“短垂项目”的路线该如何走

郑军

所谓“短垂项目”，是短距起飞/垂直降落飞机推进系统项目的简称，是针对海军两栖作战能力的探索项目。本次沙龙就谈谈中国的“短垂项目”能否后发制人的话题。

郑：现在人类飞行器的飞行速度和高度已经远远超过鸟类，但环境适应性还差很远。飞机越先进、越庞大，起降条件往往就要求越高，这和人们对航空器要求的快速反应是一对矛盾体。例如在两栖登陆作战中，航空力量被视为远距快速打击的主力，但适合常规战机起降的、具有更大甲板面积的大型航母，往往又不适合在两栖作战中使用，因此需要在中小面积甲板起降的“飞行特种兵”。又比如在国土防空作战中，己方的主要机场可能已经遭到敌人先发制人的打击而瘫痪，而垂直起降战机则可以在狭小场地起飞与敌方争夺制空权。因此，不但美英这样重视两栖作战的国家在开发短距，垂直起降战机，就连中国也一度想在上世纪60年代研制短距，垂直起降战机以应对苏联压力。

短距，垂直起降包含4种方式：短距起飞-短距降落、短距起飞-垂直降落、垂直起飞-短距降落、垂直起飞-垂直降落。起降方式的多样化意味着更高的“仿生”能力。而在一些日本军事幻想的二次元动画中，还有一些更极端的“短垂”飞机：譬如把战斗机折叠起来装在垂直发射筒里，作战时直接弹射出去，达到效率的最大化。当然，这超出了现有技术能力。短距，垂直起降技术发展到现在，实际上仍然处于“顾头不顾腚”的阶段，是以损害飞行性能为代价的。从20世纪50年代开始，美英苏法德等国一口气研制验证了几十种短距/垂直起降机型，并诞生了“鹞”式、“雅克”38等型号，但它们普遍存在载荷不足、机动性能较差、航程不够等问题。

这毛病，还是出在发动机上。研发具备短距，垂直起降能力的战机，无论采用单台发动机的共用型推进系统，还是采用多台发动机的组合式推进系统，其本质都是使用向下喷气动力的“蛮力”，将常规空气动力外形的飞机托举起来，然后实现飞行。这种强大的“蛮力”背后是高速高温空气射流。升力越大，温度越高，这不但是对喷管转向密封机构的考验，对起降场地也是挑战。另外，为了产生强大升力，发动机在起飞阶段就会耗费大量的燃料，也限制了战机的作战半径。“鹞”式作战半径为500千米左右，“雅克”38只有200多千米，几乎只能绕着自己的航母飞。至于说超音速飞行，也成了早期短距，垂直起降战机的一大门槛。因为短距，垂直起降能力的战机要么发动机横截面积大，飞行阻力大，限制了飞行速度，要么就是带有升力发动机等“死重”，限制了空战能力。

因此，早期短距，垂直起降战机首先着眼的是“升起来”。这也是美英苏法德等航空强国研发数十个型号的主要原因。当然这里面有很多是看似科幻但毫无实际应用可能的。实用化的路线是材料技术、气动力设计等妥协的结果。“鹞”式、“雅克”38就是这种妥协的典型。

美国在这方面趟了多远的路？

郑：在第一波短距，垂直起降飞机大发展之后，各国才看到这种新飞行器存在的种种限制，因此实用范例非常少。即便是美国，也是从英国引进“鹞”式飞机的技术再加以改进，产生了陆战队专用的AV-8B攻击机。至于苏联，则由于国家解体，“雅克”38的替代型号“雅克”141也只有在首飞之后黯然下马。不过“雅克”141也说明“升力+推力”的组合推进系统能让未来的短距，垂直起降飞机具有更强大的作战性能。

从美国海军的CALF（共同可负担轻型战斗机）计划到后来的JSF（联合攻击战斗机），美国军方极为大胆地以短距，垂直起降飞机为牵引，统合三军的轻型战斗机。然而现实是美国的F-35项目差点被F-35B拖入深渊。美国前任国防部长盖茨差点就将F-35B斩落马下。F-35B采用的是由F-135发动机带动的轴驱动升力风扇方案。由于这种动力方式结构复杂，给整个飞机带来几乎1.8吨的“死重”。而且由于自重增加，F-35B可携带的载荷和燃油量都被减少，隐身性能也因为3轴喷管的设计而下降。因此F-35B引发洛马公司上上下下的“减重大会战”，使用高额奖金来鼓励员工建言献策。F-35B的项目尽管后来保住了，但在重量上的纠缠，使整个项目进度拖延，经费直线上升。

可能有人会攻击美国F-35B的设计存在重大失误。但通过技术分析我们却不难发现，F-35B超重的升力风扇设计恰恰不是失败，而是所有技术路线中最优化的结果。美国在垂直起降技术上有着深厚的积累。上世纪50年代，美国开发了X-5A短距起降验证机；70年代美国为装备“制海舰”而研制XFV-12，使用了引射增升动力，但以失败告终：80年代美军为替换“鹞”式开发了超音速先进短距起飞/垂直降落替换飞机，一口气拿出了4种升力方案，包括推力矢量控制、混合串列风扇、引射增升和远距增升系统等，但均不能完全满足要求。在F-35B研发中，美方已经清醒地认识到，以当时的技术水平和研发投入，还是要以相对保守的组合型推进系统为主，而且看上去是死重的升力风扇也并不能舍弃。美国波音竞标的X-32B采用了更先进的共用型推进方式，升力和推力由一台发动机提供，占用空间小，不带来死重，但问题是升力要损失高达60%。而反观F-35B，为减少技术风险放弃了燃气驱动风扇，转而采用更成熟的轴驱动风扇。3轴承偏转喷管技术也有俄“雅克”141的R79发动机在前面“开路”。这些成熟的技术保证了F-35B升力系统的可行性。F-35B尽管存在诸多毛病，但升力风扇的提升力是有效的，也最大限度实现了三种机型通用设计、超音速性能等基本目标。

在2010年6月10日，F-35B首次实现了突破音速的飞行。美方宣称这是人类历史上首次垂直起降隐身飞机具备超音速飞行能力。2011年10月，F-35B又成功实现在两栖攻击舰上垂直着陆。随着2012年一系列武器相关试验的开始，F-35B已度过了最危险的时期。2015年，F-35B开始向具备“初始作战能力”（IOC）做准备。美军陆战队的目标是7月15日，力争成为F-35系列战机中最早达到IOC状态的机种。F-35B要达到IOC状态，就要安装block2B阶段的新软件。F-35B现在安装的是block2A软件，速度被限制在0.9马赫，攻角被限制在18度，最大过载只有4.5g：而升级到block2B软件后，速度可达到1.2马赫，实现了超音速飞行，攻角可达50度，最大过载达到5.5g，还具有发射AIM-120、激光制导炸弹、JDAM弹药等能力。

但这并不意味着F-35B形式大好。F-35B的设计目标是达到速度1.6马赫和最大过载达到7g的目标，这要等到软件升级到Block3F阶段。美军的测试人员也承认仍存在诸多挑战。F-35B走了一条技术最优化的线路，但这条线路最底层的基石，是F-135这样的推比超过10的强大发动机。我认为，回顾F-35B整个发展历程。F-135让F-35B飞了起来并落了下去，还实现了超音速飞行，但未来能否实现速度1.6马赫和最大过载达到7g的设计目标，很难下结论。因为这涉及到F-135还有多大潜力。2014年6月一架F-35的F-135发动机爆出了“起火”事故，源于F-135第三级整体叶盘风扇叶片与机匣摩擦。第三级整体叶盘位于F-135风扇部分的最后，将空气压缩后送入高压核心机。风扇的每一级由位于机匣内的静子和转子组成，机匣内壁衬有耐磨层以保持叶尖和内部之间紧密的间隙。足够小的叶尖间隙能降低压力损失，并允许发生一些摩擦。着火的AF-27号飞机的发动机叶片摩擦情况远远超出了设计范围，产生了额外的热量和叶片上的微小裂纹。由此导致的高循环疲劳失效导致叶片发生“破碎”，并引发火灾。

美国国防部当时认为这是一个孤立事件，但在去年9月份美国国防部F-35项目负责人博格丹中将承认问题比想像的严重。美国给出的解决方案是采用某种叶片“烧蚀”处理来避免F-135发动机在飞行包线边缘运行时的叶片摩擦。但在今年3月底，美国国防部认为这不是一个办法，普惠公司必须找出更有效的长期解决方案。而在此之前，F-35只能在特定飞行包线范围内飞行。

从上述案例不难看出，F-135的大推力源于发动机设计的极端化。也就是说F-135几乎达到了现有喷气动力的极限，稍微在飞行包线边缘的飞行，都有可能导致事故的发生。这次出事故的是F-35A型，而F-35B发动机的工作环境也同样恶劣，甚至有过之而无不及。有理由猜测F-135发动机能否适应美军空中打击的高出勤率，一位飞行员驾驶F-35B从两栖攻击舰起降执行任务的过程中，心里有没有底？

现有路线是否已到尽头？

郑：中国发展武器装备不可能忽视美军走过的道路，这不意味着要跟在美军后面亦步亦趋，但至少会有一个“扬弃”的理性选择。中国如果要发展“短垂”项目，我们不妨分析一下。按照新闻里面的说法，研制的是“短距起飞/垂直降落飞机推进系统，是针对提高海军两栖作战能力，填补该类作战武器装备空白而进行的探索项目”。既然是“飞机”和“作战武器装备”，那么就应该是用于对地攻击和战场支援的攻击机，而不是V-22这种倾斜式旋翼机或者像上世纪60年代德国开发的DO-31E垂直起降运输机，更不会是类似现在美军正在预研的以涵道风扇为动力的“空中可重构式嵌入系统”（ARES）。

既然是战斗机或攻击机，那么我们就要判断一下，中国的“短垂”战机要走哪条路线。更重要的是，这条路线中也包含着“短垂”项目发动机的探索路线。

完全照搬英国的“鹞”式短距起飞，垂直降落飞机是一条路。尽管“鹞”式是40多年前的老装备，但历经马岛战争、海湾战争等实战洗礼，证明是一种有效的两栖作战装备。虽然“鹞”式载弹量和航程有限，但对提升中国海军两栖攻击能力来说是显著的，也弥补了空白。而且中国现在航空材料上的发展，也能够进一步改进“鹞”式的载弹量和航程等性能，接近甚至超过AV-8B+的水平。至于“鹞”式的“飞马”发动机，乍一看是台古董，但历经罗罗几十年改进，其最新、推力最大的Mk.107型即美方使用的F402-RR-408发动机开发于2000年。如果中国开发出自己的F402-RR-408，将是中国发动机行业的一大跨越。

但这条路的弊端在于，“鹞”式的路线过于保守。由于采用了共用式推进系统，“鹞”式尽管性能比同期的“雅克”38强得多，但超大的进气道、厚重的超临界机翼都表明这是为全力发挥发动机的升力性能。而对于中国来说，就意味着不但要预研发动机，而且不能在现有战斗机上进行改装而要重新设计。无论是歼-7、歼-8、歼-10还是歼-11甚至歼-31、歼-20，使用类似“鹞”式的共用式推进系统是不大可能飞起来的。因此中国走“鹞”式路线，即便不是照抄“鹞”式的外形，也要设计一种新的气动力外形，以满足共用式推进系统垂直起降的需要。而且这种路线的外形多“粗大彪悍”，跟超音速飞行无缘。中国航空工业忙活了半天，甚至在型号研制任务如此繁重的时候，要重新设计制造一种亚音速的垂直起降战机及相关发动机，有点“得不偿失”。

因此中国的另外一条路线，就是从现有装备平台出发，通过改造和加装新型垂直起降动力来实现突破。从路线上看，这和美军的JSF项目有些反其道而行之，不是以三军通用作为初始目的，而是从现有空中作战平台中延伸出两栖作战专用的“垂直起降战机”。

走这一条路，美军F-35B的组合式升力方案就是不得不考虑的路线。因为这种方案最大限度容纳了美军三军通用的需求，而从中国角度看，这条路线最适合现有平台的改装和改进。其优点首先是效率高，这对于中国尚不先进的发动机技术来说尤为重要。第二是像F-35B那样在飞机前方安装升力风扇，不会大幅改变飞机重心和飞机的横截面积，减少改装的难度，有利于保持原有飞机的超音速性能。

减少改装难度，只是降低工程复杂程度的一个方面，“短垂”战机的关键还是发动机。有一个有趣的“谣言”：中国为歼-20准备的涡扇-15第四代发动机，其技术是源于当初苏联为雅克-141研制的R-79B-300发动机。这等于说中国第四代战机已经提前做好了向垂直起降战机发展的准备。事实上，这是一个中国网友编造的“善意谎言”。中国的第四代发动机和俄罗斯的R-79可能毫无关系，但中国垂直起降战机的动力还得来自面向歼20的第四代航空动力，因为只有推重比达到10以上，才有可能为垂直起降战机提供足够的升力。在新闻曝光的中国“短垂”项目中，设计研发的主要部门是中航空天发动机研究院，成发是项目加工方。不能小视这个“项目加工”，因为垂直起降战机需要的是一种特殊的“推力矢量发动机”，和一般战斗机发动机相比，有很多需要特别制造加工的部件。

例如已知的所有可实用的垂直起降战机都无法回避一个关键技术，就是大角度偏转的发动机矢量喷管。首先是密封的问题，矢量喷管一般安装在发动机加力燃烧室后面，喷管在热燃气环境中应保证结构的完整性，避免高温燃气泄漏造成火灾，另一方面良好的密封性能可减少喷管漏气造成的推力损失。其次是冷却，因为喷管处于偏转状态时，弯曲的型面会造成喷管壁面温度分布不均匀，从而引起局部温度过高使喷管发生形变。通常采用气膜冷却方式从发动机冷流部件引出冷却气流对喷管壁面进行冷却，同时起到降噪作用。F-35B的3轴承偏转喷管采用双层壁面的结构形式，冷却气流从双层壁面之间流过，降低了内壁面对外壁面的热传导且使内壁面温度降低。最后是减重。矢量喷管在做到前两点的同时，还要尽可能减轻重量，使用复合材料等先进材料技术。

以上只是垂直起降战机动力复杂性的一个方面，还没有涉及喷管偏转机构设计、飞机整体平衡、飞火推一体设计等更为复杂的技术挑战。

技术方案上能不能另辟蹊径？

郑：从需求上看，中国海军对垂直起降战机的需求并不是凌驾其它一切作战飞机的。中国海军舰载航空兵对歼-15这类主力固定翼战斗机的需求肯定是最高的，其次岸基航空兵部队也需要大量先进飞机。因此在这个“短垂”项目上，中国是有填补空白的需要，但要有一种“非功利”的从容心态。在官方新闻中，对“短垂”项目的定位是“探索”。这一来说明了技术的复杂性，二来提出一个问题：有没有必要跟着F-35B的路线走？

应当承认，F-35B的升力风扇+三轴承偏转喷管的组合型推进系统是当今超音速垂直起降战机最优化的动力路线，但其中还有优化空间。例如取消F-35B的轴驱动升力风扇而改为燃气驱动升力风扇，可以进一步降低“死重”。另外中国没有像美国JSF项目那样严苛的通用化要求，因此可基于现有飞机平台探索垂直起降动力。比如歼-10的进气道与X-32B有相似之处，如果搞成“短垂”版的歼-10，作为一种验证平台，甚至未必追求超音速性能，也未必非得追求垂直起降，只要实现短距起飞、垂直降落也是一种巨大的成就。

从X-35B可看出，其技术路线尽管是美国“最优”的选择，但这种机械式矢量喷管和升力风扇的组合已接近发展极限。那么能不能摆脱这种旧有的窠臼，转而走向气动，机械复合喷管甚至开发气动推力矢量技术而采用固定式的几何喷管，这就大大简化了现有垂直起降战机动力的死重和复杂程度。相对于跟踪F-35B的路线，应该提倡这种未知领域的探索。虽然这种探索很可能以失败告终或仅有有限或极不成熟的成果，但这对中国海军来说是可承受的，也不影响海军的装备发展。

[编辑/旭日]