大话直升机

王铁匠

还没完，累死我了，我们想到的，人家已经验证过了，先歇会儿

王铁匠

大话直升机 第8章
作者: 西西河
　　采用各种增升手段实现垂直起落，在理论上效率可以比直接喷气产生更大的升力，但在实用中问题多多，常常不能实现理论上的优越性。相反，直接用喷气发动机产生升力，既不取巧，也不用担心理论和实际的匹配问题，至少是踏实的。50 年代时，体积小、推力大的喷气发动机技术为航空界吹入了一股新鲜空气，罗尔斯.罗伊斯一马当先，推动专用的升力发动机的发展。从航空发动机公司的角度，研制专用的升力发动机十分有利。从技术上说，升力发动机要求推重比大，但工作条件简单，工作时间不长，用专用的升力发动机，容易对这一特定的工作条件最优化，用较简单的技术，实现很高的性能和可靠性。从生意的角度，一架飞机同时采用升力发动机（尤其是多台升力发动机）和推力发动机，这一笔生意就做出两笔的钱来，何乐而不为呢？罗尔斯.罗伊斯的策略是研制小巧的专用升力发动机，所以一架飞机上可以用多台升力发动机，便于在气动上平衡，也便于的结构上安装，还可以根据飞机的重量增减升力发动机的数量。1954 年英国的 Short 飞机公司首先将 4 台罗.罗 RB108 升力发动机垂直安装在中机身重心周围，另外再水平安装一台 RB108 在机尾，用作推进发动机。




Short SC-1 研究机，世界上第一架喷气式垂直起落飞机 / 图中可以看到机背上四台升力发动机的进气门，和机尾垂尾根部的推进发动机进气口
　　同期，法国也在紧锣密鼓地研制自己的垂直起落战斗机，以幻影 III 为基础，把 8 台 RB108 两列分组纵向布置在加宽的中机身，前后由主起落架隔开，左右由推进发动机的进气道隔开，两个一组以加强可靠性，每组共用进气门和排气门。飞机被命名为巴尔扎克 V（V 指 vertical，垂直），或许是看着它比较胖吧（作家巴尔扎克是一个胖子）。巴尔扎克尽管胖，这是第一架超音速垂直起落飞机。面对冷战威胁，北约上下的共同认识是，固定机场的优质混凝土跑道靠不住，新一代空军必须在不依靠机场跑道的分散部署、灵活出动上下功夫。在接下来的北约垂直起落战斗机竟标中，法国的幻影 III V 和英国的 P.1154 共同得标。但北约并不拨款，进一步的研发还是要靠东道国。法国继续使用罗尔斯.罗伊斯的升力发动机，这次换用更先进的 RB162，推重比达到 16：1！推进发动机加 SNECMA 的 TF104 加力涡喷（后先后改用 TF109 和美国的普拉特.惠特尼 TF30 涡扇），垂直起落和悬停中的飞行控制改用首尾和翼尖的姿态控制喷嘴。幻影 III V 在 65 年 2 月首飞，66 年 3 月首次完成垂直起落到水平飞行的转换，在以后的试飞中，最高速度达到 M2.04，至今仍然是垂直起落飞机的最高速度纪录。巴尔扎克 V 和幻影I II V 证明了一点：任何飞机只要安装足够多的升力发动机，总可以实现垂直起落，问题是这些升力发动机占用了大量机内体积，燃油和武备就没有地方了。在一次试飞中，来自美国空军的一个试飞员在低空悬停和机动动作中，动作正在兴头上，燃油耗尽，被迫弹射逃生，飞机报销。


胖胖的巴尔扎克 V 升空了，不知道那位 MM 在试验场地做什么？和巴尔扎克调情？


不大的巴尔扎克机体内塞满了升力发动机，根本不给燃油和机载设备留下多少空间


幻影 III V 在悬停中，可以清楚地看到机背打开的进气门


幻影 III V 试过两种升力发动机的进气门：开门式（前图）和勺式（本图）


洛克希德 XV-4B 研究机是在引射增升失败后，安装升力发动机的产物，还没有来得及做悬停，就在一次常规飞行中失事
　　意大利在现代航空界中不大起眼。作为北约内部分工，意大利在 50 年代受命设计轻型攻击机，其结果就是 Fiat G.91。G.91 轻巧、灵活，曾作为北约标准攻击机，装备意大利、西德和其它北约国家，但到了 50 年代末，已经过时。在北约大规模核报复战略指导下，意大利也开始研究可以垂直起落的 G.91 的替代飞机，代号 G.95。在研制过程中，方案摇摆幅度很大，从高亚音速攻击机到超音速战斗机，一应俱全，但都采用专用的升力发动机，其中 G.95/4 还做了台架试验。最后 G.95 计划和西德的 VAK-191 合并。




在现代航空界中并不起眼的意大利，在 60 年代也研究过垂直起落战斗机。意大利的目标是研制 Fiat G.91 的替代，代号为 G.95 / G.91 到 G.95 的研制思路的演变，其中 G.95/6 可以达到两倍音速，最后方案定在 G.95/4，采用 4 台专用的升力发动机，巡航发动机后置，进气道从升力发动机两侧绕道




G.95/3 的方案比较有意思，除了机身内前后的升力发动机外，机身两侧的升力-巡航发动机索性和机身平行，不和升力发动机抢地方，垂直起落时，升力-巡航发动机的主喷管关闭，喷气从中间就向下偏转，产生升力 / G.95/4做了台架试验
　　苏联对垂直/短距起落战斗机具有和西方同样浓烈的兴趣，除了雅科夫列夫设计局专职设计垂直起落战斗机外，米格设计局和苏霍伊设计局也对量产战斗机设计了垂直/短距起落的型号。为了最大限度地简化设计，并利用现有机体，米格和苏霍伊都在现役主力战斗机座舱后机体重心处，增加一截机体，其中安排 2-4 台升力发动机，但主要目的不是垂直起落，而是短距起落。




米格-21PD，升力发动机在机背的进气门和机腹的排气门已经打开。可以看到，机翼后的襟翼已经放下，说明这是在做短距起落，看样子这是在着陆 / 可以看出，机首进气道在升力发动机出分叉绕道，对主发动机的工作也有一定的影响


向上打开的“勺”形进气口（scoop intake）在前飞时增加升力发动机的进气效率




米格-23PD 也是类似的短距起落型号 / 甚至 3 倍音速的米格-25 也有类似的设想，其一前一后的机背进气口很有意思


苏-15VD 不光可以短距起落，还可以垂直起落


不过米格的 PD 和苏霍伊的 VD 最终都只停留在研究机阶段，没有实用化，主要问题和幻影 III V 一样，升力发动机不光有死重，而且占用机内体积太多，没有地方装燃油了
　　升力发动机不光引起军方的强烈兴趣，也引起了民航的巨大兴趣。60 年代欧洲经济快速复苏，美国的 Baby Boomer 一代也开始成形，城市间交通需求急剧增长，各国民航界急需可以从市中心小机场甚至楼宇间的空旷场地起落的客机，对垂直起落客机的要求应运而生，英国、德国对此特别起劲。英国航空工业在美国的压力下，越来越感到力不从心，急于另辟蹊径，开拓新战场，摆脱被动。德国航空工业在战争中受到彻底的破坏，战后初期也由于种种限制和人才流失，陷于假死状态，同样急于抓住机会，走出困境。采用专用分立的升力发动机的布局在技术上相对简单，可以通过增减升力发动机的数量适应不同重量级的客机，也可以在不易布置常规发动机的位置安装升力发动机，适应气动设计的需要，英、德不约而同地从这里入手，研制垂直起落中短程客机。但大量的升力发动机造成巨大的噪音问题，给垂直起落客机在人烟密集地点起落带来很大的环境问题。大量的升力发动机的油耗也是民航不能接受的。民航客机比军用飞机的安全性要求要苛刻很多，垂直起落阶段，一旦个别升力发动机故障，立刻影响飞机的平衡和控制，非常容易失事。Short SC-1 在设计时就考虑到这个问题，特别设计了 50 年代还很罕见的三余度陀螺自动增稳系统，但在试飞中三个陀螺都出故障，还是坠毁了，这对民航客机是不容许的。采用专用升力发动机的垂直起落客机的种种技术和经济难关，最终使各国放弃了在市中心使用垂直起落客机的计划。




HS.141 初看并没有太大的特别，但是采用 16 台升力发动机加两台推进发动机


VFW VC-180 采用类似的概念


不过将十台升力发动机从翼根移到翼尖，改善了悬停状态的控制，也把重量移到翼尖，为机翼卸载


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多尼尔 Do.231 是 Do.31 的发展型 / 也是很猛，12 台升力发动机，比 HS.141 进步的地方在于，升力发动机不仅用于提供升力，还兼做姿态控制


模型的底部可以清楚地看到升力发动机的排气门


意大利的 Fiat G.222 是为了满足意大利空军垂直/短距起落战术运输机要求而设计的，由垂直起落型（2x4 台升力发动机），短距起落型（2x2 台升力发动机）和常规起落型（无升力发动机），图为垂直起落型




最后常规起落型投产 / 洛克希德按许可证生产，作为 C-130 下一级的补充，美军编号 C-27“斯巴达人”
　　单独的升力发动机在设计上简单，升力发动机在巡航时不工作，又占用机内体积，这是死重。减少或消除死重是垂直起落飞机一个急需解决的问题。将升力和巡航发动机合二为一，当然就消除了专用升力发动机的死重。巡航和升力发动机合二为一的最直接的方法，莫过于倾转喷气发动机，把发动机直接对着地面吹，当然就产生直接的升力。这么简单的道理，为什么不是垂直起落飞机的首选呢？首先，倾转发动机对发动机在飞机上的位置带来很大的限制，不光机翼、发动机的位置必须和飞机的重心一致，也基本上只有翼下或翼尖位置，这样，一旦部分升力发动机故障或瞬时出力不足，非对称升力容易引起灾难性的事故。倾转旋翼用同步轴解决这个问题，倾转喷气发动机就基本不可能在一侧发动机失效时，由另一侧发动机补偿。再说，发动机本身十分沉重，倾转机构谈何容易。还有，发动机对进气的要求很高，否则发动机效率直线下降，但发动机在倾转过程中，进气的条件很难保证。另外，垂直起落要求在短时间内产生大量的推力，巡航要求工作时间长但推力远远要不了那么多，两者之间在设计上很难协调。由发动机直接产生升力，没法取巧。从极端情况来说，滑跑起飞、用机翼产生升力，只需要很少的推力；但用喷气动力垂直起飞，至少需要 1：1 的推重比，动力要求高得多。用引射增升、Coanda 效应什么的，至少在理论上可以四两拨一斤，小本大利。在发动机推力不足的年代，采用种种“巧”办法还是很有吸引力的。但是，从另一方面来说，直接产生的升力毕竟直接，不容易受到外界非理想条件的限制，理论计算和实际情况之间不会出太大的意外。
　　美国的贝尔 65 型研究机最先对倾转喷气发动机进行研究。在“制海舰”还热火朝天的年代，格鲁曼为替代弹射起飞的 S-3，推出用倾转喷气发动机的 698 型方案，作为 XFV-12 战斗机的补充。高亚音速的“鹞”式战斗机之后，英国一直意图推出超音速垂直起落战斗机，Hawker Siddely 并入 BAe 后，推出 P.103 方案，也是采用倾转喷气发动机。不过 P.103 放弃了垂直起落，而是采用超短滑跑起飞/垂直降落的所谓 STOVL 模式，对发动机的要求大大降低，对实际作战灵活性又没有太大的损失，一度差一点被美英军方选中。




贝尔 65 是倾转喷气发动机的先驱，但发动机置于翼下，进气是不是会受到阻碍？/ 为了最大限度地简化，贝尔 65 连常规的起落架也没有，只有直升机才有的滑橇式起落架


机尾有用于姿态控制的小喷嘴




格鲁曼 S-3 作为美国海军航母反潜和加油的主力，已经垂垂老矣，格鲁曼向美国海军提议，用 698 型垂直起落飞机接替 S-3 / 格鲁曼 698 型采用倾转发动机产生垂直起落的升力




BAe P.103 方案，采用倾转的翼下喷气发动机，可以实现超短距起飞和垂直降落，即所谓 STOVL（short take off and vertical landing） / P.103 三视图


据说美国也对 P.103 表示兴趣，这是美国空军涂装的 P.103 想象图，和上面的 P.103 略有不同


　　从纯倾转喷气退一步，将倾转喷气和专用升力发动机混合使用，可以增加发动机布置上的灵活性。这样可以降低对升力-巡航发动机的推力要求，缓解工作条件，延长寿命，另外增加专用的升力发动机作为升力-巡航发动机的补充，用于短时间的垂直起落。在冷战高峰的 60 年代，西德作为抵御上万辆苏军坦克和几千架作战飞机的前沿，面临作战机场在第一时间被全面摧毁的现实危险，着力研制垂直/短距起落作战飞机，曾有计划组建一支“全垂直/短距起落化”的空军，其战斗机部分称为 VJ-101，最后获选的方案就是由 Messerschmitt、Heinkel 和 Bolkow 合组的 EWR（Entwicklungsrin）提出的，采用倾转喷气和巡航喷气发动机相结合的混合方案，采用翼尖倾转升力-巡航发动机加座舱后机身内的专用升力发动机。从实现垂直起落的角度来说，VJ-101 的设计是成功的，也能够达到超音速，但 VJ-101 遇到后来喷气式垂直起落飞机共有的问题：炽热的喷气在地面反弹，然后被发动机重新吸入，极大地影响了发动机的正常工作。炽热喷流对地面的烧蚀是另一个严重的问题。同时，垂直起落耗油极大，对载弹和航程的影响太大，以至于“鹞”式战斗机的前身“鹰”式（Kestrel）被戏称除了飞行员外，只能载一包香烟，航程只够绕小城飞一圈。VJ-101 也有同样的航程问题。很快，VJ-101 的飞行员们就发现，短短的滑跑可以极大地缓解炽热喷流回吸（hot exhaust re-ingestion）问题，同时减轻对地面的烧蚀，也大大增加了载弹和航程。然而，垂直起落的要求对战斗机的性能影响还是太大，VJ-101 不足以对付性能日益增高的苏联战斗机。分散部署在事实上也证明不实际，分散部署远远不是能够在林中空地垂直起落那么简单，分散的地勤和指挥体系没法保证高烈度条件下的作战节奏，北约空军的战略思想由分散部署的低性能战斗机转向集中部署高性能战斗机，由机场的钢筋混凝土加强掩蔽部保护，增加生存力，VJ- 101 下马了。



Messerschmitt P 1227 方案，比较循规蹈矩，图中横七竖八的管道是升力-巡航发动机尾喷管中断引出的向下的推力偏转喷管，由关闭尾喷管产生升力


采用 4 台升力-巡航发动机加一台升力发动机




VJ-101 是 He 231 和 P1227 的结合，和 F-104 有几分相似。本来嘛，VJ-101 就是取代 F-104 的 / 每侧翼尖有两个一组的升力-巡航发动机




翼尖发动机倾转，就可以实现垂直起落 / 德国空军对 VJ-101 的垂直起落能力寄予极大的希望，意图实现分散部署，极大地增加作战弹性，减低对容易遭到集中打击的机场的依赖




光靠翼尖的升力发动机还不够，还有座舱后的专用升力发动机帮忙 / VJ-101 完成了很多次垂直起落、悬停到平飞的转换


VJ-101 也是德国航空工业凤凰涅磐的希望，但这个希望最终没有实现
　　VJ- 101 下马后，为了大幅度提高垂直起落战斗机的性能，EWR 在美国、北约和德国的资助下，转入“先进垂直攻击机”（Advanced Vertical Strike，简称 AVS）的研究。为了避免升力发动机对气动外形的影响，AVS 别出心裁地将升力发动机装在可伸缩的支架上，在垂直起落时伸出去，减轻反射喷流对机身的烧蚀。机身背部的进气道可以缓解高温喷气回吸的问题，但可能带来大过载机动时进气道气流畸变的问题，限制机动能力。后机身的升力-巡航发动机采用推力转向喷管，减少死重。AVS 还采用 70 年代时髦的可变后略翼技术，意图极大地提高性能。但这样集中地采用高风险、高重量的技术，最后无疾而终并不奇怪。AVS 也下马后，德国最后和英国、意大利一起，转入“多任务作战飞机”（Multi-Role Combat Aircraft，简称 MRCA），这就是后来的“狂风”战斗轰炸机。


VJ-101 下马后，EWR 继续研究新的垂直起落战斗机方案，多采用背部进气道。这不是出于现在的隐身考虑，而是让开地方，为升力发动机腾地方，同时缓解下洗喷气回流吸入发动机的问题




美国海军对 AVS（Advanced Vertical Strike）也一度很有兴趣 / AVS 垂直起落时的情景


AVS 的三视图，可以看到 AVS 不光垂直起落，还具有可变后略翼，其重量可想而知
　　翼尖倾转的升力-巡航发动机不是 Heinkel 的专利，美国的贝尔在同期也在研制 XF-109（也称 D-188），同样采用两两一组的翼尖倾转的升力-巡航发动机，在座舱后另有两台专用的升力发动机，特别的地方是，在机尾另有两台专用的巡航发动机，全机共有 8 台通用电气的 J85 涡喷发动机，其中翼尖和机尾的 6 台有加力。这是和 F-5 战斗机上相同的发动机，而不是专用的升力发动机。XF-109 只达到全尺寸模型阶段就下马了，那么多发动机的成本、维修和可靠性都是问题。


美国空军本来准备将 XF-109 作为 F-104 的后继，两者都有几分相像
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XF-109 全尺寸模型
（全文完）

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做飞机的各种方案都被他们试验完了