垂直起降专利背后的技术脉络（上）

澎湃新闻特约撰稿 王宏亮

2024-02-06 17:04

来源：澎湃新闻

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近期，一项关于双发串联垂直起降战斗机的专利再度引发讨论。该专利很可能表明相关机构一直通过各种方式努力推进着自己的垂直起降战斗机计划。毕竟在已经拥有4万吨级大型两栖攻击舰的情况下，为其配备具备垂直/短距起降能力的固定翼作战飞机，从而充分发挥该大型平台的作战潜能并不难理解。

单发还是双发

对于这项专利本身，并无更多具体信息流出，但仅从已公开的“专利说明书附图”还是能看出一些端倪。图中显示其采用了两台发动机，位于机身前部的前置发动机采用背部进气，其动力通过机身中部两侧对称布置的两个矢量喷管输出，这对喷管在垂直起降时喷口朝下，主要用于提供升力，当飞机转入平飞时喷口转向后方，还可以提供一定的水平推力；在机身后部布置有另一台通过机腹进气道进气的发动机，该发动机的尾喷口在垂直起降时偏折朝下，与机身中部的两个喷口共同提供升力与平衡力矩，进入平飞后喷口转向后方，为飞机提供主要的水平推力。

垂直起降战斗机的关键技术之一就是特殊的动力系统。

应该说仅从附图来看，该项设计并非特别惊世骇俗。从中我们可以看到西德冷战时期的VAK 191，以及波音参与JSF竞标的X-32等多个方案的共通之处。该专利选择了多发而非当下流行的单发动力配置也非常值得关注。本文也将就此问题重点展开讨论。

在探讨固定翼垂直/短距起降飞行器到底应该采用多发方案还是单发方案前，首先有一个基本逻辑似乎已成共识，即对于这样的大型工程技术项目来说，在同样符合需求的前提下结构越简单越好，相对简单的结构一般具有更高的可靠性、可维护性，也往往意味着成本的降低及更容易大批量制造——但事实真的是这样吗？

我们很容易找到例子来证明上述结论，比如结构简单的AK-47就是比M-16抗造；再比如第一级只采用5台发动机的“土星”5号火箭战胜第一级采用30台发动机的苏联N-1运载火箭，为美国赢得了登月竞赛的胜利；还有二战中被T-34坦克海淹没的“虎豹”……   

然而，既然道理如此浅显易懂，却为何还是不断有人反其道而行？让我们回到本文的主题，自冷战至今各航空大国出台的那些垂直起降战斗机方案中，多发方案数量远超过单发方案。难道前者的设计师们不知道仅用一台发动机的“简单结构”就能实现“更可靠、更容易维护、成本更低也更易于大批量生产”的垂直起降？显然，问题没那么简单。

目前，现役的垂直起降战斗机都采用单发设计，图为美国F-35B垂直起降战斗机。

“一台顶多台”悖论

与常规动力布局的战斗机相比，垂直起降战斗机的技术难点主要在三方面：一是具备推力矢量技术的高推重比大推力涡扇发动机；二是为实现垂直起降而专门研制的特殊动力系统方案；三是能够满足垂直起降特殊要求的飞控软件和推力矢量控制软件，三者缺一不可。那么问题来了，一台发动机的确“省事儿”，但一台发动机的动力却并不一定足以支撑固定翼战斗机垂直起飞时所需要的巨大升力；同时，由于固定翼战斗机在垂直起降时需要多股（至少两股）升力来维持姿态稳定，一台发动机如何实现动力分流将是一项巨大的技术挑战；另外，多台发动机“各司其职”（至少主要承担某功能）的相对固定物理布局显然能够降低飞控软件的研制难度，一台发动机则需要同时兼顾提供升力、水平推力以及介于两者之间的微妙变化，这些变化随时会影响飞机的飞行姿态甚至飞行安全，其推力矢量和整机气动控制的难度自然会爆表。

由上可见，单发方案其实不一定更简单，如果没有强大的技术能力和更优化的整体设计保障，一台发动机反倒会增加整个战斗机系统的复杂程度，因此也难以达到所谓“更可靠、更容易维护、成本更低也更易于大批量生产”的目标。

反之，如果真的有一台动力足够强劲甚至冗余的发动机，它能够合理地实现动力分流从而平衡垂直起降力矩，又有强大的自动化控制软件保障战斗机的飞行姿态，那么单发就应该是更好的选择。与多发方案相比，单发方案其实并非一定“更可靠、更容易维护、成本更低也更易于大批量生产”，比如“一台顶多台”的超强发动机其复杂程度与制造成本甚至可能超过多台普通发动机之和。但对于多发方案来说，其各台发动机“各司其职”的结果是每台（或部分）发动机在完成自己的任务后就将变成“死重”，比如升力发动机在战斗机转入巡航状态后就基本闲着，从而严重影响整架战斗机的综合性能，单发方案的最大优势也正在于其动力可以100%用于各类工况，死重被降到最低（尽管不是绝对没有），这才是垂直起降单发方案的精髓。

VJ101是战后联邦德国研制的一款喷气式垂直起降验证机。

“飞马”的划时代创新

早在上世纪40年代初，即二战期间，就有一些人在探索固定翼飞机垂直起降技术。当时，英国有人提出将喷气升力发动机装于飞机上，来实现垂直起降。40年代末，美国也开始对各类垂直起降飞机模型进行研究，但因当时的喷气发动机的起飞推力达不到将喷气战斗机垂直升起的要求，最终没能获得成功。50年代中期，核大国的战术核武器已对准了每一个已知的机场跑道，这就使研制垂直起降和短距离起降飞机一度成为刚性需求。

进入60年代，各航空大国推出的多个垂直/短距起降战斗机方案如雨后春笋般出现，其中既有单发方案，也有多发方案。尽管后来的战场需求变化和技术难题导致其中大部分方案没能修成正果，可最终还是有两个型号最终服役——应该不是巧合，它们正好分别代表了单发和多发两种技术路线。

“飞马”发动机的四个喷口的可偏转角度非常灵活。

由英国霍克·西德利飞机制造公司（后并入英宇航）研制的“鹞”式战斗机于1966年首飞，1969年正式服役，这是全球第一款批量投入使用的垂直/短距起降固定翼飞机。“鹞”式采用单发方案，其一改喷气式战斗机将喷口置于机尾的最优选择，为了实现垂直起降在机腹两侧的翼根下方附近呈梯形布置了4个发动机喷口（位于梯形四角），每个喷口都具备推力矢量能力。除了4个可旋转0至98.5度的喷口外，在机翼翼尖、机尾和机头还安装有甲烷喷嘴，用于飞行姿态的微操。当喷口向下时，产生的推力可使飞机垂直上升或缓冲垂直降落；短距起飞时，喷管水平向后产生向前的推力，使飞机滑行加速，然后喷管迅速向下旋转60度，再借助头部甲烷喷嘴的作用，使飞机迅速离地起飞；当喷口向后时，产生的推力可使飞机前进；当四个喷管偏转超过90度，这时如果是在地面着陆滑行就可以产生反推力刹车，而如果是在空中飞行还可以使飞机倒退飞行。   

作为一款单发垂直起降战斗机，“鹞”式率先尝试并实现了从一台发动机分流出多股喷气动力，结合可偏转的推力矢量喷口，从而让飞机可以在垂直起降和正常飞行状态间按需切换，同时，该型机四个喷口的可偏转角度非常灵活，这让其可以实现短距起降，并根据空战需求对推力矢量做精确控制，进一步为飞机提供了额外的机动性能，这也成为今天四代半及第五代战斗机推力矢量技术的早期实践。

雅克-38垂直起降战机。

不难看出，特殊的动力系统是“鹞”式的灵魂所在，而这还要得益于一位法国工程师的奇思妙想。米歇尔·威博特在上世纪50年代构想了这样一台发动机：将发动机主轴延长，驱动四台可以倾转的离心式压缩机，产生垂直升力，主发动机喷口也用百叶窗导流板将剩余推力用于垂直起降。然而威博特的设计在法国本土并没有被重视，其随后与英国布里斯托尔航空发动机公司（后并入罗-罗公司）合作，最终成果就是著名的“飞马”发动机，该款发动机也成为后来“鹞”式及其庞大衍生家族的“心脏”。（未完待续）

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宏亮瞻局｜垂直起降专利背后的技术脉络（中）

澎湃新闻特约撰稿 王宏亮

2024-02-07 19:03

来源：澎湃新闻

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宏亮瞻局｜垂直起降专利背后的技术脉络（上）

虚幻的繁荣

可以说没有“飞马”就没有“鹞”。霍克·西德利之所以敢在最初几乎没有官方资金投入的情况下就上马该项目，也正是因为看到了“飞马”动力方案与同期欧洲一众多发垂直起降方案相比更具合理性和发展潜力。在法国，达索的“幻影”ⅢV配备了一台主发动机和多达8台的小型升力发动机，尽管其曾经在试飞中飞出了2.04马赫的惊人速度，理论飞行性能应远超“鹞”式，然而如此复杂的结构必然对可靠性提出巨大挑战，在遭遇多次重大试飞事故后，该项目只得下马；在德国，企图借垂直起降“风口”复兴航空工业的西德空军竟然雄心勃勃地喊出了打造“全垂直起降空军”的口号，同时上马研制VJ101垂直起降战斗机（6发）、道尼尔Do 31垂直起降运输机（10发）和VAK 191垂直起降攻击机（3发），这些多发“怪兽”也一点都不意外地全部夭折。

值得注意的是霍克·西德利曾经想和达索合作，但达索一意孤行，坚持自己的“幻影”ⅢV。我们不知道如果合作能够达成，最终的成果会是一款多发的“鹞”还是一款单发的“幻影”ⅢV。单发“鹞”的问题英国人很清楚，因为机体中部布置的4个喷口，导致机体臃肿且必须设计巨大的进气口，气动阻力骤增，整体飞行性能（尤其是速度、作战半径）在当时强调高空高速的时代背景下简直惨不忍睹，法国人恐怕也正是因为这一点看不上“鹞”式的设计，但这次搁浅的合作也许错过了从一开始就将垂直起降战斗机带入超声速时代的机会。

“幻影”ⅢV配备了一台主发动机和多达8台的小型升力发动机。

然而多发方案也并非只有失败。VAK 191计划采用两台成熟的“飞马”发动机，安装与运行方式也与“鹞”式类似，同时在机尾再配备一台主发动机，在当时技术背景下这已经是一种相当合理的设计，甚至与后来波音参与JSF竞标的X-32颇为类似，只不过后者拥有更强大的单发动力，足以将VAK 191机体中部的两台“飞马”砍掉只保留喷口。

苏联人的想法更简单，雅克-36/38将VAK 191机身中部可偏转喷口的升力/巡航两用发动机换成固定的两台专用升力发动机，在机身中部再配备一台主发动机，导流至机翼后的一对可转向侧喷管喷出。相对简单的结构降低了研制难度，雅克-38于1975年正式服役；然而采用专用升力发动机所带来的“死重”等负面影响更严重，雅克-38的飞行性能甚至还不如“鹞”。

显然，这一时期的垂直起降战斗机设计还处于“敢于”尝试的百家争鸣阶段。不过既然“鹞”式已经通过单台发动机的“多路输出”实现了垂直起降，那么只要未来能研制出动力足够冗余的“超级发动机”，单发方案就更具优势。

正在试验的VJ101垂直起降战斗机。

“好看的飞机才是好飞机”

在美军JSF(联合攻击战斗机）竞标中，波音的X-32最终败给洛克希德·马丁公司的X-35方案，有一些说法指出X-32落败的主要原因是设计太过前卫，技术成熟度较低，其实这很可能是X-32那张“丑陋的大嘴”让外形偏离航空界传统审美带来的误解，既然“好看的飞机一定是好飞机”，那么X-32败得就不冤……

好吧！X-32也许并不好看，实际却也难称前卫激进，至少在垂直起降方案上X-32基本还是沿袭了“鹞”式的思路——尽管并不完全一样。垂直/短距起降型X-32B于2001年3月首飞，比对手X-35B(后来的F-35B)还早3个月，也从侧面证明波音的方案其实才是更“保守”更成熟的那个。

为X-32提供动力的是一台与F-22同门的普惠F119--SE614涡轮风扇发动（如竞标胜出可能换成F135或F-136）。该型机在机身中部的重心位置布置有两个推力矢量喷管，起降时喷管朝下，同时还需要偏转朝下的尾喷管喷出的气流来平衡力矩。随着飞机的加速，机翼产生的升力将逐渐代替发动机产生的升力，三个喷管便可以逐渐转向后方并同时喷出气流，跟“鹞”式一样，不同喷管的偏转气流调整可以为飞机提供额外的机动能力和飞行姿态，滚转控制则由机翼上的小排气孔（类似“鹞”式的甲烷喷嘴）提供。而当机身中部喷管完全朝后，所有推力都分配给发动机的尾喷管时，位于飞机中部的喷口将由位于喷口周围的小门盖住。

从外形上看，X-32并不是一款称得上好看的飞机，细看之下，飞机设计得甚至有点喜感。

我们可以简单的把X-32这套方案理解为将“鹞”式位于机体中部4个喷管中靠后的两个换成了一个单独的尾喷管，而后者也将起到主喷管的作用，在飞机转入平飞状态后全面接管动力输出（除非需要额外机动力），机身中部的两个辅喷管尽管也可以提供水平推力，但在正常巡航状态下处于关闭状态——这与“鹞”式不同，后者的四个喷管没有主次之分，它们在垂直起降和巡航飞行时都处于工作状态。

X-32也继承了“鹞”式的缺点。“鹞”式有两个巨大的进气道突出在飞机两侧，很难使飞机超声速飞行。X-32同样受此困扰，为了增加进气量，其机头下方的缝式进气口如血盆大口，每秒可吸入180千克的空气，其阻力之大不言而喻。而当这些喷管把热气流向下方排出时，一个立式挡板将从前机身处转向下方，以防发动机排出的热空气被吸入进气道。

无论如何，X-32仍然是一个单发方案，波音相信强劲的F119发动机能够通过直接的“力大出奇迹”方式一举弥补“鹞”式的飞行性能短板。但这套结构尽管“保守”，却仍然复杂。单发多喷管设计让整个飞机的气动设计必须做出重大妥协，而在一架飞机上布置多个带推力矢量功能的喷口其实也并不比在一架飞机上安装多台发动机简单多少。

与其相比，洛·马的方案就“好看”的多了，当然，“好看”的飞机一般就是好飞机。（未完待续）

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澎湃新闻特约撰稿 王宏亮

2024-02-08 07:06

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宏亮瞻局｜垂直起降专利背后的技术脉络（中）

终极路线图？

冷战后期，多发方案也并没有在不算成功的雅克-38后被彻底抛弃，苏联人在冷战末也拿出了一款漂亮的垂直/短距起降战斗机，它可以超声速飞行，并很快打破了多项该类机型的飞行纪录。雅克-141采用升力发动机和转喷口发动机相结合的方案布局，机上安装一台图曼斯基设计局研制的R-79推力矢量升力/巡航涡扇发动机，在靠近飞机重心处两个尾撑之间装圆形可转向尾喷口，喷口转向地面时，与座舱后部机身串列安装的2台RD-41升力发动机同时工作，可提供飞机垂直起降所需要的升力与平衡力矩。

这是一套简单、直接、实用的方案。纵列布置的升力发动机对飞机气动外形的负面影响相对较小，它们也不需要复杂的大角度转向机构（仍可以小幅转向）。彼时苏联人还没有可媲美F119（美国人也没有）的强大动力源，将三台还不错的发动机搭配使用基本可以满足需求，这让雅克-141的飞行性能相比雅克-38有了质的提升，也远超“鹞”式及AV-8B。

雅克-141的飞行性能相比雅克-38有了质的提升。

但假如苏联人有一款更强大的发动机呢？或者换个思路，当手握F-119/135/136这样的超级动力的美国人看到苏联人的新设计后，又会碰撞出怎样的火花？

其实早在1972年，通用动力康维尔公司就曾为美国海军的“海洋控制战机”项目提交过一份类似雅克-141的设计方案。然而方案只是方案，康维尔的Model 200垂直起降战斗机及与之配套的普惠三轴承旋转喷管，它们都随着“海洋控制战机”项目的下马而仅仅停留在纸上。上世纪90年代中期，麦道公司提交参与JSF项目早期论证的方案也与雅克-141类似，只不过将升力发动机减少了一台，随着麦道在1997年被波音兼并，该方案只能让位于X-32。

无论雅科夫列夫设计局在研制雅克-141时有没有从特殊情报渠道借鉴过Model 200，最后的结果，雅克-141制造出4架原型机并完成了数百小时试飞。如此，我们就不难理解为什么洛·马会在苏联解体后花钱从雅科夫列夫设计局购买雅克-141的相关资料——尽管价格低得离谱。

但如果仅仅将F-35B理解为对雅克-141的抄袭那就太有失公允了。洛·马设计师既没有采用雅克-141的多发组合方案，也没有自持手握强大发动机而简单的将单台发动机推力导流一部分给机身中部的升力喷口，而是创造性的拿出了一套升力风扇方案，这也是F-35B整套动力系统的最大亮点。

F-35B的体型、体重都比“鹞”大得多，如果还是沿用“鹞”的老思路——像X-32所做的那样，就必须通过加大进气道来获得垂直升力，其最终结果必将是X-32“丑陋”的翻版。洛·马工程师为了彻底解决这一问题，放弃了传统的导流喷口，而是研制出一套两级对转升力风扇取而代之。简单来说，两级对转升力风扇可以使足够的空气转变为战机悬停所需的垂直气流，而无须增加发动机风扇的截面，进而避免了飞机在超声速飞行时所产生的阻力。而F-35B的垂直升力主要就依靠机身中部的升力风扇和机尾偏折后的尾喷管共同提供，它的进气道自然就可以设计得比较小。

在两栖攻击舰上起飞的F-35B垂直起降战斗机。

传动轴+齿轮解决问题

创新固然值得敬佩，但F-35B研发团队有底气尝试创新的前提是拥有一颗动力不仅强劲，甚至“冗余”的超级心脏。F-35B使用的发动机为普惠F135-PW-600，整套动力系统由以下几个部分组成：发动机主体、左右各一个调姿喷管（喷气来自发动机）、传动轴、离合器、以及升力风扇。

相对于F-35A空军型和F-35C海军型的发动机，F135-PW-600推力略有减小，但其最大特征是：悬停时发动机在非加力状态下产生的升力(176千牛)极高，甚至接近加力推力(191.3千牛)，之所以能做到这一点，有赖于发动机的全权数控系统(FADEC)发掘出了发动机的最大潜能。

而作为这款垂直起降战机的关键，升力风扇由英国的罗罗公司负责研制。F-35B在悬停状态时发动机自身可以产生最大71.1千牛的升力，再带动风扇产生最大90千牛的升力；两侧的调姿喷管也能产生最大16.7千牛的升力，并依靠飞控系统完成垂直起飞的控制工作，使最大起飞重量27吨的F-35B实现爬升。

F-35B最引人注目的技术难点在于，怎样以尽可能轻的传动装置传输尽可能多的能量。考虑到重心、传动系统质量以及效率的原因，罗-罗公司在飞机的重心前方的驾驶舱后部设置了升力风扇，其动力由发动机的低压涡轮产生，并利用长轴以及离合器带动风扇。根据计算，仅仅依靠一根长长的主轴、截面积为脸盆般大小的离合器、个位数的齿轮就能把相当于护卫舰级别的功率（约28000马力）传送到风扇部分！也正是由于这项创举，F-35B的联合研制团队获得了美国工业协会大奖。

动力强劲的F135-PW-600发动机是F-35B取得成功的关键。

更具技术含量的是发动机上的离合器。F-35B的发动机在启动后，低压涡轮就不断带动主轴旋转（此时并未与风扇系统接触），此时主发动机能在较低温度下以较小负荷运转，提高了可靠性和使用寿命。等到需要驱动风扇的时候，离合器就使主轴与风扇接合，这样发动机便能以最高的效率将动力传送到升力风扇。由于离合器与升力风扇的速度差极大，在接合瞬间会产生超高温，这对材料又提出了极高的要求。

结语

F-35B于2015年7月正式服役。有趣的是，在“闪电”2家族三款机型中，结构最复杂的F-35B却是最早服役的。在冷战及后冷战时代一系列或成功或失败的垂直起降方案尝试中，F-35B无疑是对飞机气动外形和合理结构破坏最小的。其最终仅用一台发动机和一个主喷口（不算两个辅助调姿喷口）就实现了一款30吨级战斗机的垂直起降。因此该型机也拥有所有同类机型中最接近常规固定翼战斗机的飞行性能。

平心而论，传动轴与齿轮构成的传动系统并无特别之处，而F-135的风扇传动系统作为一个要求极高的难点，其解决方案也并非什么复杂的“花活”，反而就是最简单的齿轮系统。但是，这简单至极的结构却正是以材料方面的扎实积累与研究为基础的。到头来，材料技术反而成为破解单发垂直起降战斗机痛点的最核心环节。

F-35B让许多许多中小国家实现了航母梦。

至于F-35B貌似相对简单的结构是不是真的为其带来了“更可靠、更容易维护、成本更低也更易于大批量生产”的优势，至少目前看还有争论，且与当初“垂直起降界的AK-47和T-34”定位相去甚远。但它的确给出了一个清晰的实用化技术路线图供后来者借鉴参考。

然而在文章开头提到的相关新专利中，我们看到其似乎更倾向于较传统的X-32路线，但又增加了一台主要用于提供升力的前置发动机。这里面可能有两个考虑因素：一是F-35的升力风扇系统对材料技术（恶劣工况下的强度、耐高温性能和重量等）的要求过高；二是如果像X-32那样仅用一台发动机提供动力，主发动机的位置就必须前移，影响整机气动布局，当然对发动机动力和推重比的要求也会高得多。

不过这毕竟只是一项专利。我们相信中国如果正在研制自己的垂直起降战斗机，一定会在各种方案中反复比较研究，而其最终成果到底是什么样子，是单发还是多发，采用何种布局，我们拭目以待。