宏亮瞻局｜垂直起降专利背后的技术脉络（上）

近期，一项关于双发串联垂直起降战斗机的专利再度引发讨论。该专利很可能表明相关机构一直通过各种方式努力推进着自己的垂直起降战斗机计划。毕竟在已经拥有4万吨级大型两栖攻击舰的情况下，为其配备具备垂直/短距起降能力的固定翼作战飞机，从而充分发挥该大型平台的作战潜能并不难理解。

单发还是双发

对于这项专利本身，并无更多具体信息流出，但仅从已公开的“专利说明书附图”还是能看出一些端倪。图中显示其采用了两台发动机，位于机身前部的前置发动机采用背部进气，其动力通过机身中部两侧对称布置的两个矢量喷管输出，这对喷管在垂直起降时喷口朝下，主要用于提供升力，当飞机转入平飞时喷口转向后方，还可以提供一定的水平推力；在机身后部布置有另一台通过机腹进气道进气的发动机，该发动机的尾喷口在垂直起降时偏折朝下，与机身中部的两个喷口共同提供升力与平衡力矩，进入平飞后喷口转向后方，为飞机提供主要的水平推力。

垂直起降战斗机的关键技术之一就是特殊的动力系统。

应该说仅从附图来看，该项设计并非特别惊世骇俗。从中我们可以看到西德冷战时期的VAK 191，以及波音参与JSF竞标的X-32等多个方案的共通之处。该专利选择了多发而非当下流行的单发动力配置也非常值得关注。本文也将就此问题重点展开讨论。

在探讨固定翼垂直/短距起降飞行器到底应该采用多发方案还是单发方案前，首先有一个基本逻辑似乎已成共识，即对于这样的大型工程技术项目来说，在同样符合需求的前提下结构越简单越好，相对简单的结构一般具有更高的可靠性、可维护性，也往往意味着成本的降低及更容易大批量制造——但事实真的是这样吗？

我们很容易找到例子来证明上述结论，比如结构简单的AK-47就是比M-16抗造；再比如第一级只采用5台发动机的“土星”5号火箭战胜第一级采用30台发动机的苏联N-1运载火箭，为美国赢得了登月竞赛的胜利；还有二战中被T-34坦克海淹没的“虎豹”……   

然而，既然道理如此浅显易懂，却为何还是不断有人反其道而行？让我们回到本文的主题，自冷战至今各航空大国出台的那些垂直起降战斗机方案中，多发方案数量远超过单发方案。难道前者的设计师们不知道仅用一台发动机的“简单结构”就能实现“更可靠、更容易维护、成本更低也更易于大批量生产”的垂直起降？显然，问题没那么简单。

目前，现役的垂直起降战斗机都采用单发设计，图为美国F-35B垂直起降战斗机。

“一台顶多台”悖论

与常规动力布局的战斗机相比，垂直起降战斗机的技术难点主要在三方面：一是具备推力矢量技术的高推重比大推力涡扇发动机；二是为实现垂直起降而专门研制的特殊动力系统方案；三是能够满足垂直起降特殊要求的飞控软件和推力矢量控制软件，三者缺一不可。那么问题来了，一台发动机的确“省事儿”，但一台发动机的动力却并不一定足以支撑固定翼战斗机垂直起飞时所需要的巨大升力；同时，由于固定翼战斗机在垂直起降时需要多股（至少两股）升力来维持姿态稳定，一台发动机如何实现动力分流将是一项巨大的技术挑战；另外，多台发动机“各司其职”（至少主要承担某功能）的相对固定物理布局显然能够降低飞控软件的研制难度，一台发动机则需要同时兼顾提供升力、水平推力以及介于两者之间的微妙变化，这些变化随时会影响飞机的飞行姿态甚至飞行安全，其推力矢量和整机气动控制的难度自然会爆表。

由上可见，单发方案其实不一定更简单，如果没有强大的技术能力和更优化的整体设计保障，一台发动机反倒会增加整个战斗机系统的复杂程度，因此也难以达到所谓“更可靠、更容易维护、成本更低也更易于大批量生产”的目标。

反之，如果真的有一台动力足够强劲甚至冗余的发动机，它能够合理地实现动力分流从而平衡垂直起降力矩，又有强大的自动化控制软件保障战斗机的飞行姿态，那么单发就应该是更好的选择。与多发方案相比，单发方案其实并非一定“更可靠、更容易维护、成本更低也更易于大批量生产”，比如“一台顶多台”的超强发动机其复杂程度与制造成本甚至可能超过多台普通发动机之和。但对于多发方案来说，其各台发动机“各司其职”的结果是每台（或部分）发动机在完成自己的任务后就将变成“死重”，比如升力发动机在战斗机转入巡航状态后就基本闲着，从而严重影响整架战斗机的综合性能，单发方案的最大优势也正在于其动力可以100%用于各类工况，死重被降到最低（尽管不是绝对没有），这才是垂直起降单发方案的精髓。

VJ101是战后联邦德国研制的一款喷气式垂直起降验证机。

“飞马”的划时代创新

早在上世纪40年代初，即二战期间，就有一些人在探索固定翼飞机垂直起降技术。当时，英国有人提出将喷气升力发动机装于飞机上，来实现垂直起降。40年代末，美国也开始对各类垂直起降飞机模型进行研究，但因当时的喷气发动机的起飞推力达不到将喷气战斗机垂直升起的要求，最终没能获得成功。50年代中期，核大国的战术核武器已对准了每一个已知的机场跑道，这就使研制垂直起降和短距离起降飞机一度成为刚性需求。

进入60年代，各航空大国推出的多个垂直/短距起降战斗机方案如雨后春笋般出现，其中既有单发方案，也有多发方案。尽管后来的战场需求变化和技术难题导致其中大部分方案没能修成正果，可最终还是有两个型号最终服役——应该不是巧合，它们正好分别代表了单发和多发两种技术路线。

“飞马”发动机的四个喷口的可偏转角度非常灵活。

由英国霍克·西德利飞机制造公司（后并入英宇航）研制的“鹞”式战斗机于1966年首飞，1969年正式服役，这是全球第一款批量投入使用的垂直/短距起降固定翼飞机。“鹞”式采用单发方案，其一改喷气式战斗机将喷口置于机尾的最优选择，为了实现垂直起降在机腹两侧的翼根下方附近呈梯形布置了4个发动机喷口（位于梯形四角），每个喷口都具备推力矢量能力。除了4个可旋转0至98.5度的喷口外，在机翼翼尖、机尾和机头还安装有甲烷喷嘴，用于飞行姿态的微操。当喷口向下时，产生的推力可使飞机垂直上升或缓冲垂直降落；短距起飞时，喷管水平向后产生向前的推力，使飞机滑行加速，然后喷管迅速向下旋转60度，再借助头部甲烷喷嘴的作用，使飞机迅速离地起飞；当喷口向后时，产生的推力可使飞机前进；当四个喷管偏转超过90度，这时如果是在地面着陆滑行就可以产生反推力刹车，而如果是在空中飞行还可以使飞机倒退飞行。   

作为一款单发垂直起降战斗机，“鹞”式率先尝试并实现了从一台发动机分流出多股喷气动力，结合可偏转的推力矢量喷口，从而让飞机可以在垂直起降和正常飞行状态间按需切换，同时，该型机四个喷口的可偏转角度非常灵活，这让其可以实现短距起降，并根据空战需求对推力矢量做精确控制，进一步为飞机提供了额外的机动性能，这也成为今天四代半及第五代战斗机推力矢量技术的早期实践。

雅克-38垂直起降战机。

不难看出，特殊的动力系统是“鹞”式的灵魂所在，而这还要得益于一位法国工程师的奇思妙想。米歇尔·威博特在上世纪50年代构想了这样一台发动机：将发动机主轴延长，驱动四台可以倾转的离心式压缩机，产生垂直升力，主发动机喷口也用百叶窗导流板将剩余推力用于垂直起降。然而威博特的设计在法国本土并没有被重视，其随后与英国布里斯托尔航空发动机公司（后并入罗-罗公司）合作，最终成果就是著名的“飞马”发动机，该款发动机也成为后来“鹞”式及其庞大衍生家族的“心脏”。（未完待续）