从中国研发垂直起降战机浅谈STOVL发动机.第一篇

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神鹰振翅飞，清波自在垂——从中国研发垂直起降战机浅谈STOVL发动机.第一篇

神鹰振翅飞，清波自在垂——从中国研发垂直起降战机浅谈STOVL发动机.第二篇

神鹰振翅飞，清波自在垂——从中国研发垂直起降战机浅谈STOVL发动机.第三篇

原作者：兵器迷的天空

　　2015年3月20日，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。消息一出，军迷大悦，争相转告，评论如潮。兵器迷却在一个项目里苦熬着，没时间插嘴。这不，清明节清静下来了，咱们就聊聊短距起飞/垂直降落（以下简称STOVL）发动机这个话题。
　　众所周知，STOVL战斗机，可以在狭小的地方起降，必要时甚至能在公路起飞，在建筑屋顶降落，大大降低了陆基航空兵对机场跑道、海军舰载机对航母弹射器和拦阻索的依赖，甚至可以在经过适应性改装的两栖攻击舰上使用，有利于增大载机数量。这对于无法装备大型航母的国家，或者对于有大型两栖攻击舰的国家来说，都是一个比较有诱惑力的选择。远的不说，就说日韩吧，面对辽宁号和后续舰的红火，他们打造“独岛”和“出云”，作为F-35B的鸟巢，就是指望着“家有梧桐树，招得凤凰来”啊。

“出云”号，在搭载F-35B后随时变成航母

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　　从装备史上看，STOVL战斗机的推进系统，有三个发动机机型，即英国鹞式的“飞马发动机”，苏联雅克-141的R-79+RD-41的发动机，以及美国的F135发动机。这三个发动机机型，也对应着三类不同的技术方案，下面就一一道来。
1 鹞式 vs 飞马：发动机旋转排气喷管方案
　　“飞马”由英国发动机传奇巨头罗尔斯-罗伊斯公司（以下简称RR）研制，安装在1957年英国霍克飞机公司和布里斯托尔航空发动机公司研制的P.1127 STOVL飞机上。1966年8月，装有第一台生产型飞马-6发动机的鹞式战机首飞。1975年飞马-11型开始研制，1979年9月投入使用。后续装备鹞式战机的成熟动力，是飞马11-21(Mk103)，推重比7.01，和海军型飞马11-21(Mk104)，推重比6.83。
表1. 飞马发动机的装机情况

发动机型号	战机型号
飞马11-21(Mk 103)	鹞GR. Mk3(英皇家空军)
飞马11-21(Mk 104)	海鹞(英皇家海军)
飞马11-21(Mk 150)	AV-8S(西班牙海军)
飞马11-21(Mk 105)	鹞GR. Mk5(英皇家空军)
飞马F402-RR-4061-406A	AV-8B（美国海军）
飞马11-61(F402-RR-408)	AV-8B（美国海军）

飞马发动机示意图

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　　飞马属于推力转向涡扇发动机，推力换向方案为：旋转排气喷管。发动机采用双转子反向旋转消除陀螺力矩，改善悬停和过渡飞行时的稳定性。飞机垂直起降时，喷管由水平方向转向，机身前后有4个可旋转0°～98.5°的喷气口向下喷气，产生垂直升力。这样，发动机既提供升力又提供推力，在垂直/短距起落、悬停和过渡飞行时，操纵性和稳定性完全由喷气反作用操纵系统控制。

飞机垂直起降时，喷管向下喷气

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　　优点：该方案的最大特点是“升推一体”，即巡航推力和垂直升力均由一种发动机承担。结构简单、紧凑，推进系统死重小，短距起降性能好，甚至具有垂直起飞的能力。有兴趣的朋友可以看看施瓦辛格多年前的一部老片《真实的谎言》，其中有鹞式战机的经典起降场面。
　　缺点：由于后喷管喷出的是热燃气，导致排气再吸入问题严重；因为垂直起降时悬停高度低，贫氧高温喷流从地面反弹，容易再次被发动机吸入，降低发动机效率，甚至造成喘振。垂直起飞非常费油。据说鹞式一个垂直起飞，1/4的内油就用完了，作战半径也就100公里左右。

鹞式飞机的喷流示意图

　　此外，飞马发动机横截面大，导致超音速阻力大，鹞式因此始终是亚音速战机；此外，由于喷口面积和加力可调导致控制系统非常复杂。也是一个技术难题。
　　2010年12月15日，英国最后一个“鹞”式中队退役，美国的AV-8也将步后尘。
　　不过AV-8B的退役，并不意味着飞马发动机的终曲。1990年初，RR和美国普惠（以下简称PW）合作定型了最新的“飞马”11-61发动机，推力为105.8千牛，未来推力将达到137.7千牛（早期型号的推力只有84.51千牛），预期推重比达到8，可使战机达到1.6马赫的速度。假以时日，或许飞马可以再度腾空翱翔，亦未可知。

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2 雅克-141 vs R-79+RD-41发动机 巡航发动机+升力发动机方案
　　1967年，在鹞式开始研制10年后，苏联开始研制验证机雅克-36 STOVL战机，采用两台R-27V-300推力转向发动机。生产型雅克-38于1971年开始试飞，采用一台R-28V-300升力/推进发动机+2台RD-38升力发动机。1975年开始批产，在1973-1983年间共生产了143架，并生产了数十架改进型雅克-38M。1985年6月开始进入苏联海军服役。俄罗斯和乌克兰海军共装备86架雅克-38。它与卡-25直升机一起配置在“基辅”号、“明斯克”号、“新罗西斯克”号和“巴库”号航空母舰/巡洋舰上使用。但100公里的作战半径，2720公斤的内油，和其他性能问题导致雅克-38/M很快退出舰上勤务。另有传闻称，苏军在阿富汗曾部署过雅克-38，用于近距支援地面部队，但也出于性能问题很快撤出。雅克-38于1991年封存，退出现役。

外形怪异的雅克-36

雅克-38的STOVL解决方案

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　　雅克-38的替代型号雅克-141由1975年开始研制，1987年4架原型机试飞，1989年进行超音速试飞。1991年一架雅克-141原型机试飞时意外坠毁。后来雅克夫列夫试验设计局继续研制其陆基和舰基改进型，并建造了4架原型机。有2架一直试飞到1995年，另2架则进行发动机和结构试验，但无果而终。

垂直降落时坠毁在航母甲板上的雅克-141

雅克-141的STOVL解决方案，发动机没有采用分岔喷管，而是单一的三轴承旋转喷管

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　　与鹞式的发动机喷口转向方案不同，雅克系列采用的是巡航和升力分别采用不同发动机的方案。
　　其中，巡航发动机为R-79推力矢量巡航涡扇发动机，最大加力推力约152千牛(15500公斤)，不加力推力88.2千牛(8994公斤)。在靠近飞机重心处两个尾撑之间装圆形可转向喷口，使用寿命为1500个旋转循环。飞机短距起飞时，喷口向下偏转65°，打开至全加力状态，飞机滑跑5米可离地。喷口最大向下偏转角为95°，此时的升力推力约为发动机巡航推力的80%。该发动机压气机引气供给翼尖和机尾喷嘴时，其最大推力降到137.2千牛。

雅克-141的R-79V-300发动机

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　　其中，升力发动机为座舱后部机身串列安装2台图曼斯基设计局研制的RD-41升力发动机，单台推力41.68千牛(4250公斤)，为飞机垂直/短距起飞时提供升力。

RD-41升力发动机

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　　优点：该方案的最大特点是“升推分立”。巡航和升力发动机各司其职，保障了巡航发动机的效率和效能，使得雅克成为世界上首款超音速STOVL战机（鹞式为亚音速）。在试飞中，雅克-141甚至达到了1.4-1.7马赫的最大平飞速度。
　　缺点：巡航和升力发动机的高温气流问题非常突出。飞机悬停时高温气流从发动机喷口喷出，到达地面后向外扩散。在机体下方形成低压区，产生suckdown效应，会把飞机牢牢“吸住”，这也是雅克-36首次试飞时没能起飞的原因。

雅克-141的三轴承旋转喷管是一大设计难点

　　苏联解体后，垂发项目资金在1991年断流。雅科夫列夫设计局千方百计筹措资金苦撑残局，却未能获得订单。始终未进入批产的雅克-141及其相关发动机，最终于1995年结束研制，黯然落幕。
　　仅仅从军工研制的角度看，俄罗斯当年所谓休克疗法，就足以让人摇头叹息。国家经济全面休克的后果，往往是战略性项目的死亡，而不是苏醒。

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3 F-35B vs F135 巡航发动机+升力风扇方案
　　各位看官，在谈F135之前，咱们先说个小插曲：圈内曾经有一个传闻，即美国在F-35B垂发推进技术选型的过程中，抄袭了苏联雅克-141的部分设计。此观点一出，正反两方面激烈辩论，不亦乐乎。兵器迷借这个机会，将个人所悉分享出来，略加点评，大家轻拍。
　　兵器迷版本的故事是这样的：在很久很久以前……
　　……话说我们今天熟知的联合打击战斗机（JSF）项目，其前传就是美国三军联合先进技术攻击机（JAST）项目。而今日F-35B的前身，也就是JAST项目初期的X-35B。在X-35B验证机预研初期，俄罗斯从苏联分裂不久，正逢雅科夫列夫设计局为奄奄一息的雅克-141项目四处寻找金主以继续研发。洛马如同狼闻到了肉味，正中下怀。雅科夫列夫设计局也是饥不择食，就同意了昔日敌手的技术人员随同JAST项目办公室官员参观了设计局和一些俄罗斯航空企业，并接触了雅克系列的技术和设计。洛马只用极少量的资金购买了雅克-141的性能数据和部分设计数据。雅科夫列夫居然也同意了。洛马后来曾在1994年6月透露，它和雅科夫列夫设计局在竞争联合先进攻击技术的合约上进行合作，但并未提供足够继续研发雅克-141的投资——人家是要发展自己的X-35B，当然不是为了给雅克-141找活路。雅克-141试飞300+小时120+次后，终成绝唱。
　　病急乱投医，此之谓也。
　　这也许就是上述圈内“抄袭”传闻的根由吧。
　　不过，兵器迷呢，还是中间派。窃以为，美国对雅克-141，更多的是借鉴，而不是抄袭。
　　在鹞式之后20多年，雅克之后10多年，美国国防科学委员会才于1979年提出发展STOVL战机，美国海军为此制订了STOVL技战术要求的细节。在随后的很长时间里，洛马和波音等航空巨头为此展开了大规模的预研工作。作为技术选型的一部分，美国的确购买了苏联的部分技术和设计，也从购买的英国鹞式战机获得了相关技术，但这不能成为抄袭的理由。美国深知英苏两种方案的优缺点，并在此基础上，依靠雄厚的资金和技术实力，进行了远不止英苏使用的多种垂发推进技术方案的研究，如：
　　引射器方案
　　串列式风扇方案
　　远距增升系统方案
　　常规推进系统+升力系统组合方案

安装串列风扇发动机的F-117 STOVL改型，推进尾喷管沿机翼后缘布置

艾力逊（Allison）发动机公司设计的升力风扇奠定了F-35B成功的基础

麦道公司的先进STOVL战斗机方案就是用了气体推动的升力风扇设计