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[武器展望] 垂直起落的路上布满了先行者的尸体

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 楼主| 发表于 2024-10-21 14:15:40 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2024-10-21 00:20 编辑 & A$ x4 A7 m: j, `& n1 p
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“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。
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% z; n( p2 s. H4 O2 H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。
( `* ]- n- g# @# ~1 o2 U& w6 ^: q5 g0 C& U4 i9 |3 `
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。
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  Y; T# G* r7 L0 \5 t# y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。+ E5 o2 M- W5 A' p

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! F+ j# c7 h, M$ @+ a; e# @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2 e* |$ ^3 W% Y) m0 S
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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。& h% x& G4 d: [  H: g

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6 J  }& f0 ?9 ^( u升力和推力分离的复合直升机,图中为空客X3: z* t' E" c; U

0 H8 ^  L. J: S$ n! A) B2 y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。
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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。
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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。
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, Z; I; U4 ~1 [; ^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。
, X6 u% U+ {. O1 Y) {5 a# _+ U! Q* x/ G* f

2 X5 c+ Z+ z/ _+ y  a幻影IIIV是典型的升力-推力布局3 k: z. H0 |; W6 X( o6 n4 b

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米格-21PD实际上只能短距起落,做不到有意义的垂直起落
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“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
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F-35B是升力-升力巡航布局的代表
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5 }" b3 X6 A  J( c; S$ X* ]3 y& C$ A+ z5 {6 {5 K0 a, N1 D/ U6 y
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
% T; l6 x! V$ i; ]5 d" f6 {# M1 ~. ~+ h
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。
  N/ a. G8 ^7 o" C, V8 W+ r9 V
( {; M/ p3 j) r+ B/ ]4 X& O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。
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. ?! E5 \! b; i. E( m1 P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。8 M6 V4 P( e* u6 B
7 u4 W6 _: ]+ z6 {. B; H% n% T
/ A/ v0 c3 F- r$ Y  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+ Y% T$ {" {$ J4 H: i

/ E4 r2 ?7 U5 \( Z# \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。6 r- I% h/ ?2 s& d) b
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但所有这些布局都不能避免一些共性问题:. a& }! f! N& X

8 H; g4 m! B) q# I- D: U9 \# R) |# x1、炽热喷流' a5 Q' V' d/ ^2 e6 B+ i
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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。
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1 ?4 Q: q% D* F/ d$ j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。( m, p; z0 w: y3 M
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2、高温废气回吸
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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。
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3、喷气在地面横向流动造成的对地吸附
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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。
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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。
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; \7 L! n5 D7 H/ u- f/ W: s! e# Y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。& g$ G6 E  K+ J

1 J4 }8 L5 X) P1 Q- ^' fF-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。# ~: s9 V1 c5 S; O0 l# v2 W

& B! `, O# ~, j9 J2 r3 j) U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。”
) L  |' M8 r$ \) b3 k( i) f/ |% J! e
  r( q$ T1 c& Y  D/ @# ~" _& d" e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。

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