「新2集团」美军已经让F-35B玩得欲仙欲死,中国还会研发垂直起降战机?

时间 :2020-01-11 12:25:33

「新2集团」美军已经让F-35B玩得欲仙欲死,中国还会研发垂直起降战机?

新2集团,摘要:2015年3月,一则神秘的新闻显示,中航工业成发与中航空天发动机研究院就短垂项目加工合作举行签约仪式。而所谓的“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。很多网友惊呼,难道中国海军将来会有自己的av-8b甚至f-35b战斗机来装备两栖攻击舰吗?中国“短垂项目”会朝那个方向发展,能不能实现后发制人,后来居上呢?

作者:郑文浩

短距/垂直起降:看上去很美

中国上世纪60年代曾以歼六为基础研制垂直起降战机

像鸟儿一样飞翔,一直是人类的梦想。现在人类飞行器的飞行速度和高度已经远远超过鸟类。但从环境的适应性上,人类还差的很远。人类的飞机越先进、越庞大,所需要的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。例如在争分夺秒两栖登陆作战中,航空力量作为远距快速打击的平台,被视为实施攻击的主力;但同时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,因此需要在中小甲板面积起降,具有短距/垂直起降能力的“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,不但向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前苏联的军事压力。

英国“鹞”式垂直起降战机

短距/垂直起降,实际包含了多种起降方式。起降方式的多样化,实际意味着更高的“仿生”能力。短距/垂直起降更像自然界的鸟类,因此能够最大限度利用两栖作战舰艇较小的甲板面积。而在一些日本军事幻想的二次元动画中,还有一些更为极端的“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,这只是军事上的幻想,超出现有技术的实现能力。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。也就是说,短距/垂直起降飞机尽管在有限的甲板条件下,实现了战斗机的快速起降,能为战场即使提供火力支援,但这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具备短距/垂直起降能力的飞行“变形金刚”,并相继诞生了英国“鹞”式、前苏联“雅克-38”等实际应用的型号。但它们普遍存在载荷不足、机动性能较差、航程不够等问题。

短距/垂直起降能力的战机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。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,也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公里左右,“雅克-38”的就更可怜,只有200多公里,等于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飞行式的“死重”,从而无法实现更快速度的飞行。也就限制了空战能力。因此,早期短距/垂直起降能力战机的发展,首先着眼的地方是“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的可能性。然后再抛弃不现实的方法,从中寻找可能实用化的技术路线。这种实用化,是材料技术、气动力设计等诸方面妥协的结果。而“鹞”式、“雅克-38”就是这种妥协的典型产物。

美国趟了多远的路

具有超音速能力的“雅克-141”

在第一波短距/垂直起降飞机大发展之后,各国才从美好幻想的中解脱出来,看到了这种新飞行器现实存在的种种限制,因此实用化范例非常少。即便是美国,也是从英国引进了“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。至于前苏联,则由于国家解体,“雅克-38”的替代型号——具有超音速能力的“雅克-141”也无力维持只有在首飞之后黯然下马。但是在新一波的四代机装备浪潮中,美军竟再次将短距/垂直起降飞机纳入到视野当中。这一部分原因是美国对于自己独步全球航天技术强大积累的自信,另外一方面也是前苏联“雅克-141”的诞生,说明发动机技术的发展,“升力+推力”的组合推进系统是有前途的,能够让未来的短距/垂直起降飞机具有更强大的作战性能,甚至能与常规战斗机一较高下。

f-135发动机带动的轴驱动升力风扇方案,前面的一大坨的升力风扇,就是和战斗飞行毫无关系的死重

从darpa和美国海军的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,简化维护,降低购买成本。然而现实情况是美国的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”。f-35b在研制初期饱受“超重”的困扰,导致升力不足。而且由于自重的增加,f-35b可携带的载荷和燃油量都被剥减少,航程和作战半径都要被迫缩水,隐身性能也因为3轴喷管的设计而下降。因此f-35b引发洛克希德公司上上下下的“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。

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。

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。正如前文所述,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;上世纪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;上世纪80年代美军在引进“鹞”式战机后为由开发超声速先进短距起飞/垂直降落(astovl)替换飞机,一口气拿出了4种升力方案,包括先进的推力矢量控制、混合串列风扇、引射增升和远距增升系统等,但这4种方案均不能完全满足要求。

在f-35b研发中,经过前面的技术探索,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%。再美妙的设计,如果飞机飞不起来,一切都是白搭。而反观f-35b,为了减少技术风险,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罗斯的yak-141型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、超音速性能实现等基本目标。

超音速飞行的f-35b战斗机在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形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似乎已经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现有安装的是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,另外还具有了发射aim-120导弹、激光制导炸弹。jdam弹药等能力。

一架f-35的f-135发动机“起火”后的惨状

但这并不意味着f-35b就一片大好。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。就连美军的测试人员也承认未来仍然存在诸多挑战。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。笔者个人认为,回顾f-35b整个发展历程。f-135让f-35b飞了起来、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还有多大的油水可榨的问题。

我们有理由猜测,游走在刀尖上的f-135发动机,能否适应美军空中打击的高依赖性和飞行机队的高出勤率;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:已到尽头

上世纪60年代德国开发的do-31e垂直起降运输机

扯了半天美国短距/垂直起降战机的发展,似乎和本文有点不搭调。但讨论中国的装备发展,什么时候又少得了美军这个“军事革命的明灯”呢?因为中国发展现代化武器装备,不可能忽视美军所走过的道路。这并不意味着中国就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,我们不妨一层层抽丝剥茧来分析一下。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”,那么就可以排除旋翼类推进的飞行器和运输、侦察等使用目的,而是类似于外军直接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)。

如果中国能开发出中国自己的f402-rr-408(上图),那也绝对“不栽面儿”而是中国发动机行业的一大跨越

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”战机要走哪一条路线。更重要的是,这条路线中也必然包含着“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。但不可否认的是,“鹞”式不但是第一种实用化的短距/垂直起降“战机”,而且历经英国的使用和美国的改进以及马岛战争、海湾战争等实战洗礼,证明是一种有效的两栖作战空中作战装备。虽然“鹞”式载弹量和航程有限,但对于提升现有中国海军两栖空中攻击能力来说是非常显著的,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,接近甚至超过美国av-8b+的水平。至于“鹞”式的“飞马”发动机,尽管乍一看是台老古董,但历经英国罗罗公司几十年的改进,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。如果中国成发能够在探索预研中,开发出中国自己的f402-rr-408,那也绝对“不栽面儿”而是中国发动机行业的一大跨越。

注意看“鹞”式超大的进气道和厚重的超临界机翼

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”式尽管性能比同期前苏联的雅克-38强得多,但超大的进气道、厚重的超临界机翼,都表明这是为了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”式的路线,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以及相关发动机,有点“得不偿失”。

美军f-35b的组合式升力方案就是不得不考虑的路线

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,不是以三军通用而初始目的,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,而从中国角度来看,这条路线则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。

r-79b-300发动机

减少改装难度,只是降低工程复杂程度的一个方面,中国“短垂”战机项目能否成功,关键问题还是在于发动机。说到发动机,还有一个非常有趣的“谣言”:中国为歼-20准备的涡扇-15第四代发动机,其技术是源于当初前苏联为雅克-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”,其来源是2007年《科学中国人》杂志对著名航空动力专家江和甫的一篇介绍文章。中国网友通过“添油加醋”,创造出了一引进俄罗斯技术,开发中国新一代航空发动机(包括垂直起降动力)的奇妙故事。这一谣言不但广泛流传于中国网络,而且让一些外媒也上当受骗。

中国的第四代发动机和俄罗斯的r-79可能毫无关系,但正如前文所述,中国垂直起降战机的动力,还得来自于中国面向歼-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,而成发只是项目加工方。当然,我们也不能小视这个“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。

f-35b战斗机的3轴承偏转喷管看似简单但内部结构异常复杂

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战斗机的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而一个方面,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。至于成飞具体是负责那一部分,只能留给各位读者脑补了。但有一点是肯定的,这绝不是一个“好啃”的项目。能不能另辟蹊径

从需求上来看,中国海军对垂直起降战机的需求,并不是凌驾其他一切作战飞机的。中国舰载海军航空兵对歼-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,但没有必要死气白咧地往前赶。因此要有一种“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:有没有必要跟着美国f-35b的路线向前走?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,但其中还有可能的优化空间。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”。

歼十战斗机

另外,项目的探索就要允许走不同的路线。例如类似于x-32b的共用型推进系统也不是不能拿来研究。中国没有像美国jsf项目那样严苛的通用化要求,因此可以基于现有飞机平台,探索垂直起降动力的新领域。比如歼十这种下颌式进气道,能否借鉴x-32b而采用共用型推进系统,这种“短垂”版的歼十,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。

国外设想的新一代垂直起降战机

如果我们更加狂想一下,“探索”更应意味着未知领域的开发。从美军的x-35b战机可以看出,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经接近于发展的极限。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。当然上述技术涉及到发动机的前沿领域,需要中航空天发动机研究院在“短垂”项目上的发散性创造思维。相对于跟踪美国f-35b的技术路线,我们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者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,也不影响中国海军的装备发展建设。相反,若干年后中国第五代甚至第六代航空发动机的面世将让中国上马更先进垂直起降战机成为可能,而届时中国海军的“新玩具”将有可能受益于今天的探索和研究。



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