第二章 成功之路

　　人类航空史上曾经出现过很多种垂直/短距起降飞机方案，其中不少方案已经进入到原型机试飞阶段。但最后定型投产的，却只有鹞和雅克-38 而已——新一代的 F-35C 还在超重的泥潭中苦苦挣扎，距离定型还有相当一段距离。

　　那么究竟是什么原因使得鹞能够在这么多方案中脱颖而出，并成为迄今为止最成功的垂直/短距起降飞机呢？上一章我们已经了解了鹞自身的设计特点，现在我们来和其它同类飞机作个比较。

起降方式

　　在垂直/短距起降飞机发展早期，航空先驱们充分发挥了他们的想象力，为这个全新的机种设计了五花八门的起降方式——只是那时候没人意识到，这实际上成为了垂直/短距起降飞机的第一个分水岭。

　　发展之初，设计人员多倾向于选择机身垂直地面的起降方案（即“尾座式”方案）。其道理是显而易见的：这种方式对发动机的能量应用最彻底（起降时全部用于产生推力升力，巡航时则全部用于推进），并且对飞机没有过多的特殊要求——至少看起来是这样的。最早的巴赫姆 Ba 349 就采用了垂直发射的方式。当然，如我们现在所知道的，Ba 349 飞行时间短，又采用了解体回收的方案，几乎没有碰到后来采用这种起降方式的飞机将要面对的一系列麻烦。

Ba 349 的垂直发射架

　　事实上，机身垂直姿态起降看似简单，但完全忽略了操纵方面的要求。起飞还好说，着陆的时候飞行员将“背朝黄土面朝天”这样倒着“座”下去。这等于是要求飞行员在看不到参照物的情况下将飞机降落到一个指定地点，和盲人骑瞎马没多大差别。第二个问题是操纵系统。垂直姿态起降时，常规舵面完全失效（这一点倒是所有的垂直起降飞机都有的），但飞机的姿态限制使得飞行员的操纵方式和操纵感觉和常规飞机完全不同。无论是加装一套全新的控制系统，还是象鹞那样将两套控制系统整合到一套操纵组件上，都会加重飞行员的负担，训练难度也将大大增加。第三个问题是操纵系统的控制效率问题。垂直姿态起降时，飞机重心一旦偏离理想位置，如果操纵系统无法及时纠正，重力造成的转动力矩会越来越大，最终导致飞机姿态失控。以今天的观点来看，通过多轴矢量推力控制系统可以解决这个问题，但在当时却是毫无可能的。鹞的发展历程已经可以看出反作用力控制系统的功率不足问题，何况垂直姿态起降所需控制功率比水平姿态起降还要大。第四，载荷－航程能力。由于垂直姿态起降时机翼不能产生任何升力，因此这类飞机也无法依靠短距起飞之类的形式来增大飞机的起飞重量。而在当年的发动机功率限制下，这意味着飞机几乎无法携带任何有效载荷。如果说前三个问题是从技术方面限制了尾座式飞机的发展，那么第四个问题则从实用性方面堵死了这类飞机的发展道路。即使到了今天，发动机功率与飞机起飞重量之间的矛盾依然存在，并且仍然对飞机的载荷－航程能力造成相当大的影响。这也是JSF更强调短距起飞垂直着陆的主要原因。

　　因此，在经过了早期的探索之后，尾座式飞机很快退出了航空舞台。

发动机构型

　　从垂直起降飞机问世至今，载荷－航程能力和发动机推力的矛盾始终是限制这类飞机实用性的主要矛盾。而发动机构型设计，则关系到发动机推力的有效运用问题。

　　因此，在选定了飞机起降方式之后，发动机构型成为影响垂直起降飞机发展最重要的因素。面对这样一种全新的机型，没有人知道它应该怎么设计。于是，设计人员充分发挥了他们的想象力，设计出五花八门的各种垂直起降飞机方案。这当中，已经生产出原型机的不同构型就不少于 12 种！（实际上还有一些方案属于上述构型的复合型，这里就不再赘述了。）包括：升力风扇构型（通用电气&瑞安 XV-5A）、滑流偏转构型（瑞安 92 VZ-3）、倾转旋翼构型（代表机型：贝尔 XV-3）、倾转螺旋桨构型（寇迪斯•莱特 X-19）、倾转涵道构型（贝尔 X-22A）、倾转机翼构型（希勒 X-18）、倾转发动机•旋翼构型（贝尔&波音 V-22）、倾转发动机•喷气构型（EWR VJ-101C）、推力矢量构型（霍克 鹞）、升力发动机＋巡航发动机构型（达索 幻影 III-V）、升力发动机＋升力/巡航发动机构型（雅可福列夫 雅克-38）、引射构型（洛克韦尔 XFV-12A）。在这 12 种构型当中，能够满足作战飞机高速、高机动要求的构型实际上只有后面 5 种而已。

　　那么，我们来看看这五种构型各有什么特点。

倾转发动机•喷气构型：

　　这种构型利用转动发动机舱来改变推力方向，从而实现巡航和起降时的推力转向。由于发动机推力既可完全用于产生推力升力，又可完全用于推进，就能量利用率的角度来说，是所有构型中最高的。由于推力升力完全来自发动机，因此发动机必须布置在飞机重心附近。同时，为了方便发动机舱转动，一般将喷气发动机布置在翼尖位置。这就使得机翼的设计受到很大限制——通常只能选择小展弦比梯形翼，以保证足够的结构强度。

　　此外，这种构型的飞机有两个最严重的问题：一，在同时代的技术条件下，发动机推重比变化不大，推力增加必然导致发动机重量上升。如此一来，机翼结构必须进一步加强，同时发动机转动惯量增大，也使得控制更加困难，并且要消耗更大的控制功率。二，同样，同一时代条件下，发动机推力增加还将导致尺寸的增大，而飞机即使采用上单翼，留给发动机转动的空间也是相当有限的。这两个因素直接限制了这类飞机采用更大推力发动机的可能性，使得其发展前景相当黯淡。

　　德国 EWR 研制的 VJ101C 是这种构型为数不多的代表之一。但它存在的意义似乎就是为了证明这条路是不可行的。从 X1 号原型机首飞到放弃该方案，只经过了大约 1 年的时间。后来 1970 年 X2 号原型机再度恢复试飞，但却不再是为了垂直起降计划了。

倾转发动机构型的 VJ101C

推力矢量构型：

　　这种构型是利用改变发动机喷口方向，从而产生矢量推力，满足巡航和起降时不同推力方向的要求。其设计核心思想仍然是增大发动机能量利用率。实际上，相对于倾转发动机构型，推力矢量构型要付出一定的发动机安装推力下降的代价，但同样可以将全部推力用于起降或巡航，并且实现推力转向的代价（重量、消耗功率等）较小。此外，推力矢量使得飞机的过渡飞行相对简单，飞行员有较大的自由控制裕度，降低了训练难度。

　　对于推力矢量构型来说，由于垂直起降的关键都集中在发动机上，因此这类飞机的机体设计接近常规飞机，难度相对下降——除了进气系统。传统方案中，无论是采用 4 喷口（鹞）还是 3 喷口（X-32）设计，由于推力升力完全来自升力/巡航发动机自身，因此为了保证力矩平衡，发动机必须安装在重心附近，这就使得发动机的进气道相当短。进气系统设计人员无疑是最讨厌这种构型的人，因为要在这么短距离内使气流完成减速增压并尽可能减小畸变，其难度可想而知——如果要象 JSF 那样加上超音速要求，那就更令人头痛了。

X-32B 的推力矢量构型，发动机几乎占满了机身，这对空军来说是不可接受的

X-32B 的 F119-614 发动机

　　所以，超音速的 P.1154 性能指标虽然看起来不错，但能否实现却还是一个大大的问号。后来的 X-32 虽然实现了超音速性能，但代价不可谓不大。首先就是进气系统。X-32 设计初期那个“河马下巴”进气口正是为了满足高/低速的不同进气要求而设计的，和 P.1127 初期的“大象耳朵”异曲同工。后来因为重量问题而取消了“河马下巴”，采用折中设计，也是和 P.1127 的发展如出一辙。其次是影响了飞机气动设计。出于多种原因，三角翼几乎是 X-32 唯一的选择——但正是这一点限制了 X-32 后来的改进，成为其落败的原因之一。

X-32B 垂直降落过程

　　70 年代开始，研究人员在推力矢量构型基础上提出了远距加力升力系统（RALS）概念。其发动机基本设计和“飞马”发动机类似，但差别在于前风扇的增压空气不再通过前部矢量喷口排出，而是通过引气管道引入前机身内的加力燃烧室，点火燃烧后向下排出，产生部分推力升力。由于有了引气管道，使得发动机不必安装在重心附近，因而飞机本身设计接近常规飞机，设计难度大大下降。但这一方案由于本身的技术瓶颈，加上高温高速燃气对地面的侵蚀问题一直没有解决，因此始终未能进入实用阶段。1986 年，美英联合进行的先进短距起飞垂直降落技术工程（ASTOVL）中，该方案被再度提出，但仍然无果而终。

升力发动机＋巡航发动机构型：

　　这一构型设计思想最简单，垂直起降升力系统和巡航推进系统相互独立，互不干扰，设计简单，容易实现。其基本思路是，采用一组小型升力发动机，产生垂直起降所需的推力升力，飞机其余部分仍然按照常规设计。由于采用升力发动机阵列，使得即使发生升力发动机单发失效的故障，也不会造成推力升力全部丧失而导致飞机坠毁。但这一构型对发动机能量的利用率也是最低的——巡航发动机的推力不能用于垂直起降，必然加重升力发动机组的负担，并导致重量和内部容积代价的进一步增大；而升力发动机产生的超过全机重量的推力却无法在巡航飞行中使用，无疑是对其重量和体积代价的巨大浪费。此外，以现代的观点来看，多发动机阵列显然不利于维护。即使单台发动机的可靠性较高，但飞机的可靠性却是随发动机数量的增多而下降。何况那个年代的发动机可靠性并不高，这样的飞机如果真的投入使用，无疑是机务人员的恶梦。

　　由于发动机推力的浪费，升力发动机＋巡航发动机构型的载荷－航程问题也更加突出。特别是采用这种构型的试验机往往是从第二代超音速战斗机改装而来，其性能对比更加明显。因此，这种构型在航空史上只是昙花一现，在60年代研制垂直起降飞机的热潮中曾经非常热门的升力发动机＋巡航发动机构型很快就消失了。不过需要指出的是，由于这种构型实现起来比较简单，因而在垂直起降飞机发展早期，作为试验机探索相关领域确实起到了一定的作用（如肖特 SC1 试验机）。

SC.1 在机身中部的中心位置安装了 4 台 RB108 升力发动机

升力发动机＋升力/巡航发动机构型：

　　严格来说，升力发动机＋升力/巡航发动机构型应该算是升力发动机＋巡航发动机构型的改进和发展。两者之间最大的差别是，前者的巡航发动机具有推力矢量喷管，可以在垂直起降中提供部分推力升力，从而在一定程度上缓解了发动机推力浪费问题。当然，所谓缓解是针对垂直起降状态的，在巡航状态下升力发动机依然是必须承受的“死重”。不过，相对于推力矢量构型而言，这种构型对飞机气动外形的影响较小，超音速飞机适用的技术，在这种构型的飞机上也可以使用。因此，如果要求实现超音速能力，升力发动机＋升力/巡航发动机构型可以算是一条捷径。

　　迄今为止，这种构型的飞机定型投产的只有雅克-38。不过，该机实际上放弃了早期的升力发动机阵列构想，只采用了两台科列索夫升力发动机——这个应该是在有限的尺寸限制下满足推力要求而采取的设计，而不是从最初的推力升力裕度角度考虑。由于发动机推力限制，雅克-38 依然未能突破音速，性能也差强人意，勉强可以算作垂直起降攻击机，要用作舰队防空就是强人所难了。作为该机的后继型，雅克-141 或许有机会发展成一种性能比较好的多用途短距起飞/垂直降落战斗机（有报道甚至宣称该机性能堪与米格-29 比肩）。不过遗憾的是，随着苏联解体，雅克-141 停止发展，我们也许永远不会知道一种成熟的升力发动机＋升力/巡航发动机构型飞机会达到一个什么样的水平。不过，从鹞 II 相对于鹞的性能提升，我们可以猜到雅克-141 大致的性能。

从这张结构图可以清楚的看出雅克-38 动力系统的布置方式

雅克-141 的升力发动机＋升力/巡航发动机构型，主发动机的矢量喷管的设计是一个亮点，被移植到 F-35 上

　　说到这里不得不提及 JSF 计划的胜利者——洛克希德 F-35。该机采用了升力风扇＋升力/巡航发动机构型，其基本设计思路和升力发动机＋升力/巡航发动机构型并无二致，可以算是后者的变种，或者说是后者的第三代发展型（如果雅克-141 算第二代的话）。其主要特点是用一台轴驱动的升力风扇取代了升力发动机，所以实际上其推力升力完全来自一台发动机（这时候 JSF 119-PW-611 可以看作是同时以涡扇和涡轴发动机的方式在工作），可靠性相对于同时采用 3 台发动机的雅克-38 自然大大提高，同时重量也要轻的多。特别值得一提的是，该机可以通过改变升力风扇和矢量喷口的推力差来实现俯仰控制，如果没有精确的数字式发动机控制系统以及良好的发动机跟随性，这是不可能实现的。

X-35B 的升力风扇＋升力/巡航发动机构型

X-35B 垂直降落过程

引射构型：

　　在最初提出概念的时候，引射构型看起来是最据吸引力和最有前景的发展方案。和所有其它构型不同的是，引射构型并不是主要依赖发动机产生的推力升力来实现垂直起降，而是将发动机喷流引到引射襟翼出喷出，吸引外界空气流过襟翼，从而使机翼产生升力——这比单纯的依靠发动机推力效率要高得多。同时，由于排气速度和温度大幅度下降，这种构型的噪音、外来物威胁以及对地面的侵蚀程度都明显降低。由于这种构型的难度主要在引气系统和引射系统，因此飞机本身和发动机的设计难度都大大减小了。同时，由于引射系统的高效率，使得在同样的发动机推力下，采用引射构型的飞机可能可以具有更大的起飞重量。

　　但遗憾的是，这些优点迄今仍然只是理论上的。当年根据引射理论设计的洛克韦尔 XFV-12A 是个彻底的失败。由于推力增升未能达到预期目标，以及引射襟翼喷气时产生了复杂的地面效应和干扰问题，使得该机根本无法依靠自身推力垂直升空。这次失败还导致了另一个附加效果——美国海军从此以后坚决反对垂直/短距起降飞机，曾经风靡一时的“制海舰”概念被彻底打入冷宫。

在 JSF 之前，罗克韦尔 XFV-12 是美国最接近实用的垂直/短距起落战斗机

罗克韦尔 XFV-12 本来是准备成为海军的主力垂直起落战斗机的 / 机翼和鸭翼上的百叶窗打开后，引射增生装置就可以工作了，前后左右的引射装置及下面的导流片控制俯仰、横滚和偏航

两架 XFV-12 样机在装配中 / 这是已经装配好的两架样机

鸭翼上打开的百叶窗和喷气导管清晰可见

机尾的“塞”式喷管，在垂直起落状态下，主喷管关闭，喷气流通过导管导向机翼和鸭翼内的引射增升装置

XFV-12 正在准备系留试验 / XFV-12 完成了系留状态下的悬停试验，但还没有进入到自由飞状态下的悬停试验，就下马了

　　在 1986 年的 ASTOVL 工程中，通用动力公司提出了采用引射构型的 E-7 验证机参与竞争。根据当时的宣传，E-7 的推力/升力比甚至可以达到 1：1.5。但最后 E-7 只停留在风洞试验阶段，所以没人知道引射构型是不是真的能够实现这么诱人的目标。E-7 面对的，除了引射器本身的问题外，还有过渡飞行的操纵问题。由于采用引射增升时，发动机喷流全部被用来产生引射升力，所以基本上没有水平推力，那么即便飞机能够升空，由如何从垂直飞行状态转换到水平飞行状态呢？这期间引射器应该如何操纵呢？没人知道。直到 1989 年 ASTOVL 工程下马时，这些问题依然没有解决。于是，曾经颇具吸引力的引射构型再度沉寂下去。

　　如我们所知，上述 5 种构型中，现在真正投入实用的只有推力矢量构型和升力＋升力/巡航发动机构型，也就是鹞和雅克-38。如前所述，鹞的能量利用率更高，而雅克-38 的设计难度较低。在没有更高要求（如超音速）的前提下，鹞的确在性能上占有优势。但面对现代作战环境和军方要求，鹞或者说推力矢量构型是不是同样能够胜任有余呢？