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冷狗(候知健)的博客

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日志

 
 

重塑海军之矛——我国应及时开展舰载垂直降落飞机的研究  

2013-08-18 17:16:32|  分类: 航空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:   怕冷的狗


导语:随着我国海军从近海防御向以航母战斗群为核心的远洋进攻型力量转变,以及美国F-35B型短距起飞垂直降落飞机带来的冲击;国内不少方面已经再一次发起了配合全通甲板两栖攻击舰研制装备垂直降落飞机的呼声。


一:高不成低不就的垂直起降飞机


飞机要克服重力在天空中飞行,需要通过机翼上下表面不同流动速度的空气产生压力差形成向上的升力。这迫使飞机起飞和降落需要至少数百米甚至上千米的滑跑距离来进行加、减速,为了摆脱这种对于机场的依赖,使飞机能使用战时的残损跑道、甚至只是一块空地上起飞降落,上世纪60年代欧美和苏联对于垂直起降飞机投入了大量的精力进行研究。

2013年08月18日 - 怕冷的狗 - 我的博客

图:米格21的垂直起降飞机


然而不管是采用何种方式,单一发动机推力转向也好,升力发动机与升力/巡航发动机组合也好,垂直起降飞机都要比普通飞机付出更多的机内空间和死重。特别是在发动机水平很不理想的时期,这种付出的回报简直可以说是辛酸:在垂直起飞的状态下,飞机的起飞重量很难做大,携带的燃油和武器都非常有限——用飞行员的话说,“甚至飞不出机场围墙”。


因此有相当一段时间,垂直起降飞机都是非常尴尬的:它们要像普通飞机一样滑跑6700米以携带足够燃油和武器升空,偶尔会在降落的时候玩一把垂直定点降落。垂直起降的能力发挥不了,飞行性能又被垂直起降要求严重拖累。这种高不成低不就的局面致使垂直起降飞机后来的发展相当的萧条,各国相关型号数量屈指可数。


二:鹞式战斗机的艰难摸索


如果有什么能形容鹞式战斗机系列的话,一定是这样的评价:在艰难中奋起,在摸索中突破,在战争中耀眼。正是通过两代鹞式战斗机的发展和实战经验,垂直起降战斗机最终找到了合理的使用方式和设计取向,并指引了新一代型号的发展方向——F35B便是其中之一。


2013年08月18日 - 怕冷的狗 - 我的博客

图:鹞式战斗机


鹞式在最初的时代显得相当可笑,正常使用需要6700米滑跑和垂直起飞就出不了围墙的评价其实都是来自于这款飞机。虽然发动机推力达到了9.7吨,但是一代鹞式在实际应用中的最大垂直起飞重量仅有7.7吨,携带两枚响尾蛇空空导弹的作战半径仅有98公里。如果不是当时苏联和西方在中欧边境重兵对峙,数万辆装甲车、坦克,上万架战术飞机使得双方的机场都没有生存力可言,这样的飞机恐怕一开始就不会被投入实用化。


鹞式的转机来自于海洋,它与航母实现了完美的互补。二战以后英国失去了所有大型的航母舰队,需要一种造价低廉的新型航母,鹞式这种飞机恰好特别适合于这个用途。航母最为头痛的永远是常规飞机的降落,它对航母提出了非常高的要求。试想,在助降系统指引下,一架重量十几吨,甚至二十吨以上的飞机,用超过200km/h的速度沿着固定飞行轨迹下滑,每秒下降的高度达到7米;当它的的起落架猛烈的撞击在甲板上,把拦阻钩挂上拦阻索以后,又要在数十米内停止下来。要做到这些事情绝不容易——也绝不廉价。


先进完善的光学/微波助降系统,对结构特别加固的超大面积甲板,复杂隐藏在甲板下庞大的拦阻系统,这些都是提升航空母舰吨位和造价的关键因素。但是对于仅要一块25x15米空地就可以降落的鹞式,它所需要的仅仅是有限的引导助降和一块特别增加水冷循环散热的甲板。鹞式通过降落方式的改变为航母找到了降低成本的出路,而航母又为鹞式提供了起飞性能的巨大改善。


与陆基机场不同,航母是一个可以自由机动的平台。当航母以最大速度航行时形成的甲板风是非常可观的,这直接降低了飞机所需要的实际起飞速度。在2万吨排水量长度不超过230米的二战航母上,通过25节甲板风的辅助,鹞式达到了10.32吨的起飞重量。这使鹞式能够执行150公里半径的舰队防空任务和400公里的攻击任务,标志着垂直起降飞机在实用性上获得了突破。


三:垂直起降战斗机的飞跃


并不满足的英国海军在1966年进行了代号Ski-jump(高山跳台滑雪)的研究——既然通过跳台人能飞跃,车也能飞跃,那么飞机就更能飞跃。而且和人、车不同,飞机的滑跃并非一个简单的抛物运动。翘起的角度会使飞机在滑跑时就形成相应的迎角,提前产生额外的升力;这使得相比平甲板或者陆地起飞,滑跃起飞所需要的速度就低得多。配合甲板风使飞机借用航母的航速,还可以进一步降低所需的起飞速度。

2013年08月18日 - 怕冷的狗 - 我的博客

图:滑跃起飞


通过10年间对多种机型的反复试验研究,英国人确认,滑跃对于所有类型的飞机起飞都有不同程度的提升。尤其是垂直起降飞机,本身推重比就相对更高、而且由于矢量推力(或者升力发动机、升力风扇)形成相当大部分的动力升力,效果尤其明显。相对于造价、维护费用昂贵的弹射器加速技术来说,滑跃甲板增加的费用完全可以忽略不计。


英国先后推出了三代滑跃甲板:上翘角度9度的竞技神号航母(改装后),12度的无敌号,14.5度的皇家方舟号。在无敌号和皇家方舟号上,通过滑跃技术,鹞式的滑跑距离不到原来的1/3。而在发动机推力仅增加2吨的情况下,第二代鹞式的最大起飞重量提升了4.56吨,有效载荷从5.5吨提升到了8.8吨。作为一架空重7吨不到的飞机,二代鹞式最后能以不到130米距离完成14.6吨重量的起飞,这是非常了不起的。


鹞式飞机最终取得了巨大的成功,它与滑跃技术的结合使英国用不到9亿英镑的造价就得到了拥有完整航空作战能力的小型航母舰队,并以此赢得了马岛战争。相对于预计造价就达到35亿英镑的CAV01航母方案,成本甚至不到其1/4。此后很多国家都引入了鹞式与滑跃起飞的组合,构建起了在各自区域中难以忽视的海上航空武力:包括意大利、西班牙、印度等等国家。


然而公平的说,鹞式与滑跃组合的辉煌,在很大程度上是因为鹞式找到了正确的使用方式和配套的辅助系统,并非见得技术上就多么先进突出——苏联的失败,正是一面绝好的镜子。


四:苏联垂直起降战斗机的失败

 

抛开验证机不谈,苏联主要发展了两代垂直起降战斗机,雅克38和雅克141。雅克38与鹞式研制时间、重量和尺寸也差不多,连主要用途都差不多:都是舰载机用途为主。


    相较于鹞式,雅克38的垂直起飞性能要好一些。鹞式的飞马发动机在当时来说推比很高,而且是特殊的4分叉偏转喷口,研制难度可以说不亚于在60年代研制一款三代战斗机用的推比8发动机。苏联没有走鹞式的单一发动机推力转向路线,而是使用了寿命很短,但是推比很高的专用升力发动机和带转向喷管的升力/巡航发动机组合。在和鹞式空重基本相同的情况下,雅克38可以做到9.8吨左右的实用最大垂直起飞重量,带两枚近距格斗导弹的作战半径达到195公里。

2013年08月18日 - 怕冷的狗 - 我的博客

图:雅克38的动力系统示意图


但是在短距起飞上,雅克38受到诸多因素,包括这一阶段主要的升力来源主要是发动机,不允许较大迎角,甚至是刻板的使用条令等方面的限制;使得它在加速过程或者甲板风中机翼形成的升力补充比较有限,也不能使用滑跃技术进行辅助。这些问题使得后来的雅克38M在空重接近8吨的情况下最大起飞重量也只有12.5吨,几乎要五架雅克38的作战效能才能与一架二代鹞式媲美。雅克141毫无自觉的继续走上了邪路,这款拥有18.2吨垂直推力的飞机,起飞重量最大仅有不到20吨。


雅克38面对鹞式,失败的主要方面并不在具体的技术上,而是失败在于整个设计思想。英国的航母舰队虽然廉价,但仍然是真正的航母舰队,飞机才是航母的主要武器。围绕着这一点,英国通过各种各样的手段来提升飞机的能力——允许更长的滑跑距离、借助甲板风、采用滑跃甲板设计。而在苏联,雅克38仅仅是载机巡洋舰上的一个附属物,这种边缘化的定位使得本身就非常特殊的垂直起降飞机根本无法发挥自身的性能潜力。


五:F35B的选择和对我国的启示


由于总体设计来自于上世纪60年代,鹞式有不少缺陷是难以克服的:欠缺高速飞行能力,只能以亚音速飞行;发动机推力限制了飞机的吨位,轻型战斗机的攻击能力始终较为有限。这使得一些胸怀大志又眼高手低的大国来说,鹞式和轻型滑跃航母的组合虽然性价比极高,但因为性能上无法与真正携带能超音速飞行的中型、重型常规舰载战斗机的航母系统(比如美式系统)相抗衡,所以最终难入法眼。

2013年08月18日 - 怕冷的狗 - 我的博客

图:F35B正在进行垂直降落

 

而这一局面很快就被F35B彻底打破。作为鹞式的主要用户之一,美国海军陆战队(USMC)有着丰富的垂直起降飞机使用乃至于实战经验。在他们的主导下,F35B放弃了鸡肋的垂直起飞能力要求,只要求短距起飞/垂直降落。总体设计方向上的明确取舍,极大的优化甚至可以说是解放了飞机的载荷能力;依托19吨的发动机推力以及比鹞式先进了数十年的气动力学设计,即使是不需要滑跃的辅助,F35B一样能够在短距起飞模式下以25吨的重量起飞。


在飞行性能上,F35B并不出色,仅仅是保证了三代机中游不到的机动性水平和超音速飞行能力。但这点代价与获得完整的隐身攻击能力相比完全不值一提:F35B拥有携带2枚重型精确制导炸弹和2发中距导弹的内置弹仓。

 

接近传统重型战术飞机的攻击能力,三代机的飞行性能,四代机的隐身性能。当这些要素集中在一款垂直降落飞机上,2-4万吨级军舰的平台能力立刻发生了翻天覆地的变化。不需要复杂昂贵的高级引导助降系统、拦阻系统,不需要特别加固的甲板结构,廉价的轻型航母、两栖攻击舰、甚至是临时改装成全通甲板的民用高速货船,都可以通过10-20F35B实现超过传统中型航母的作战威力。

2013年08月18日 - 怕冷的狗 - 我的博客

图:黄蜂两栖攻击舰


例如美国黄蜂级那样4万吨左右的两栖攻击舰,一次可以搭载超过30架通用直升机和6F35B,形成极其可观的兵力投送能力;如果偏重于攻击任务的话,一次可以搭载18架左右的F35B。不论在任何地方,这都是一只不容忽视的强悍力量。


我国已经确立了发展重型航母,搭载具备超声速巡航能力、内置隐身反舰武器的重型四代舰载机的发展路线。面对现阶段质量和规模都绝非我国可以望其背项的对手,这个路线是我国未来在海洋军事对抗中形成、占据局部优势的唯一选择,是不容置疑的。在可以预见的未来内,我国必须竭尽全力将所有的的重型航母全部投入到与对手航母群对抗中,才能完成彻底阻绝对手的舰载航空兵远程干涉、打击我国东南沿海地区的可能性。在这种能力实现之日,我国才真正具备了打破战时岛链封锁、武力统一大型岛屿的基础可能性。 


新一代垂直降落战斗机的出现,将对下一阶段我国海洋军事力量建设起到极为重要的补充作用。它不仅能在航母群不需要分心他顾的情况下,极大加强我国的两栖攻击、登陆作战能力;在和平时期作为海上的机动战略支点,也能极大加强我国对争议海域的控制能力。在国际环境越来越严峻复杂的今天,开发新型舰载垂直降落飞机的需求已经显得相当迫切。


六:我国的新一代垂直降落飞机的可能性初窥


    F35B指出了新一代垂直降落飞机的合理功能要求,但并不意味着我们一定要全盘抄袭F35B,国情不同,F35B上我们抄不来、也不适合我们抄的东西都很多。反而是俄罗斯的雅克141虽然已经停止了发展,但很多技术仍然值得借鉴和引进。

      

由于隐身和携带内置重型武器的必须性,新型垂直降落飞机必须是与F35B吨位相当的重型飞机。这就意味着如果采用单一发动机的话,推力必须要超过18吨;即使是采用辅助的升力发动机,主发动机的推力也必须要超过15吨。

 

F35B采用单台发动机,短距起飞时依靠喷管偏转和引出动力驱动的升力风扇产生额外的动力升力。这种设计对于发动机的制造水平要求极高,绝非我国可见未来内可以做到。基于我国已有的历史规律,将希望寄托在涡扇15的突然成熟上一样是极不可靠的。唯一可行的途径,只能是先从俄罗斯引进雅克141R-79升力/巡航发动机和RD41升力发动机。

2013年08月18日 - 怕冷的狗 - 我的博客

图:雅克141的动力系统


在飞机机体的研制上,我国目前有比较强的能力,隐身和内置弹仓不会成为难以克服的障碍。具体到布局的选取,常规布局、鸭式布局、甚至是无尾布局都是具有可行性的。但是垂直起降飞机的特殊之处在于动力系统比常规飞机要复杂很,它的液、气管路更多,而且在飞机内的分布更广——比如为了保证飞机垂直起降时的平衡,就要通过两根管道引流高压气体从两侧翼尖的位置向下喷出进行控制,有时候还要在机头(X-32)和机尾(雅克38)也采取同样的设计。

2013年08月18日 - 怕冷的狗 - 我的博客

图:鸭式布局的垂直降落飞机


因此如果是在引入雅克141的动力系统上开始研制新型飞机的话,和雅克141更为接近的常规布局方案,也就是采用升力发动机的山寨F35B路线,将会获得明显的工程优势——这对于方案竞争意义非常重大。但是由于内置重型武器的弹仓会明显加大机身截面积,因此这种方案就算使用新的气动技术,采用加大飞机长细比的优化设计等措施,超音速飞行能力较最大速度M1.7的雅克141有明显减低是不可避免的。就其他方面来说,这个方案也很难获得与F35B对等的性能;相似的技术路线会最大程度的暴露国家之间的工业能力差距,这是铁律。


在美国的新一代垂直降落飞机发展历程中,无论是CALF项目阶段还是后来的F35系列布局选型中都出现过性能期望值较高的鸭式布局方案。CALF项目被中途合并,F35系列由于存在多个吨位、尺寸不同的型号需要在高度通用化的前提下进行协调,鸭式布局的技术路线无论是工作量还是难度都要大幅高于常规布局,因此必须放弃。


但对于我国来说,这种掣肘并不存在;而鸭式布局虽然没有工程优势,但性能优势很明显:对于机身中部设计大型弹仓的单发飞机来说,鸭式布局设计能在面积分布相当大幅度的降低跨、超音速阻力。其次,全动鸭翼的鸭式布局天生具有最强悍的短距起飞能力,JAS39和歼10都是动力比较孱弱的战斗机,但它们的短距起飞能力会使每一个看过飞行表演的人都印象深刻。


各种方案之间,彼此互有工程、性能上的优劣;几个设计单位之间,彼此互有能力、行政上的强弱。对于这个我国尚未形成统一认识的领域,断言未来型号的具体情况为时尚早;不过笔者估计一旦完成方案竞争,获得正式的国家立项,并且发动机引进顺利的话,从立项起4年以内完成新型垂直降落飞机的验证机首飞应该是可行的。

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