像鸟儿一样腾飞（5）-人类垂直起降飞行的梦想[60P]
“赫尔姆斯”号航母上的“海鹞”式在恶劣天气中准备起飞
油画描绘了“海鹞”正在追击攻击圣卡洛斯湾的英国舰船后撤离的阿根廷“短剑”式战斗机
“海鹞”正在“大西洋运送者”（Atlantic Conveyer）号上着陆，这艘集装箱船临时改装的简易航母后来被阿根廷的飞鱼导弹击沉，随船沉没的还有若干“鹞”式和 CH-47 直升机
英国皇家海军的“海鹞”从“无敌”号航母出击，执行伊拉克南方禁飞区任务
美国海军陆战队的 AV-8B 出击后返航伊拉克的 Al Asad 基地
英国皇家空军的“鹞”式在伊拉克作夜航出击
AV-8B 在航母上作垂直降落
美国海军陆战队的 AV-8B 正在伊拉克沙漠上空作空中加油
用单一的升力-巡航发动机最大限度的避免死重，“雀鹰”/“鹞”式不是第一家。美国的贝尔首先用 X-14 研究机验证了转向喷管产生垂直升力的原理，日后 Hawker 的试飞员 Bill Bedford 在 Ralph Hooper 访美期间，在 X-14 上作过试飞，重点探索垂直起落和水平飞行之间的过渡，对日后“雀鹰”的设计和试飞提供了极其宝贵的第一手资料。苏联的第一架垂直起落研究机雅克-36 也是采用转向喷管。X-14 和雅克-36 遇上共同的问题：为了确保垂直升力的作用点在机体重心附近，发动机必须尽量往前安装，这样就需要一个长长的后机身来平衡发动机的重量，后机身有一个显著的“阶梯”形，大大增加气动阻力，全机布置也极不平衡。为了保证姿态控制，雅克-36 在机头还特地向前延伸出一根又粗又长的杆子，用于安装俯仰控制的喷嘴。西方情报机关一开始对这根长杆的作用十分困惑，有人甚至开玩笑地说，这该不是苏联恢复了海军在风帆时代的冲撞战术，要用这根“长枪”把敌机捅下来吧？这些早期的尝试作为实用型飞机的气动设计并不成功，尽管苏联曾在航展上为雅克-36 象征性地安装过武器，想使之实用化，但是这些早期的经验为后来的“雀鹰”/“鹞”式和雅克-38 提供了思路：采用分叉式尾喷管，从两侧避开后机身，使机身和尾喷管的流线型大大改善。但是这还是不能避免单一升力-巡航发动机的另外一些固有的问题。为了实现垂直起飞，发动机必须具有很大的推力。事实上，“鹞”式战斗机的“飞马”发动机曾经是西方推力最大的战斗机用喷气发动机。但是，为最大推力而优化的发动机对巡航油耗的降低不利。为了最大推力，发动机的核心加大，进气道也必须加大，但巡航时要不了那么大的推力，过大的进气道和发动机造成不必要的阻力和结构重量。由于升力-巡航发动机的特殊结构，极其和机体设计的高度一体化，不经过大动干戈的改动，在别的战斗机上成功应用的新型发动机很难应用到垂直起落战斗机上，所以“鹞”式的“飞马”发动机一用就是40年，尽管罗尔斯.罗伊斯一直在不断改进，但“飞马”的核心发动机依然是 40 年前的 Bristol Orpheus。这个问题直到 F-35 采得到解决。
贝尔 X-14 首先验证了向量推力用作垂直起落的原理，Hawker 的试飞员在 X-14 上获得了宝贵的垂直起落经验，大大帮助了日后 Kestrel 的试飞
为了使矢量喷口能够安排在重心附近，两台发动机只能拼命往前放
雅克-36 是苏联第一架真正的垂直起落飞机
雅克-36 的发动机布置和贝尔 X-14 相似，也是拼命往前放
机头、机尾和翼尖有姿态控制喷嘴，其中机头的姿态控制喷嘴在延长杆的顶端
英国皇家空军从一开始就是把“鹞”式战斗机作为过渡性的应急之作，最终目标依然是超音速垂直起落战斗机，所以很早就开始研究“鹞”式的后继方案。由于位于 Kingston 的 Hawker 是“鹞”式的始作俑者，“鹞”式的后继方案基本都是在 Kingston 的原 Hawker 的设施里搞的，所以被称为 Kingston Projects。以下是 Kingston Projects 中的一些方案，有些达到具体设计阶段，有些只是初步概念。
超音速垂直起落一直是“鹞”式之后可望而不可及的目标，BAe P.121 采用前掠翼以解决发动机和喷口位置必须处于全机重心的矛盾
BAe P.1214 的三视图
这个模型更清楚地表示了发动机喷口的布置
Hawker-Siddley P.1216 方案，重点在于超音速，格外长的尾撑用于平衡全机重心，主发动机的向量推力喷口可以布置在重心附近
P.1216 的三视图
受到“鹞”式成功的鼓舞，和美国海军在 80 年代“制海舰”设想的驱动，美国航空工业也推出一些意图取代 S-3 舰载反潜机的方案，如图中的洛克希德方案和沃特 V-530 方案，V-530 的双涵道涡扇发动机是其特色，在概念上是洛克希德 F-35 的升力风扇的先驱。
洛克希德的垂直起落舰载机方案
Vought V530 的机翼可以折叠，以减少在航母机库里的占地面积。其双涵道涡扇发动机是其特色，在概念上是洛克希德 F-35 的升力风扇的先驱
V-530 的发动机从垂直起落状态向水平飞行转换
V-530 意图取代 S-3 舰载反潜机
进入 90 年代，美国空军的 F-16A/B 已经开始大批退役，A-10 的替代也早就上了议事日程，美国海军的 F-18A/B 也是一样。更紧迫的是海军陆战队的 AV-8B，空军的 F-22 已经落实了，海军的 F-18E 也落实了，但海军陆战队的 AV-8B 面临后继无人的窘况。面对三军都需要 F-16/F-18/AV-8 这一级的下一代战斗机，美国国会指令三军联合研制，这就是“联合打击战斗机”（Joing Strike Fighter，简称 JSF）的起源。JSF 要求能够作为 F-22 和 F-18E 的低档搭配，并且具有垂直/短距起落能力，以接替 AV-8B，为此，JSF 具有陆基型、舰载型和垂直起落型，共用基本机体设计和发动机。JSF 难度最大的地方，在于在严格控制成本和风险的前提下，要求具有垂直起落能力。普拉特.惠特尼的 F119 发动机已经用于 F-22，被军方指定为 JSF 的基本发动机，通用电气的 F120 作为备选发动机低速发展。这里必须对美国航空发动机的研发能力敬佩一下，普拉特.惠特尼从 F119 基本发动机出发，一方面大大增加推力以满足垂直起落的要求，另一方面左右开弓，同时满足 JSF 所有方案的不同垂直起落方案，这个功力非同小可。
麦道、波音和洛克希德分别提交了方案。麦道的方案采用单独的升力发动机，在气动布局上为无垂尾的 V 形尾方案，机翼后缘呈 M 形，可以说是空军的“先进技术战斗机”ATF 竞争中落选的 YF-23 的缩小版。采用单独的升力发动机有利于降低动力系统的研制风险，通过适当的安排，在主发动机故障或战损时，升力发动机可以使飞机安全返航，至少在理论上可以实现这样的动力备份。麦道方案的机翼设计很有新意，机翼和尾翼之间的“边条”既强化翼身融合体，又在大迎角时起到升力体的作用，是神来之笔。但垂直起落设计了无新意，死重大，成本高。最大的问题还是在 V 形尾。V 形尾重量轻，隐身好，阻力小，但 V 形尾一动，在滚转和偏航上就有交联，对飞行控制系统的要求很高，对机动性的影响也大，YF-23 就是栽在这上面。麦道的方案在还没有进入最后的对比试飞前就被淘汰了。JSF 落选对麦道是致命的，这个曾经研制 F-4、F-15，主要承包 F-18、AV-8 的公司，就这样降下了帷幕。
麦道 JSF 的方案可以看到 YF-23 的很多影子，尤其是它的 V 形尾
但麦道 JSF 的进气道有很重的 F-22 的影子
其升力发动机在理论上可以在主发动机故障或战损的时候，单独将飞机返航回去
麦道在情急之中，增加了鸭翼，力图弥补 V 形尾控制不足的问题，但为时已晚
尽管波音在二战之前就再也没有得到过美国战斗机的订单，但波音对所有战斗机竞争从不放过，屡败屡战。正因为没有历史，波音也就没有包袱，设计方案就敢于另类。波音 JSF 方案是一反美国常规的大三角翼方案，采用和“鹞”式相似的升力-巡航发动机，其血盆大口一般的超大进气道十分引人注目。由于发动机要尽量前置，进气道只能又大又短，这给隐身带来很大的问题。波音用“雷达屏障”（radar blocker）来解决，就是在进气道中用涂覆雷达吸波材料的导流片使进气气流有一定的扭转后才进入风扇正面，而这扭转就有效地阻止电磁波长驱直入，多次折射、反射的电磁波被反复吸收能量，最后反射回入射方向时能量已经大大降低，达到降低雷达特征的效果。麦道的 F-18E 的进气道也是采用了类似的技术，才达到准隐身效果的。导流片的另外一个作用是将进气气流理顺，增加风扇的效率。缺点是结构重量，和导流片产生的进气压力损失。波音 JSF 得到最后对比试飞的资格，代号为 X-32。X-32 的 F119 改型增加了前转向喷嘴以产生机体重心处的垂直升力，其后是延长的尾喷管，在机尾喷气，尾喷管可以推力转向，但用于改善机动性，而不是用于产生垂直升力。事实上，在垂直起落是，主要垂直升力由前喷嘴实现，姿态控制喷嘴实现其余的升力，尾喷管关闭。X-32 的 F119 还有一个特色：从发动机风扇引出高压空气，在前机体下方向下喷射，形成气帘，阻止炽热喷气回流到进气口。发动机上所有和垂直起落有关的额外系统总重约 300 公斤。X-32 肥厚、宽大的机翼为机内燃油提供了极大的容积，机翼翼载小，机动性相当好。X-32 的问题在于过于围绕垂直起落性能而设计，常规起落的性能损失太大。海军对此尤其敏感，对无尾三角翼布局极力反对，因为航母上起落所必需的大迎角性能难以得到保证。波音试图亡羊补牢，在最后时刻将 X-32 改称有尾布局，但为时已晚。
波音 JSF 最大的特点有两个：一个是无尾三角翼，这是康维尔 F-106 后第一架美国的无尾三角翼战斗机
第二个特点是其超大的进气道，这是采用机内的升力-巡航发动机所必需，但对前向隐身带来很大的挑战
波音 JSF 的肥大的机体对布置武器舱十分有利
但波音 JSF 也是美国现代航空史上少有的丑陋
波音 X-32 的垂直升力机制基本和“鹞”式同出一辙，不同的是后向喷管一直延伸到机尾，在垂直起落时，使用偏转装置，从机身重心附近就“提前”喷射出来，这样对后机身气动设计比较容易
悬停中的 X-32，不容易看到的是，进气口稍后的地方，有一个辅助喷口，有压气机导出高压空气，向下喷射一道冷空气帘，用于阻隔炽热喷气的回吸
波音和洛克希德的不同的 F119 发动机变形，其中蓝色的部分为基本发动机，黄色部分为垂直起落专用的扩充部分
波音方案的 F119 发动机，可以看到其转向喷嘴和气帘喷射装置
海军对 短距起落和大迎角性能特别讲究，强烈反对波音 X-32 的无尾三角翼布局
面对海军的强烈反对，波音在最后时刻将 X-32 的无尾三角翼改称有尾，从根本上打乱了设计进程，也对用户带来很大的混乱
但 X-32 的“超级大嘴”依然保留，给关注隐身的人们带来极大的疑惑
洛克希德 JSF 基本就是 F-22 的缩小版。洛克希德 JSF 在早期曾经设想过用鸭式布局，但不久就放弃了，回到驾轻就熟的常规布局，采用与 F-22 相似的菱形翼和外倾的双垂尾，此外并无惊人之笔。不过在性能上比较平衡，不会出大的意外，符合 JSF 最低风险和成本的原则。在气动设计上，洛克希德 JSF 的最大特点是“无边界层分离板超音速进气道”（Diverterless Supersonic Intake，简称 DSI），既改善了隐身，又提高了进气效率。洛克希德为了少走弯路，早早和雅可夫列夫合作，吸取前者在垂直起落战斗机研制上的经验，最后方案和雅克-41 有相似之处也就不奇怪了。洛克希德 JSF 采用升力风扇加升力-巡航发动机的方案，不过在升力风扇的驱动方式上有过一段犹豫，最后采用了技术上比较成熟的轴驱动，配以号称世界上最强大的离合器，在不用垂直升力的时候，离合器将驱动轴和升力风扇脱开。洛克希德最初是想用喷气驱动的升力风扇的，也就是说，将低压压气机后的压缩空气引出一股，折向前面，驱动升力风扇。驱动方式可以向轴心的涡轮吹气以驱动风扇，或者向升力风扇的翼尖吹气，像驱动水轮一样，也就是所谓的 tip jet 方式。喷气驱动的好处是省却沉重、复杂、维修麻烦的驱动轴和离合器，可靠性好，但喷气驱动需要在机体内布置可以通过很大流量的高压空气管路，占用空间太大，最后还是放弃了。洛克希德 JSF 也进入了对比试飞，代号 X-35，并最终赢得 JSF 的合同，代号改称 F-35。洛克希德由此成为 21 世纪美国唯一研制新战斗机的公司，波音通过麦道的关系还在制造 F-18E/F，但在 F-22 上只有转包商的份，F-35 则一点份也没有。F-35 将分三个基本型：空军的 A 型取消升力风扇，空下的体积用于更多的机内燃油的设备；海军陆战队的 B 型，具有垂直起落能力；海军的 C 型，为航母起落增大了机翼和尾翼。英国已经肯定加入 F-35 计划，很多国家有意用 F-35 作为 F-16 或 F-18 的后继，但美国对 F-35 的生产采用“赢者通吃”，而不是入股分工，并对敏感技术的转让限制重重，可能给 F-35 的外销带来一定的问题。不管怎么说，如果不出意外的话，F-35 将是未来二、三十年唯一的实战型垂直起落战斗机，其重要性不言而喻。
洛克希德 JSF 基本就是缩小的 F-22
这个角度看，几乎就是 YF-22 的翻版
脊背那么高，会不会影响飞行员的后向视线？
洛克希德 JSF 在气动设计上最大的特点就是 DSI 进气道，用一个精心设计的鼓包而不是常见的边界层分离板来泄放机体和进气道结合部的呆滞气流，即改善了隐身，也提高了进气道的效率
洛克希德 JSF 的升力风扇既避免了升力-巡航发动机对发动机位置的局限，又避免了升力发动机对高温喷气回吸的问题，图中可以看到已经打开的升力风扇和垂直起落是专用的主发动机的辅助进气门
对比 F-35 的垂直起落，和雅克-41 非常相像，不同的是，F-35 采用轴传动的升力风扇，而不是专用的升力发动机
洛克希德方案的 F119 发动机，可以看到轴驱动的升力风扇
三轴转动的尾喷管，这是雅可夫列夫影响最显著的地方
罗尔斯,罗伊斯负责的升力风扇，其喷口可以延伸和向后，如果这是单独的升力发动机，不难想象它可以在主发动机故障的情况下，单独推动飞机返航
升力风扇正在准备试验，可以和旁边的人比较一下尺寸
洛克希德 F-35 的垂直起落机制示意图，可以清楚地看到可以偏转的尾喷管、前升力风扇和传动轴
洛克希德曾经想用更先进的喷气驱动升力风扇（下），但技术上风险太大，最后还是用比较保险的轴驱动风扇（上）
F-35 和 F-16、F-22 的对比
空军的 F-35A，只有常规跑道起落能力，不具备垂直起落能力，原用于升力风扇的体积改用于机内油箱，大大增加了航程和载弹能力
海军陆战队的 F-35B，具有垂直起落能力，加宽机背以安装升力风扇
海军的 F-35C，具有航母起落能力，但不具备垂直起落能力，加大机翼和尾翼，以适应航母上低速、大迎角起落的要求
F-35 个型号的共同性
F-35 结构解剖图
X-35B 和伴飞的 AV-8B，两者的机内容积的差别显而易见，这反映到机内载油上，对航程的影响就大了
X-35B 在作垂直起落，可以看到已经打开的升力风扇和辅助进气口
在战后 60 年里，航空技术的发展不可以里计，超音速飞行、越洋飞行早已不成问题，但基本的原理级的技术没有大变，依然是使用动力产生速度，有空气和固定机翼的相对速度产生升力。回顾垂直起落飞机 60 年的历史，人们尝试的各种升力原理不计其数，其中不乏创造性思维的火花，但除了各种直升机外，达到实用阶段的垂直起落飞机寥寥可数。文中当然不可能罗列所有的设计，下图就是一些漏网的例子。尽管人们在垂直起落飞机领域屡败屡战，每一个失败的例子就指明了一条走不通的路，这是非常宝贵的经验积累。都说 21 世纪将是中国的世纪，这应该包括中国的航空技术，幸运青睐于有准备的人们，中国的航空人是否准备好了呢？
可以折起桨叶的旋翼不是新想法，法国 Sud Aviation 在 50 年代就有过这样的想法
更疯狂的是这个 Ryan 的 F-104VTOL 方案
三角翼的翼尖像全动平尾一样，可以改变迎角，旋转时可以像直升机一样产生升力，固定了就是三角翼
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本帖最后由 zxzhu 于 2016-5-28 12:35 编辑 ]
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