艦載機(jī)的矢量噴管化演進(jìn)

鄧濤

1994年，NASA將一架F/A-18加裝了推力矢量噴口，用以研究F/A-18大迎角性能。

對(duì)艦載戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)講，矢量推力（TVC）技術(shù)多用于短距起飛/垂直降落（STOVL）構(gòu)型。不過(guò)，常規(guī)起降艦載戰(zhàn)斗機(jī)與TVC技術(shù)并不排斥。畢竟今天的艦載戰(zhàn)斗機(jī)大多是陸基型號(hào)的衍生版本，將后者的矢量推力噴管用于前者在理論上是可行的。當(dāng)然，這不會(huì)是一個(gè)簡(jiǎn)單的拿來(lái)主義。

技術(shù)保守主義的問(wèn)題

即便是陸基戰(zhàn)斗機(jī)，TVC噴管也只獲得了有限范圍的應(yīng)用，這意味著TVC技術(shù)并不成熟。而海軍又一向以技術(shù)保守著稱，這就決定了將TVC噴管用于艦載戰(zhàn)斗機(jī)，首先要邁過(guò)思想上的那道門檻。

坦白地說(shuō)，這取決于美國(guó)海軍是否先有所行動(dòng)。美國(guó)海軍對(duì)于航空技術(shù)一慣保守，即便在冷戰(zhàn)年代也是如此。從噴氣式飛機(jī)上艦到隱身技術(shù)，始終比空軍慢了半拍。冷戰(zhàn)結(jié)束后又進(jìn)一步冷卻了美國(guó)海軍對(duì)先進(jìn)技術(shù)的熱情，TVC技術(shù)遲遲沒(méi)有用于艦載機(jī)也在情理之中。更何況，今天的美國(guó)海軍仍然擁有地表最強(qiáng)大的海空力量，保守估計(jì)，其航母力量至少占全世界的8成左右。當(dāng)然，或許這些航母平臺(tái)搭載的F/A-18E/F與F-35C沒(méi)有F-22、F-35A強(qiáng)大，但這只是相對(duì)而言。在其他國(guó)家的同類面前，它們?nèi)匀皇菑?qiáng)悍的存在。無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量都是如此。所以在美國(guó)海軍眼中，TVC不是用來(lái)維持技術(shù)優(yōu)勢(shì)的必須，畢竟過(guò)度的技術(shù)也是一種浪費(fèi)。某種程度上美國(guó)海軍是一個(gè)風(fēng)向標(biāo)。歷史經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一項(xiàng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)美國(guó)海軍驗(yàn)證的前沿技術(shù)，很難有別的國(guó)家愿意當(dāng)這個(gè)出頭鳥(niǎo)——技術(shù)試錯(cuò)的過(guò)程從來(lái)都代價(jià)不菲一當(dāng)然英國(guó)人或許除外。

然而，隨著美國(guó)的國(guó)防戰(zhàn)略重歸大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)，就不能排除海軍對(duì)TVC態(tài)度的由冷轉(zhuǎn)熱，將之視為“抵消戰(zhàn)略”（用技術(shù)優(yōu)勢(shì)抵消對(duì)手的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)）的一個(gè)可行選項(xiàng)。說(shuō)穿了，海軍所謂的技術(shù)保守主義，歸根到底反映的是威脅環(huán)境——威脅強(qiáng)一些，保守就要消退一些。

TVC艦載機(jī)的優(yōu)勢(shì)

艦載機(jī)的使用環(huán)境有其特殊性，TVC技術(shù)是否有助于滿足這些需求，這還得具體問(wèn)題具體分析。

首先是短距起降。合理的利用TVC技術(shù)無(wú)疑將大幅度提高艦載機(jī)的短距起降能力。艦載機(jī)起飛時(shí)，推力矢量不但可以產(chǎn)生直接升力，還能利用推力矢量產(chǎn)生抬頭力矩，使飛機(jī)在較低的速度下抬起前輪，增大迎角，盡快離地。1989年5月16日，F(xiàn)-15 STOL/MTD驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行了安裝推力矢量噴管后的首飛。試飛表明在同等起飛重量下，推力矢量噴管能使起飛滑跑距離降低25%（一說(shuō)38%）。在后續(xù)試飛期間F-15 STOL/MTD又進(jìn)行了多次推力矢量起降，抬前輪速度低至67.6千米/時(shí)，最短的降落距離低至416米，而標(biāo)準(zhǔn)F-15的降落距離為2286千米。將這種能力用于航母甲板的方寸之間是很自然的想法。事實(shí)上，世界上第一種裝備推力矢量噴管的噴氣式軍用飛機(jī)就是一架艦載機(jī)——美國(guó)海軍A-6攻擊機(jī)的原型機(jī)——絕非偶然。該機(jī)的尾噴管在起降時(shí)可下偏產(chǎn)生直接升力，用于提高起降升力，降低起降速度。雖然由于技術(shù)不夠成熟的原因，推力矢量噴管最終在量產(chǎn)型版本的A-6上被放棄，但這已經(jīng)很能說(shuō)明問(wèn)題了。

航母是一個(gè)系統(tǒng)工程，艦載機(jī)只是其中的一部分。這個(gè)系統(tǒng)工程除了單純的性能考量外，最重要就是成本問(wèn)題了。十萬(wàn)噸級(jí)核動(dòng)力超級(jí)航母的使用成本在每天百萬(wàn)美元級(jí)，造價(jià)更是天文數(shù)字。造價(jià)高達(dá)129億美元的“福特”級(jí)已經(jīng)讓美國(guó)國(guó)會(huì)大呼吃不消了。所以在2016年預(yù)算案中，便責(zé)成美國(guó)海軍研究降低航母造價(jià)和尋找“福特”級(jí)替代方案的問(wèn)題。2017年10月6日，蘭德公司為此發(fā)布了題為《未來(lái)航母選擇》的研究報(bào)告，僅從公開(kāi)的縮略版來(lái)看，蘭德公司為美國(guó)海軍建議了4個(gè)用來(lái)替代“福特”級(jí)的選項(xiàng)：CVN 8X，CVN LX，CV LX，CV EX。這些選項(xiàng)從10萬(wàn)噸級(jí)到2萬(wàn)噸級(jí)不等，但即便是10萬(wàn)噸級(jí)的CVN 8X，也是“福特”級(jí)的簡(jiǎn)化版本，著眼點(diǎn)在于以適度的性能縮減來(lái)?yè)Q取成本的可控。由此可見(jiàn)，在航母系統(tǒng)工程的建設(shè)中，造價(jià)與成本因素的重要性。但這與TVC提供給艦載機(jī)（戰(zhàn)斗機(jī)）的短距起降能力有關(guān)么？答案是肯定的。航母的最高航速越大，艦載飛機(jī)的離艦速度越高，起飛重量越大，戰(zhàn)斗力越強(qiáng)。假定在航母靜止?fàn)顟B(tài)下彈射可使得30噸重的典型艦載戰(zhàn)斗機(jī)達(dá)到270千米/小時(shí)的離艦速度，那航母速度從25節(jié)增加到30節(jié)可使機(jī)翼升力增加3%，也就是說(shuō)，飛機(jī)可額外攜帶大約800千克的有效載荷，這是相當(dāng)可觀的。但巨大的航母要提高速度，動(dòng)力代價(jià)必然巨大，并且不可避免地轉(zhuǎn)嫁到成本上來(lái)。增加彈射功率是相對(duì)簡(jiǎn)單的辦法，但無(wú)論是蒸汽還是電磁彈射器，歸根到底都是從動(dòng)力上打主意。大量的研究表明，從28節(jié)到34節(jié)，在這個(gè)速度范圍內(nèi)，航母平臺(tái)功率與航速大體成立方關(guān)系。適當(dāng)降低對(duì)航母最高航速和彈射功率的要求，可顯著降低對(duì)動(dòng)力功率要求，也就是降低成本。CVN 8X降低成本的一個(gè)重要舉措，就是將航速由“福特”級(jí)的30節(jié)降低到28節(jié)，從而省下1臺(tái)反應(yīng)堆。退一步來(lái)講，即便不考慮成本因素。TVC為艦載機(jī)提供的短距起降能力，對(duì)于某些關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備相對(duì)落后（如航母平臺(tái)動(dòng)力），但又致力于發(fā)展航母的新興海軍國(guó)家來(lái)講也是有意義的——比如法國(guó)海軍的“戴高樂(lè)”號(hào)就由于動(dòng)力不足，最高航速還不到27節(jié)。這是一個(gè)相當(dāng)難堪的數(shù)字，對(duì)航母的作戰(zhàn)效能造成了不小的負(fù)面影響。

除了縮短起降距離之外，TVC技術(shù)還能提高艦載機(jī)的敏捷性。而改善這種能力，對(duì)艦載機(jī)的使用環(huán)境來(lái)講有著特別的針對(duì)性。艦載機(jī)的著艦經(jīng)常被形容成在針尖上跳舞或者是受控的高速墜落，這與陸基飛機(jī)的著陸方式完全不同。下滑角和下沉率是影響飛機(jī)下滑軌跡的兩個(gè)重要因素，要控制飛機(jī)在理想著艦點(diǎn)上安全著艦，就必須明確著艦過(guò)程中的下滑角和下沉率范圍。在著艦過(guò)程中，只有將艦載機(jī)保持在這兩個(gè)指標(biāo)的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，才能保障安全。但在航母平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、尾流和自然風(fēng)的影響下，艦載機(jī)下滑著艦時(shí)的實(shí)際下滑角和下沉率隨時(shí)都在發(fā)生變化。雖然從進(jìn)入下滑道窗口到著艦僅僅30秒時(shí)間，但飛行員則需要反復(fù)調(diào)整飛行姿態(tài)，以確保飛機(jī)在正確的下滑通道內(nèi)。例如，F(xiàn)/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”飛行員在實(shí)施著艦的最后18秒內(nèi)，就需要對(duì)航線、攻角和速度進(jìn)行數(shù)十次微小的調(diào)整。因此降落是艦載機(jī)飛行作業(yè)最危險(xiǎn)的階段，也是飛行員淘汰率最高的階段。而引入TVC技術(shù)無(wú)疑將提高飛行員對(duì)艦載機(jī)進(jìn)場(chǎng)著艦時(shí)的精確控制能力，這相當(dāng)于降低了著艦難度，并使飛行員的安全著艦更有保障。

責(zé)任編輯：王鑫邦

航母是個(gè)系統(tǒng)工程，某種程度上艦載機(jī)也是這個(gè)系統(tǒng)的一部分。艦載機(jī)性能的提升等同于降低了航母的設(shè)計(jì)難度，從而節(jié)約了整個(gè)系統(tǒng)的費(fèi)用。圖為正在對(duì)彈射器進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的“林肯”號(hào)航空母艦。