“短垂項目”的路線該如何走

鄭軍

所謂“短垂項目”，是短距起飛/垂直降落飛機推進系統項目的簡稱，是針對海軍兩棲作戰能力的探索項目。本次沙龍就談談中國的“短垂項目”能否后發制人的話題。

鄭：現在人類飛行器的飛行速度和高度已經遠遠超過鳥類，但環境適應性還差很遠。飛機越先進、越龐大，起降條件往往就要求越高，這和人們對航空器要求的快速反應是一對矛盾體。例如在兩棲登陸作戰中，航空力量被視為遠距快速打擊的主力，但適合常規戰機起降的、具有更大甲板面積的大型航母，往往又不適合在兩棲作戰中使用，因此需要在中小面積甲板起降的“飛行特種兵”。又比如在國土防空作戰中，己方的主要機場可能已經遭到敵人先發制人的打擊而癱瘓，而垂直起降戰機則可以在狹小場地起飛與敵方爭奪制空權。因此，不但美英這樣重視兩棲作戰的國家在開發短距，垂直起降戰機，就連中國也一度想在上世紀60年代研制短距，垂直起降戰機以應對蘇聯壓力。

短距，垂直起降包含4種方式：短距起飛-短距降落、短距起飛-垂直降落、垂直起飛-短距降落、垂直起飛-垂直降落。起降方式的多樣化意味著更高的“仿生”能力。而在一些日本軍事幻想的二次元動畫中，還有一些更極端的“短垂”飛機：譬如把戰斗機折疊起來裝在垂直發射筒里，作戰時直接彈射出去，達到效率的最大化。當然，這超出了現有技術能力。短距，垂直起降技術發展到現在，實際上仍然處于“顧頭不顧腚”的階段，是以損害飛行性能為代價的。從20世紀50年代開始，美英蘇法德等國一口氣研制驗證了幾十種短距/垂直起降機型，并誕生了“鷂”式、“雅克”38等型號，但它們普遍存在載荷不足、機動性能較差、航程不夠等問題。

這毛病，還是出在發動機上。研發具備短距，垂直起降能力的戰機，無論采用單臺發動機的共用型推進系統，還是采用多臺發動機的組合式推進系統，其本質都是使用向下噴氣動力的“蠻力”，將常規空氣動力外形的飛機托舉起來，然后實現飛行。這種強大的“蠻力”背后是高速高溫空氣射流。升力越大，溫度越高，這不但是對噴管轉向密封機構的考驗，對起降場地也是挑戰。另外，為了產生強大升力，發動機在起飛階段就會耗費大量的燃料，也限制了戰機的作戰半徑。“鷂”式作戰半徑為500千米左右，“雅克”38只有200多千米，幾乎只能繞著自己的航母飛。至于說超音速飛行，也成了早期短距，垂直起降戰機的一大門檻。因為短距，垂直起降能力的戰機要么發動機橫截面積大，飛行阻力大，限制了飛行速度，要么就是帶有升力發動機等“死重”，限制了空戰能力。

因此，早期短距，垂直起降戰機首先著眼的是“升起來”。這也是美英蘇法德等航空強國研發數十個型號的主要原因。當然這里面有很多是看似科幻但毫無實際應用可能的。實用化的路線是材料技術、氣動力設計等妥協的結果。“鷂”式、“雅克”38就是這種妥協的典型。

美國在這方面趟了多遠的路？

鄭：在第一波短距，垂直起降飛機大發展之后，各國才看到這種新飛行器存在的種種限制，因此實用范例非常少。即便是美國，也是從英國引進“鷂”式飛機的技術再加以改進，產生了陸戰隊專用的AV-8B攻擊機。至于蘇聯，則由于國家解體，“雅克”38的替代型號“雅克”141也只有在首飛之后黯然下馬。不過“雅克”141也說明“升力+推力”的組合推進系統能讓未來的短距，垂直起降飛機具有更強大的作戰性能。

從美國海軍的CALF（共同可負擔輕型戰斗機）計劃到后來的JSF（聯合攻擊戰斗機），美國軍方極為大膽地以短距，垂直起降飛機為牽引，統合三軍的輕型戰斗機。然而現實是美國的F-35項目差點被F-35B拖入深淵。美國前任國防部長蓋茨差點就將F-35B斬落馬下。F-35B采用的是由F-135發動機帶動的軸驅動升力風扇方案。由于這種動力方式結構復雜，給整個飛機帶來幾乎1.8噸的“死重”。而且由于自重增加，F-35B可攜帶的載荷和燃油量都被減少，隱身性能也因為3軸噴管的設計而下降。因此F-35B引發洛馬公司上上下下的“減重大會戰”，使用高額獎金來鼓勵員工建言獻策。F-35B的項目盡管后來保住了，但在重量上的糾纏，使整個項目進度拖延，經費直線上升。

可能有人會攻擊美國F-35B的設計存在重大失誤。但通過技術分析我們卻不難發現，F-35B超重的升力風扇設計恰恰不是失敗，而是所有技術路線中最優化的結果。美國在垂直起降技術上有著深厚的積累。上世紀50年代，美國開發了X-5A短距起降驗證機；70年代美國為裝備“制海艦”而研制XFV-12，使用了引射增升動力，但以失敗告終：80年代美軍為替換“鷂”式開發了超音速先進短距起飛/垂直降落替換飛機，一口氣拿出了4種升力方案，包括推力矢量控制、混合串列風扇、引射增升和遠距增升系統等，但均不能完全滿足要求。在F-35B研發中，美方已經清醒地認識到，以當時的技術水平和研發投入，還是要以相對保守的組合型推進系統為主，而且看上去是死重的升力風扇也并不能舍棄。美國波音競標的X-32B采用了更先進的共用型推進方式，升力和推力由一臺發動機提供，占用空間小，不帶來死重，但問題是升力要損失高達60%。而反觀F-35B，為減少技術風險放棄了燃氣驅動風扇，轉而采用更成熟的軸驅動風扇。3軸承偏轉噴管技術也有俄“雅克”141的R79發動機在前面“開路”。這些成熟的技術保證了F-35B升力系統的可行性。F-35B盡管存在諸多毛病，但升力風扇的提升力是有效的，也最大限度實現了三種機型通用設計、超音速性能等基本目標。

在2010年6月10日，F-35B首次實現了突破音速的飛行。美方宣稱這是人類歷史上首次垂直起降隱身飛機具備超音速飛行能力。2011年10月，F-35B又成功實現在兩棲攻擊艦上垂直著陸。隨著2012年一系列武器相關試驗的開始，F-35B已度過了最危險的時期。2015年，F-35B開始向具備“初始作戰能力”（IOC）做準備。美軍陸戰隊的目標是7月15日，力爭成為F-35系列戰機中最早達到IOC狀態的機種。F-35B要達到IOC狀態，就要安裝block2B階段的新軟件。F-35B現在安裝的是block2A軟件，速度被限制在0.9馬赫，攻角被限制在18度，最大過載只有4.5g：而升級到block2B軟件后，速度可達到1.2馬赫，實現了超音速飛行，攻角可達50度，最大過載達到5.5g，還具有發射AIM-120、激光制導炸彈、JDAM彈藥等能力。

但這并不意味著F-35B形式大好。F-35B的設計目標是達到速度1.6馬赫和最大過載達到7g的目標，這要等到軟件升級到Block3F階段。美軍的測試人員也承認仍存在諸多挑戰。F-35B走了一條技術最優化的線路，但這條線路最底層的基石，是F-135這樣的推比超過10的強大發動機。我認為，回顧F-35B整個發展歷程。F-135讓F-35B飛了起來并落了下去，還實現了超音速飛行，但未來能否實現速度1.6馬赫和最大過載達到7g的設計目標，很難下結論。因為這涉及到F-135還有多大潛力。2014年6月一架F-35的F-135發動機爆出了“起火”事故，源于F-135第三級整體葉盤風扇葉片與機匣摩擦。第三級整體葉盤位于F-135風扇部分的最后，將空氣壓縮后送入高壓核心機。風扇的每一級由位于機匣內的靜子和轉子組成，機匣內壁襯有耐磨層以保持葉尖和內部之間緊密的間隙。足夠小的葉尖間隙能降低壓力損失，并允許發生一些摩擦。著火的AF-27號飛機的發動機葉片摩擦情況遠遠超出了設計范圍，產生了額外的熱量和葉片上的微小裂紋。由此導致的高循環疲勞失效導致葉片發生“破碎”，并引發火災。

美國國防部當時認為這是一個孤立事件，但在去年9月份美國國防部F-35項目負責人博格丹中將承認問題比想像的嚴重。美國給出的解決方案是采用某種葉片“燒蝕”處理來避免F-135發動機在飛行包線邊緣運行時的葉片摩擦。但在今年3月底，美國國防部認為這不是一個辦法，普惠公司必須找出更有效的長期解決方案。而在此之前，F-35只能在特定飛行包線范圍內飛行。

從上述案例不難看出，F-135的大推力源于發動機設計的極端化。也就是說F-135幾乎達到了現有噴氣動力的極限，稍微在飛行包線邊緣的飛行，都有可能導致事故的發生。這次出事故的是F-35A型，而F-35B發動機的工作環境也同樣惡劣，甚至有過之而無不及。有理由猜測F-135發動機能否適應美軍空中打擊的高出勤率，一位飛行員駕駛F-35B從兩棲攻擊艦起降執行任務的過程中，心里有沒有底？

現有路線是否已到盡頭？

鄭：中國發展武器裝備不可能忽視美軍走過的道路，這不意味著要跟在美軍后面亦步亦趨，但至少會有一個“揚棄”的理性選擇。中國如果要發展“短垂”項目，我們不妨分析一下。按照新聞里面的說法，研制的是“短距起飛/垂直降落飛機推進系統，是針對提高海軍兩棲作戰能力，填補該類作戰武器裝備空白而進行的探索項目”。既然是“飛機”和“作戰武器裝備”，那么就應該是用于對地攻擊和戰場支援的攻擊機，而不是V-22這種傾斜式旋翼機或者像上世紀60年代德國開發的DO-31E垂直起降運輸機，更不會是類似現在美軍正在預研的以涵道風扇為動力的“空中可重構式嵌入系統”（ARES）。

既然是戰斗機或攻擊機，那么我們就要判斷一下，中國的“短垂”戰機要走哪條路線。更重要的是，這條路線中也包含著“短垂”項目發動機的探索路線。

完全照搬英國的“鷂”式短距起飛，垂直降落飛機是一條路。盡管“鷂”式是40多年前的老裝備，但歷經馬島戰爭、海灣戰爭等實戰洗禮，證明是一種有效的兩棲作戰裝備。雖然“鷂”式載彈量和航程有限，但對提升中國海軍兩棲攻擊能力來說是顯著的，也彌補了空白。而且中國現在航空材料上的發展，也能夠進一步改進“鷂”式的載彈量和航程等性能，接近甚至超過AV-8B+的水平。至于“鷂”式的“飛馬”發動機，乍一看是臺古董，但歷經羅羅幾十年改進，其最新、推力最大的Mk.107型即美方使用的F402-RR-408發動機開發于2000年。如果中國開發出自己的F402-RR-408，將是中國發動機行業的一大跨越。

但這條路的弊端在于，“鷂”式的路線過于保守。由于采用了共用式推進系統，“鷂”式盡管性能比同期的“雅克”38強得多，但超大的進氣道、厚重的超臨界機翼都表明這是為全力發揮發動機的升力性能。而對于中國來說，就意味著不但要預研發動機，而且不能在現有戰斗機上進行改裝而要重新設計。無論是殲-7、殲-8、殲-10還是殲-11甚至殲-31、殲-20，使用類似“鷂”式的共用式推進系統是不大可能飛起來的。因此中國走“鷂”式路線，即便不是照抄“鷂”式的外形，也要設計一種新的氣動力外形，以滿足共用式推進系統垂直起降的需要。而且這種路線的外形多“粗大彪悍”，跟超音速飛行無緣。中國航空工業忙活了半天，甚至在型號研制任務如此繁重的時候，要重新設計制造一種亞音速的垂直起降戰機及相關發動機，有點“得不償失”。

因此中國的另外一條路線，就是從現有裝備平臺出發，通過改造和加裝新型垂直起降動力來實現突破。從路線上看，這和美軍的JSF項目有些反其道而行之，不是以三軍通用作為初始目的，而是從現有空中作戰平臺中延伸出兩棲作戰專用的“垂直起降戰機”。

走這一條路，美軍F-35B的組合式升力方案就是不得不考慮的路線。因為這種方案最大限度容納了美軍三軍通用的需求，而從中國角度看，這條路線最適合現有平臺的改裝和改進。其優點首先是效率高，這對于中國尚不先進的發動機技術來說尤為重要。第二是像F-35B那樣在飛機前方安裝升力風扇，不會大幅改變飛機重心和飛機的橫截面積，減少改裝的難度，有利于保持原有飛機的超音速性能。

減少改裝難度，只是降低工程復雜程度的一個方面，“短垂”戰機的關鍵還是發動機。有一個有趣的“謠言”：中國為殲-20準備的渦扇-15第四代發動機，其技術是源于當初蘇聯為雅克-141研制的R-79B-300發動機。這等于說中國第四代戰機已經提前做好了向垂直起降戰機發展的準備。事實上，這是一個中國網友編造的“善意謊言”。中國的第四代發動機和俄羅斯的R-79可能毫無關系，但中國垂直起降戰機的動力還得來自面向殲20的第四代航空動力，因為只有推重比達到10以上，才有可能為垂直起降戰機提供足夠的升力。在新聞曝光的中國“短垂”項目中，設計研發的主要部門是中航空天發動機研究院，成發是項目加工方。不能小視這個“項目加工”，因為垂直起降戰機需要的是一種特殊的“推力矢量發動機”，和一般戰斗機發動機相比，有很多需要特別制造加工的部件。

例如已知的所有可實用的垂直起降戰機都無法回避一個關鍵技術，就是大角度偏轉的發動機矢量噴管。首先是密封的問題，矢量噴管一般安裝在發動機加力燃燒室后面，噴管在熱燃氣環境中應保證結構的完整性，避免高溫燃氣泄漏造成火災，另一方面良好的密封性能可減少噴管漏氣造成的推力損失。其次是冷卻，因為噴管處于偏轉狀態時，彎曲的型面會造成噴管壁面溫度分布不均勻，從而引起局部溫度過高使噴管發生形變。通常采用氣膜冷卻方式從發動機冷流部件引出冷卻氣流對噴管壁面進行冷卻，同時起到降噪作用。F-35B的3軸承偏轉噴管采用雙層壁面的結構形式，冷卻氣流從雙層壁面之間流過，降低了內壁面對外壁面的熱傳導且使內壁面溫度降低。最后是減重。矢量噴管在做到前兩點的同時，還要盡可能減輕重量，使用復合材料等先進材料技術。

以上只是垂直起降戰機動力復雜性的一個方面，還沒有涉及噴管偏轉機構設計、飛機整體平衡、飛火推一體設計等更為復雜的技術挑戰。

技術方案上能不能另辟蹊徑？

鄭：從需求上看，中國海軍對垂直起降戰機的需求并不是凌駕其它一切作戰飛機的。中國海軍艦載航空兵對殲-15這類主力固定翼戰斗機的需求肯定是最高的，其次岸基航空兵部隊也需要大量先進飛機。因此在這個“短垂”項目上，中國是有填補空白的需要，但要有一種“非功利”的從容心態。在官方新聞中，對“短垂”項目的定位是“探索”。這一來說明了技術的復雜性，二來提出一個問題：有沒有必要跟著F-35B的路線走？

應當承認，F-35B的升力風扇+三軸承偏轉噴管的組合型推進系統是當今超音速垂直起降戰機最優化的動力路線，但其中還有優化空間。例如取消F-35B的軸驅動升力風扇而改為燃氣驅動升力風扇，可以進一步降低“死重”。另外中國沒有像美國JSF項目那樣嚴苛的通用化要求，因此可基于現有飛機平臺探索垂直起降動力。比如殲-10的進氣道與X-32B有相似之處，如果搞成“短垂”版的殲-10，作為一種驗證平臺，甚至未必追求超音速性能，也未必非得追求垂直起降，只要實現短距起飛、垂直降落也是一種巨大的成就。

從X-35B可看出，其技術路線盡管是美國“最優”的選擇，但這種機械式矢量噴管和升力風扇的組合已接近發展極限。那么能不能擺脫這種舊有的窠臼，轉而走向氣動，機械復合噴管甚至開發氣動推力矢量技術而采用固定式的幾何噴管，這就大大簡化了現有垂直起降戰機動力的死重和復雜程度。相對于跟蹤F-35B的路線，應該提倡這種未知領域的探索。雖然這種探索很可能以失敗告終或僅有有限或極不成熟的成果，但這對中國海軍來說是可承受的，也不影響海軍的裝備發展。

[編輯/旭日]