垂直\/短距起降技术前传
时间：2024-11-03 09:25:24
文/鹿鸣
雅克-38是苏联海军航空兵第一及唯一一款服役的垂直起降战斗机，同时也是其第一种实用化的固定翼舰载机型号。2015年9月份，美国公布了新一代垂直起降飞行器的研发路线图，计划在2017财年至2019财年期间对波音、贝尔和洛马等团队提供的垂直起降验证飞行器进行测试飞行，以帮助美军对未来垂直起降飞行器（FVL）的需求和相关的战术技术指标进行探索。随后将在2024年或2025年开始一个为期五年的工程化和制造准备阶段。到2030年则正式启动新一代垂直起降飞行器的量产。这一消息再度引发了人们对垂直起降飞行器的讨论与思考。在垂直起降飞行器中，除直升机外，还有一类能够垂直/短距起降的飞机备受关注。英国的“鹞”式、美国的F-35B和苏联雅克-38等大家耳熟能详的垂直/短距起降战斗机便属于此类。不过，在这些战斗机出现之前，一系列带有试验性质的垂直/短距起降技术验证机为该技术的发展起到了不容忽视的作用。这些验证机检验了人们对垂直起降技术的理论分析，展示了升力风扇和升力发动机的优劣，对于今天想要了解并发展垂直起降战斗机（尤其是舰载机）的人们仍有较大的参考价值。以苏霍伊T-58VD这款由截击机改造而来的短距起降飞机验证机为代表的技术验证机身上凝聚了太多有关垂直/短距起降技术的争论和探索。它们是垂直/短距起降飞机改造及研发史上的珍贵标本。
短距起降时代在召唤
上世纪五六十年代是垂直/短距起降飞机的萌芽时期。经历过二战洗礼的各大航空强国开始反思战斗机的快速反应能力和机场的抗损伤能力。无论是飞机设计单位还是空军本身，都不约而同地将目光放到了飞机的短距起降能力上面。如果飞机能够不依赖机场跑道而直接升空的话，大量在第一波突袭中存活下来的战斗机就能够迅速形成反击力量，不会因跑道被炸毁而失去全部的战斗能力。1956年，法国航空工程师首次提出了“推力换向”的概念。后来，英国工程师对此方案进行了修改，于1957年1月与法国人共同取得了专利权。在短暂而紧张的试制工作之后，英国人制造的2架SC.1垂直起降验证机和法国达索推出的“巴尔扎克”验证机宣告了垂直起降飞机时代的来临。1960年，亚历山大·雅克福列夫在英国范堡罗航展上看到了参展的肖特SC.1验证机后，为其独特的设计所深深吸引，当即决定开展苏联人自己的垂直起降飞机的研发工作。这便是雅克-36、雅克-38乃至雅克-141系列垂直起降飞机的缘起。
然而，在苏联，对垂直/短距起降飞机进行探索的研究单位并没有局限在雅克一家。苏霍伊设计局在上世纪60年代接到了研制短距起降飞机的任务。该设计局准备以T-58D（后来被命名为苏-15）为基础改造出他们研制的首款短距起降飞机。
T-58D一改苏系战斗机的机头进气布局，率先采用了两侧进气的布局方案。基于当时的时代背景，T-58D沿用了大量苏-11战斗机的设计（如起落架、机翼、尾翼等）。1967年7月9日，大批民众涌向中断了6年之久的莫斯科航展，见证了苏-15截击机的首次公开表演。以“保证苏联天空30年的安宁”为誓言的苏-15最高速度可达2.1马赫，装备R-98空空导弹，前缘后掠角达60°的三角翼设计使其成为了那个时代的截击机的典型代表。既然短距起降技术首先要用在国土防空领域，那么T-58D也就成了苏霍伊设计局的不二选择。具备短距起降能力的T-58VD验证机便是在这个背景下诞生的。
苏霍伊T-58VD这款由截击机改造而来的短距起降飞机验证机为代表的技术验证机身上凝聚了太多有关垂直/短距起降技术的争论和探索。升力不够发动机来凑
通常来说，固定翼飞机产生垂直升力的办法有三个：一个是偏转发动机的喷管，二是直接用升力发动机来提供，三是前两种方法的结合，即同时使用升力发动机和带有可偏转喷管的主发动机。T-58VD的垂直升力主要来源于升力发动机。
T-58VD的机身中部被重新设计，有3台RD-36-35升力发动机被安装到了驾驶舱后面的机身中。其中1台升力发动机放在1个单独的隔舱里，靠前布置。另外两台升力发动机放在靠后一点的防火隔舱中。每台升力发动机都可以产生23千牛的推力。两个隔舱的顶端便是升力发动机的进气口，上面有两块可调节开关状态的盖板。机身下部安装有可控鳍板，用来调节升力发动机的喷流角度。另外，为改善飞机在低速状态下的升力特性，外侧机翼的前缘后掠角减小为45°。这种对后掠角进行改动而不是用延长翼展的方式来改善升力的方法体现了当时设计人员对机身尺寸的苛刻要求。从这个细节上可以看到早在这个时候，苏联就已经注意到了垂直起降技术与舰载机之间的联系，毕竟只有舰载机这样的存储空间狭小的飞行器才会对翼展如此敏感。武器系统也暂时被拆卸掉，以减轻升力发动机的负担。
试飞工作进行得很顺利。T-58VD共进行了37次飞行试验。推力强劲的升力发动机让T-58VD拥有了名副其实的短距起降能力。在改型之前，T-58D的起飞滑跑距离为1170米，最小起飞速度为390千米/小时。而拥有升力发动机的T-58VD的起飞滑跑距离仅为500米，在滑跑速度达到290千米/小时的时候就能够起飞。升力发动机将飞机的着陆滑跑距离由1000米减小到了600米，着陆速度由315千米/小时减小到240千米/小时。
但是，升力发动机给飞机带来了太多不便。炽热的喷流让机场跑道苦不堪言，必须要进行防热加强处理，否则漫天飞舞的灼热沙尘将严重影响飞行员的视野，并对发动机的进气环境带来极坏的影响。热喷流在经过地面反弹后会吹拂在机翼下方，这就使得该机原本引以为傲的空空导弹将不能继续挂载在翼下挂架上，这无异于掰掉了猛虎的獠牙。
另外，升力发动机占据了机身油箱的位置，使载油量大幅减少，而发动机的总耗油量却急剧增加。约有三分之一的燃油在起飞阶段就被消耗掉了。还有，飞行员反映该机在低速降落的时候，很难控制住机头上扬的趋势。这导致试飞员不想继续在降落阶段启用升力发动机。有猜测认为在改造过程中设计人员对俯仰方向的配平计算有误，毕竟设计局之前从来没有对采用升力发动机的飞行器进行过相关计算。
如今，升力风扇技术已经得到了实际应用，而人们对升力发动机的争论仍未平息。留下传说优劣任人评
1976年，这架T-58VD验证机被送给莫斯科航空学院成为教具。1980年，该机被拆解成碎片。
有人认为，多台升力发动机的布局方式并非没有可取之处。在飞行稳定性和推力优化方面，该布局有一定的优势。而T-58VD较差的续航能力源自苏-15截击机本身。1967年8月份，苏-15的第一次坠毁事故出现。飞行员在飞行训练中做了多个机动动作，展示了飞机较为良好的性能，但是他忘了时刻关注那个迅速下降的油表指针。燃油耗尽的飞机发动机立刻熄火，使得飞行员只得跳伞逃生。截击机作为国土防空力量，对航程的要求较低，这一特点遗传给了T-5VD。而采用单台发动机的“鹞”式垂直/短距起降战斗机在垂直起降的情况下，携带3颗454千克炸弹时的作战半径只有92千米。可见，即使是单台布局也存在作战半径过小的问题。
实际上，到底是采用单台推力较大的发动机配合可旋转喷管来产生垂直升力和巡航推力还是采用1台推力较小的巡航发动机和多台推力更小的升力发动机来分别负责巡航推力和垂直升力的争论早就存在，并且时至今日这样的争论仍未平息。
1961年8月，北约多国联合提出了VAK-191（VAK为德语VertikalstartendesAufklarungs-undkampfflugzeug的缩写，意为垂直/短距起降飞机）计划。该计划推出的VAK191B飞机共安装3台发动机。1台推力为45.2千牛的RB193-12发动机作为主发动机，通过4个可以旋转115°的喷管来产生推力。2台推力为24.8千牛的RB162-81升力发动机安装在驾驶舱后方。当飞机在平飞状态时，升力发动机关闭，其进气口和排气口也被封闭起来以减小空气阻力。与这种采用3台发动机的设计不同，“鹞”式战斗机只采用了一台发动机。GR.1是英国空军使用的“鹞”式战斗机中的最初型号，采用推力达84.7千牛的罗罗“飞马”6发动机。这两款飞机的战术技术指标接近，起飞重量类似，而发动机布局方案迥异，正好可以用来进行比较。VAK-191B战斗机为减小起飞重量，对发动机的设计和制造工艺进行了大量优化，三台发动机的重量之和比单台“飞马”发动机的重量还要小。针对垂直起降状态而专门设计的多发动机布局方案能够使飞机在这样的状态下有较好的稳定性和操纵性。但是，当飞机转为平飞状态后，2台升力发动机不再工作，变成了飞机上不提供升力也不产生推力的“死重”。而单台发动机则不会面临这个问题。另外，虽然这3台发动机本身的总重量较小，但是为了将发动机固定在机身上而采用的大量承力结构则给飞机增添了不少重量。因此，VAK191B的起飞重量与“鹞”式相当。但是，综合考虑发动机故障率和飞机整体可维护性等因素，单台大推力的布局方案胜过了多台小推力的方案。这也是很多人认为在垂直起降飞机上采用单台发动机的布局较好的主要依据。不过，这个比较基于上世纪60年代的两款机型，有其独特的历史背景和技术局限。在今天，单台与多台之争究竟会有怎样的结果，尚有进一步讨论的空间。
对战斗机、截击机上舰的渴望催促着技术人员进行坚持不懈的努力和充满奇思妙想的探索。但是后来出现的雅克-38的作战半径仍然太小，摆脱不掉“桅杆保卫者”的戏谑称号。
垂直/短距起降飞机有独特的战略和战术价值，尤其是当这种飞机在平飞状态时有着与一般固定翼飞机相当的作战效能时。但是，只有当发动机技术、飞行器与发动机一体化设计方法以及先进控制技术等相关领域的技术取得更进一步的发展的时候，才能够让此类飞行器不用在获得优秀的垂直起降性能的同时以牺牲载弹量、航程和机动性为前提。以T-58VD为代表的技术验证机属于那个用奇思妙想弥补技术局限的时代。现在，优化算法、材料、工艺和控制理论已今非昔比，垂直/短距起降战斗机或许将迎来一个更加美好的蓬勃发展时期。
责任编辑：邢强