垂直起落的路上布满了先行者的尸体

晨枫

“镧影R6000”的消息传出，垂直起落飞机的话题再一次爆热，各种“为什么不这样那样”的主意迭出。
' D6 v2 v1 A2 o2 u: j
$ E. O0 S9 J7 m+ C! N自从莱特兄弟历史性的一跃，像鸟儿一样腾飞就是人们不灭的梦想。但是机翼产生升力的效率实在比用发动机硬推高太多，使得垂直起落直径还是梦想多于现实。
9 q( c. P) h6 E7 q! E3 Z. K
当然，直升机是垂直起落的。但直升机其实是把固定翼飞机反过来玩，飞机不动，但机翼动，一样产生升力。关键是机翼与空气的相对运动嘛。不过旋翼只能水平转动的话，直升机只能垂直上升、下降，不能解决前进的推力。伊戈尔·西科斯基在1939年发明了倾斜滑板使得旋翼可同时提供升力和推力，至今还是直升机旋翼的基本工作原理，但代价是阻力大，震动大，噪声大。这些不是技术进步能解决的，而是倾斜滑板的本质问题。
& u! C# M# P/ O
+ {* r  J0 h) K  H旋翼转动中划过360度，必然有前行段和后行段。前行段必然产生“前推”空气的分量，造成额外阻力。但尽可能接近音速使得桨叶叶面局部超音速，还是要产生响亮而且周期性的激波噪声。前行段与空气的相对速度高，后行段低，不仅造成两侧的升力不对称，还因为桨叶周期性地扫过而造成强烈的周期性震动。前行段桨叶叶尖线速度不能超过音速，以免产生激波阻力；后行段桨叶叶尖速度不能低于失速速度，以免丧失升力；这从上下两端限制了旋翼的转速，进而限制了升力、推力的提高和震动、噪声的降低。
( i, v2 m% a$ V' a$ Q
* s4 e6 ~+ X4 W: `# G# d
8 p9 s5 D: ~5 |1 G7 R, N旋翼产生升力的机理貌似简单，实际上非常复杂。前行段（右侧）和后行段（左侧）造成的不对称升力、后行失速等问题是原理性的老大难

0 D! P* J1 ?/ T自然的想法是升力和推力分离，旋翼只管产生升力，另外用推力发动机产生升力。这就是复合直升机。一旦平飞达到一定的速度，转入由机翼产生升力的模式，而旋翼进入风车状态，减少出力，减少阻力、震动、噪声等问题。但“无用”的旋翼依然产生阻力、震动和噪声，只是较小而已，可旋翼的死重和机械复杂性一点没有降低，驱动旋翼的发动机在平飞时还成为死重，还要加上额外的推进发动机的重量和机械复杂性。相比于用旋翼和同一台发动机同时产生升力和推力的常规直升机，改进不多，代价不小。


升力和推力分离的复合直升机，图中为空客X3
) j) ^9 G$ I" W
倾转旋翼是另一个办法，这就是V-22到V-280一路发展过来的技术路线，已经说了不少了，这里不再重复。其实这一技术路线还有倾转机翼，整个机翼连同发动机一起倾转，好处是下洗阻力小，坏处是短距起落模式时阻力惊人。

( r* M. M( e, n0 @2 E跳出旋翼/螺旋桨的思路，直接用喷气发动机是另一个思路。当然，这时垂直起落飞机（VTOL）只是能垂直起落而已，长时间悬停、侧飞、前后蠕行等特殊机动是谈不上的。
, c* G; |' R) f2 r& B9 w" p& ?) g
) |$ _! K. W+ J喷气发动机体积小、推力大，但这时垂直起落完全靠推力硬推了。也就是说，推力必须大于重力。对于V-280这样14吨级的飞机，需要至少14吨垂直推力，实际上需要16吨，才能可靠地垂直起飞。

" U/ {" }! `( n: I. Q& \战斗机发动机推重比已经达到10:1了。升力发动机只需要短时间工作，寿命、油耗方面都要求降低，在70年代推重比就可以达到16:1一级，比如雅克-38的RD38就达到16.5:1。假定现在可以达到20:1，那14吨的飞机仅升力发动机就有0.8吨的重量，加上安装结构、辅助系统，这在平飞时是可观的死重。
% @4 u) t3 r2 Q  W: C/ W  g
' Q) a: T4 U  o3 @% D( O
" p6 t( C& @* y! z幻影IIIV是典型的升力-推力布局
% h! Z; L, q/ u' G1 s5 H

米格-21PD实际上只能短距起落，做不到有意义的垂直起落
, S4 i8 i+ X6 O- E
2 Y6 ~9 |+ i: N  z7 g, l+ z9 s
“鹞”式是升力巡航布局，但可靠性要求只能用单发，使得“飞马”发动机采用异乎寻常的四喷管，超大的推力来自很高的涵道比，不可能达到超音速飞行，使得“鹞”式称为超音速时代的亚音速孤儿

1 L" l& B) Q4 d3 j
F-35B是升力-升力巡航布局的代表


升力风扇提供部分垂直升力，另外一部分垂直升力来自主发动机的可转向喷管
, C! ?% X  f; b$ D
1 {* F" i$ i) I升力发动机可以有很多形式。有单独的升力发动机，这时另有单独的巡航发动机，称为升力-巡航布局（lift and cruise），例子有早期的米格-21PD、幻影III V。这时升力发动机和巡航发动机各司其职，但工作时间互不重叠。这个布局的优点是容易从现有战斗机改型而来，升力发动机的分布有利于控制垂直起落时的平衡；缺点是升力发动机占据重心位置，而且为了可靠性，必须多台发动机一起工作，死重大，占用空间大。幻影IIIV只是能垂直起落而已，毫无航程和载弹量可言，除了技术验证，没有使用价值。基本上所有这样短平快改装而来的早期VTOL战斗机都是这样，包括米格-21PD。

有可以在升力和巡航之间平滑转换的升力推进发动机，称为升力巡航布局（lift-cruise），大名鼎鼎的“鹞”式是最典型的升力巡航布局。这时升力和巡航共享同一台发动机，在理论上效率最高，死重消除，但升力和巡航要求使得“飞马”发动机采用异乎寻常的四喷管，看起来就像一个趴着的乌龟。超大的推力来自高达1.2的涵道比，在以涡喷为主的时代，这是不可思议的，也是至今最高的战斗机涡扇涵道比。“飞马”不可能采用收敛-扩散喷管，也难以实现加力推力，很大的迎风面基和很高的涵道比也使得阻力很大，不可能达到超音速飞行。“鹞”式是超音速时代的亚音速孤儿，最终限制了有用性。“鹞”式的垂直起飞重量收到限制，实用中基本上都是短距起飞，才能携带有用的燃油和武器重量。

升力巡航发动机还有垂直升力分布问题。垂直升力必须围绕重心，还要有足够的三维控制力矩。这使得发动机位置和喷口位置的布置非常拧巴。雅克-36就是这样拧巴的产物，发动机非常靠前，喷口居中，机尾成为发动机的配重。


0 M: e& @3 _# j  K: z雅克-36看起来就拧巴，也确实是因为发动机、喷口和重心的相对位置而成为这个样子的
: l, p' E2 \4 }) E$ ?$ U. p
还有单独的升力发动机加上升力巡航发动机（lift and lift-cruise），F-35B就是典型例子。这是升力-巡航和升力巡航之间的折衷，既避免把所有垂直升力都集中在升力巡航发动机的缺点，也避免完全依靠升力发动机所带来的死重。
. y* b) M! E( U. V) L
但所有这些布局都不能避免一些共性问题：

/ D$ R( i8 b) w& d9 b8 N) ]1、炽热喷流

4 Q( ]$ C' r* M' W6 O3 h升力发动机的超高推重比是用死命烧油产生的，炽热的喷流对地面的热蚀很严重。雅克-38在“基辅”级上使用的时候，甲板和甲板下结构软化是大问题，问题严重到影响飞机出动。MV-22也有这个问题，通过临时铺设放热毯解决。但F-35B连放热毯都没法解决，“黄蜂”号在F-35B上舰测试后直接回坞大修了。整个“黄蜂”级都为此轮流进坞改装，“好人理查德”号就是在大修、改装期间起火、报废的。
$ A: `$ t( y6 K+ {; o# T6 e# a
在陆地上，混凝土地面会被烤到崩裂，碎片在强烈气流冲刷下四散激射。

; y9 I# u! T5 U1 b, q4 u# s' D2、高温废气回吸

垂直喷气触地反弹后，容易被升力发动机再次吸入，造成两个问题：1）高温进气使得发动机过热；2）缺氧废气使得燃烧恶化。F-35B采用升力风扇，一部分原因就是要避免高温废气回吸问题，另一部分原因是用借用主发动机的动力，机械驱动风扇，避免单独升力发动机的死重。

. r0 D7 f6 e/ p% ?7 f3、喷气在地面横向流动造成的对地吸附
- ]5 n* T' A' K! e( ^
一部分喷气沿着地面横向四散流动，在机体下的这部分流动造成机体下表面与地面之间的文丘里效应，产生负压和向下的吸附作用，使得飞机难以离地。

5 @  X3 n1 D$ g在将能量转化为推力方面，螺旋桨更高；在紧凑性方面，喷气发动机更高。在旋翼和喷气发动机之间，还有涵道风扇，特点也在两者之间。
% x5 [- c+ E2 r% P+ M
几十年来，无数人试图解决VTOL问题，构想从简单粗暴到匪夷所思，无奇不有。仅仅把已经实际试飞过的各种方案罗列、分析一遍，就是一本大书。事实上，也确实有这样的大书，我手头就有。但死重、阻力、可靠性、经济性始终是跨不过去的坎。
3 Q5 i* ~/ M/ S7 B- G- ^
F-35B是至今VTOL路线最成功的例子，V-280是至今旋翼路线最成功的例子。

" b, J% v+ ]. R" k# B一定有人会构想出新的路子，甚至以为科幻电影里的VTOL飞机可以成为现实。但科幻就是科幻，不能成为现实是因为经不起实践的检验。只要把这个那个貌似新颖的方案仔细分析一遍，十之八九可以找到历史上失败的先例，“喏，这就是为什么这行不通。”
9 T" `. \. i8 P. F( q
至于每一个具体的为什么行不通，就需要搬出那本大书了，在第x页上，自己看吧，一个一个解释太费神了。

togo

记得以前哪里看到一个方案，先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米，再发动，可以减少对地面的冲击。

晨枫

togo 发表于 2024-10-21 12:59
记得以前哪里看到一个方案，先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米，再发动，可以减少对地面的冲击。 ...

& I6 Y( W; }% L1 ?9 X, M0 N5 ^2 ?" z  YSkyhook。对接的要求太高，实际上不可行。

雷声

togo 发表于 2024-10-22 02:59
$ `, H- V3 o/ S4 j( B( s记得以前哪里看到一个方案，先用吊车把垂直起降飞机吊离地面多少米，再发动，可以减少对地面的冲击。 ...

5 X; s+ M+ x) \西西河的本雅明说起过这个。他的方案是搞小航母，塔吊式起飞。真的是有点扯了。

testjhy

晨大，全自动体外无人火箭发射台有人狂想过没有？就象马斯克猎鹰第一节，把飞机升空后自己回到某个海平台上，

晨枫

雷声 发表于 2024-10-21 20:34
西西河的本雅明说起过这个。他的方案是搞小航母，塔吊式起飞。真的是有点扯了。 ...

唉，我来贴一个系列吧，历数那些倒下的先烈，好多比天钩还要异想天开

晨枫

testjhy 发表于 2024-10-22 01:24
晨大，全自动体外无人火箭发射台有人狂想过没有？就象马斯克猎鹰第一节，把飞机升空后自己回到某个海平台上 ...

这个至今还没有。这个成本太高了，实施的条件也太严苛，大量玩肯定不行