中国发展垂直/短距起降战斗机前景和技术分析!(图)

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导读: [img]http://pic.tiexue.net/pics/2008_2_21_24530_6924530.jpg[/img] 垂直/短距起降(sTOVL)战斗机在冷战时期得到了各航空技术强国的广泛关注,西方国家和苏联都投入了很大的力量试图使这个技术实用化,即使是中国也在技术相对薄弱的情况下进行过"四号工程"这样的项目。垂直/短距起降战斗机的早期发展虽然轰轰烈烈但成效却不高,实用化的战斗机只在英国和苏联得到了小规模的应用。目前,装备垂直/短距起降战斗机的国家中,除了英国(空军装备少量"鹞"式)和美


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垂直/短距起降(sTOVL)战斗机在冷战时期得到了各航空技术强国的广泛关注,西方国家和苏联都投入了很大的力量试图使这个技术实用化,即使是中国也在技术相对薄弱的情况下进行过"四号工程"这样的项目。垂直/短距起降战斗机的早期发展虽然轰轰烈烈但成效却不高,实用化的战斗机只在英国和苏联得到了小规模的应用。目前,装备垂直/短距起降战斗机的国家中,除了英国(空军装备少量"鹞"式)和美国(海军陆战队装备AV一8 B)之外,其他使用这类飞机的大都是拥有小型航母和引进"海鹞"(AB一8B)的国家。



航空技术的发展和型号研制成本的迅速提高使现代战斗机的发展更加困难,曾经开发出"鹞"式战斗机的英国目前已经失去独立发展新型垂直/短距起降战斗机的能力,前苏联在垂直/短距起降战斗机发展中辉煌一时的雅克一14l现在已经销声匿迹。具备研制垂直/短距起降战斗机实力的国家数量在冷战后迅速萎缩,曾经的强国在技术上的衰弱衬托着美国的JsF计划更加雄心勃勃,以致在垂直/短距起降战斗机型号和技术应用上目前出现了美国一强独大的局面。中国摸索垂直/短距起降战斗机技术的发端是70年代的"四号工程",80年代与西方关系的缓和也曾使"鹞"式一度接近了中国,但经济和技术上的问题最终使研制和引进的道路均未走通。



目前,海军和海军航空兵在中国国防战略中的地位正迅速增强,随着中国海军对舰载航空兵的重视和远洋海军发展的需要,垂直/短距起降战斗机又一次成为世界关注的热点。前苏联解体后传出中国准备从俄罗斯引进雅克一141的消息虽然已经被证明不实,但垂直/短距起降战斗机对中国国防的发展确实有着特别重要的作用,世界航空技术发展的总体趋势也使中国的航空工业无法忽视垂直/短距起降战斗机。



舰载垂直/短距起降战斗机的发展



垂直/短距起降战斗机的装备思想在二战期间就已经得到参战国的重视,德国战斗机在大战末期的奇思妙想中经常可以发现垂直起飞的技术因素,但是真正的垂直/短距起降战斗机从上世纪50年代后期才得以大规模发展。作为实用型垂直/短距战斗机的先行者,英国"鹞"式战斗机最初的发展目标是为了在高强度的欧洲大战中摆脱对机场的依赖,而当时拥有中型航母的英国对于将其用作舰载机的关注并不高,美国、法国、联邦德国和苏联当时进行的类似项目与英国的目的也基本相同。雅克一38、"鹞"式垂直/短距起降战斗机都是作为短程前线战斗机(或者说更类似战术攻击机)来发展的,但是这些飞机并没有和预想中一样成为广泛应用的前线战术飞机,而是在海军舰载航空兵的装备发展中得到了更为广泛的应用,随着"海鹞"、AV一8和雅克一38成为轻型航母上的主力舰载机,轻型航母也进入了新的兴旺期。



垂直/短距起降战斗机具备常规舰载机没有的短距起飞和垂直降落能力,摆脱了对航母弹射器和拦阻索的依赖,而且也使航母平台本身的技术难度降低到可以忽略不计的程度,以致排水量较大的货船也能够搭载,而跃升甲板的出现更使垂直/短距起降飞机的战术性能获得了明显提高。虽然垂直/短距起降战斗机在航程、速度和载荷上与常规战斗机有差距,但由于具有对航母要求低和使用灵活的优点,所以已成为需要获得舰载航空作战力量、但又难以负担常规航母高昂成本和大量专用设备的国家的最佳选择。


英国和前苏联海军是最早开发实用型垂直/短距起降战斗机的国家,代表型号分别是"鹞"式和雅克一38(性能更好的雅克一141因为苏联解体而中止发展计划),而"海鹞"及其美国改进型AV一8则成为目前国际垂直/短距起降舰载战斗机的标准型号。



垂直/短距起降战斗机实用化发展的关键问题是飞机性能不足,难以与常规战斗机抗衡,而且常规战斗机变后掠翼技术和气动性能的提高还抵消了其有限的性能优势。垂直/短距起降战斗机之所以在过去40年里始终维持实用化发展是因为得到了海军舰载航空兵的接受,也就是说,轻型航母和两栖攻击舰的出现才是垂直/短距起降战斗机发展的真正动力。



远洋海军在外海作战中保证基本战斗力的前提是必须保证防空安全,舰队要在脱离陆基战斗机掩护范围之外进行作战,其对空防御就必须依靠战斗机,而能够随舰队行动和提供持续空中掩护的海军航空兵力只有舰载机。经济和技术实力不强的海军对舰载航空兵的需求和大型航母高成本之间的矛盾,促使垂直/短距起降战斗机在海军航空兵发展过程中有了一席之地。虽然垂直/短距起降战斗机作为舰载战斗机的应用范围比较广泛,但目前国外海军舰载战斗机装备型号中除美、法和俄罗斯之外,几乎所有的固定翼舰载战斗机都是英国发展的"海鹞"或其改进型(如IAV一8B),同时垂直/短距起降战斗机在技术和战术性能方面存在的缺陷仍然是不可回避的问题。美国开发的F-35B虽然可以替代现有的"海鹞"或AV一8B,但其无论是装备规模还是战斗力都无法与F一35A和F一35(:相比,因此作为研制方的美国在航母上采用的仍然是常规的F一35C。



性能方面较之常规战斗机的差距是限制垂直/短距起降战斗机发展的关键因素,但是战斗机具备垂直/短距起降能力的需求却是始终存在的,因此美国在开发JsF项目时将垂直/短距起降作为项目的目标之一。F一35B的出现代表着垂直/短距起降技术上的又一次发展,但其比"海鹞"更大的出口难度反而有可能影响舰载垂直/短距起降战斗机的应用范围。



垂直/短距起降战斗机的动力技术



回顾美国F一35B垂直/短距起降战斗机的发展过程,可以说现在垂直/短距起降飞机的机体和动力设计比之前的雅克一38和"鹞"要更加简单。‘鹞"式战斗机采用的"飞马"发动机有4个旋转喷口(两个冷喷口和两个热喷口);x一32的发动机有3个可旋转喷口(两个冷喷口和一个热喷口);采用组合动力装置的雅克一38和雅克一141在安装两台升力发动机的同时,主发动机还分别采用了两个和一个燃气旋转喷口。作为目前技术上最先进、综合性能最好的垂直/短距起降战斗机,美国发展的F一35B采用了单台带旋转燃气喷。口的发动机和由发动i机驱动的升力风扇构成的组合动力系统,该系统既有"鹞"和x一32只采用单台发动机和冷热升力气流混流的优点,也有雅克系列组合动力装置升力平衡性能好和飞机气动外形容易安排的优点,同时其前置升力风扇取代升力发动机还可以同时解决燃料消耗大和热燃气烧蚀的问题。



雅克一14l和F一35B为获得垂直/短距起降能力而在动力装置布置上所采取的手段从技术和效果上说要优于"鹞"和x一32,而F一35B动力系统的综合性能、可靠性和维护性方面则要超过雅克一14l。可以说,F一35B的主发动机和前置升力风扇组合式动力系统是目前同类设计中综合性能最好的,至少迄今尚没有哪种为垂直/短距起降战斗机开发的动力形式在综合性能上更有优势。中国目前的航空动力技术已经突破了大推重比涡轮风扇发动机、推力矢量喷臼和数字式发动机/飞机控制装置等技术关键,由主发动机驱动的前置风扇在技术和制造方面没有高不可攀的难点。依靠目前的航空动力系统成品和技术储备,中国航空工业应该有能力在FWS-10增推型的基础上发展类似F一35B的动力装置。在自行发展的同时,如果适当参考和借鉴俄罗斯在雅克一14l上获得的经验与收获,那么理论上利用5年左右的时间和10~15亿人民币的投资,应该可以完成类似x一35那样的超音速垂直/短距起降战斗机的技术验证机,从而为中国海军航母和舰载战斗机的发展提供一个新的选择。



中国海(空)军对垂直/短距起降战斗机的需求前景分析



国外大规模装备垂直/短距起降战斗机的主要制约因素在于必须为此而在性能上付出很大代价, "鹞"和雅克一38这类垂直/短距起降战斗机的战斗力完全无法与常规战斗机抗衡。雅克一38和"鹞"、"海鹞"主要负责战术支援方面的任务,其有限的对空作战能力难以满足区域防空作战的要求,虽然它们作为战术攻击机还有部分优点,但是无法保证制空权则使它们失去了最主要的作用。正因为早期的雅克一38和"海鹞"制空能力不足的缺陷,导致苏联和英国(包括采用"海鹞"和AV一8战斗机的其他国家)海军航母难以执行舰队决战任务,这也是导致前苏联在装备垂直/短距起降战斗机之后仍然不得不集中力量发展战斗力更强的常规舰载战斗机的原因。


垂直/短距起降战斗机在综合战斗力上相对常规舰载机的差距是客观存在的,而且在未来相当长一段时间里这个差距不可能得到根本解决。但是,美国发展的F一35和俄罗斯的雅克一14l(虽然该机半途而废)却是在综合战斗力上最接近常规战斗机的型号,特别是大部分性能已町以与常规舰载战斗机正面抗衡的F一35B,已经为轻型航母弥补与大、中型航母的战斗力差距提供了可能。那么,中国现在对垂直/短距起降战斗机的需求有多大呢?这里不妨加以分析。



一、舰载垂直,/短距起降战斗机



垂直/短距起降战斗机实用化装备后最大的得益者就是海军舰载航空兵,因此需要舰载航空兵的国家在发展常规舰载机和大甲板航母出现技术和资金困难时,垂直/短距起降战斗机就成为所能采取的唯一选择。即使如前苏联,在发展苏一33和米格一29K常规舰载战斗机的同时,也没有忽略超音速的雅克一141垂直/短距起降战斗机,而是从中积累了丰富的技术经验。但对中国海军航空兵来说,通过从前苏联解体后的俄罗斯等国引进技术的途径却很难获得成熟的垂直/短距起降战斗机。



很多分析中国航母发展的文章看好垂直/短距起降舰载战斗机的主要理由有二:一是舰载机起降方式的变化可以降低航母尺寸规格和设计上的难度:二是国外海军大都从垂直/短距起降战斗机和轻型航母起步。不可否认,中国海军在发展航母和舰载机方面的确存在非常明显的技术和经验缺陷,但是舰载垂直/短距起降战斗机却并不适合目前中国海军舰载航空兵发展的需要。单纯从技术角度上讲,垂直/短距起降战斗机确实是发展舰载航空兵的捷径,但如果仔细分析各国发展航母的实际情况却可以发现,应用轻型航母的国家大都能够独立研制或者引进垂直/短距起降战斗机,因此航母发展自然可以做到节约高效。但中国的情况却与这些国家完全不同。中国目前的船舶设计和制造工业虽然已经具备生产大型军舰的基础条件,而且近年来通过从国外引进退役航母也掌握了部分相关技术,但是中国航空工业却根本没有发展垂直/短距起降战斗机的经验,而且目前也基本不存在从国外引进较现代化机型的条件。如果中国海军将舰载战斗机的获得寄望于垂直/短距起降战斗机上,那么就等于将船舶科研生产单位的技术风险转嫁到了航空工业之上。然而,中国航空工业在舰载航空兵建设上的基础和技术差距远大于船舶工业,国外看起来似乎高效的方法对中国而言却更加困难。



在中国周边,美国部署在太平洋上的军事力量是最为强大的,日本和印度近年来也在不断加强军事力量的同时开始扩张军事覆盖的范围,东南亚的多个国家在拥有F-16、米格一29和F/A一18之后也仍然在寻求具有更强战斗力的攻击机。在这种你追我赶的趋势下,具备第三代标准的双发远程超音速攻击机已经不再为大国空军所独有,越南、马来西亚等国就装备了从俄罗斯引进的苏一30远程多用途战斗机,韩国也引进和装备了F_15K多用途战斗机。更值得关注的是,中国周边国家远程战术航空打击力量的发展几乎都瞄准了海洋,给中国海军带来了很大的影响。可以说,中国海军一旦脱离陆基战斗机的掩护范围就将面对巨大的空中威胁,而且这些威胁同时存在于技术和数量两个方面。中国目前发展大型航母和常规舰载战斗机确实不存在大的技术困难,但经济上的压力却导致中国海军舰载航空兵很难迅速提高规模,尤其是必须依赖中型以上航母的先进舰载战斗机的规模提高更是困难。对手的强大迫使中国海军必须在舰载航空兵发展中重视质量建设,利用高性能战斗机的整体战斗力来夺取海上制空权。很显然,在这种大背景下,性能有限的垂直/短距起降战斗机的实际作用远不如常规舰载机那样有效。


二。陆基垂直/短距起降战斗机



陆基垂直/短距起降战斗机的开发在上世纪60年代达到了高潮,各航空技术强国无一不投入巨大的力量来发展,各种新设计的验证机和原型机集中出现,技术上产生了一个百家争鸣的兴旺时期,也为改变战斗机的发展趋势带来了希望。然而,随着垂直/短距起降技术应用后对战斗机性能的一些影响陆续暴露,这股垂直/短距起降战斗机的发展热潮很快冷却了下来。除英国和前苏联为航母使用要求还维持着必要的项目外,其他国家开始采用改善气动设计(萨伯一37)、司变后掠翼(F-111)、反推力装置(狂风IDS)等方法加以替代。从垂直/短距起降战斗机的使用情况分析,尽管设计时都号称海空通用,但除舰载外,大规模装备空军的前景并不乐观。垂直/短距起降战斗机难以在陆基广泛应用的关键因素是其性能不足,即使是技术性能世界领先并有通用性要求的JSF,在项目开始时也为空军陆基战斗机和航母载机部分选择了常规形式,而垂直/短距起降的F一35B曾一度处于下马的边缘。根据世界军用航空技术发展的整体趋势和战斗机型号应用水平来看,目前没有任何一个国家在新型战斗机(包括无人战斗机)开发中确定需要垂直/短距起降的能力,因此,至少在第四代战斗机的发展中,垂直/短距起降型将很难取代常规型。



中国战斗机的整体技术水平目前与西方先进国家差距在一代左右,在飞行控制和动力装置的综合性能上差距更为明显。中国战斗机发展的关键是尽快缩短与国外先进机型的整体差距,性能有限的垂直/短距起降战斗机对中国海空军来说需求并不迫切,主要精力还是要集中在发展常规高性能战术飞机上。



中国发展垂直/短距起降战斗机的基础和难点



轻型航母和超音速垂直/短距起降战斗机的配合能够获得不错的整体效果,尤其是低成本和快速形成战斗力的优势对于基础薄弱的国家就更有吸引力。垂直/短距起降战斗机的使用灵活性对空军和海军航空兵都有很大的诱惑力,因此说垂直/短距起降能力是先进战机未来发展的趋势之一。中国航空工业目前已经有能力独立设计和改进第三代高性能战斗机,但是高性能垂直/短距起降战斗机的技术基础却仍然薄弱,加之中国空军和海军对先进战斗机的要求又比较紧迫,因此短期内仍然没有足够的条件发展实用化的垂直/短距起降战斗机。



海军舰载航空兵是垂直/短距起降战斗机最大的需求方和使用者,以尽可能小的投入来获得先进舰载战斗机是海军追求的目标,但中国航空工业目前还不能设计出与先进战斗机相抗衡的垂直/短距起降战斗机(即使美、英等国也无此能力),因此中国海军航空兵在相当长时间里仍将以常规舰载战斗机为主,而垂直/短距起降战斗机技术则应以探索和技术储备为重点。



目前,中国海军在舰载机的发展中看来是打算采用引进和自行研制结合的手段,通过分阶段的发展来直接获得使用大甲板航母和常规舰载机的能力,但是对垂直/短距起降战斗机的需求即使在拥有常规舰载机之后仍然存在,这一需求甚至会随着航空技术的发展和航空战术的改变而逐渐提高。



发展垂直/短距起降战斗机的关键因素是航空动力装置的技术水平和结构选择。按照目前国外同类机型的技术条件和结构发展情况来分析,可以认为类似F一35B和雅克一141的主发动机+前置升力发动机/风扇的形式较为可取,虽然要增加一组动力装置并占用更多的机体内部空间,但却能够减少飞机在气动和结构设计上所受的限制,而飞行性能上所获得的收益又完全能够弥补前置发动机/风扇增加的死重和占用的空间。对F一35B、雅克一141与"鹞"的设计进行比较,可以看出现代垂直/短距起降战斗机在结构上要比早期的同类飞机更简单,但用来支持新机型的先进航空技术则比早期机型更复杂。垂直/短距起降战斗机的机体设计与常规战斗机相比并没有过大的差别,结构虽略为复杂却不会在总体上对设计产生大的影响。然而,垂直/短距起降战斗机的动力和飞行控制方面的设计难度则较大,并且又是直接关系到飞机是否能够在战斗力上满足与常规战斗机对抗的关键。可以说,垂直/短距起降战斗机的开发中最重要的是满足技术需求的发动机,但发动机恰恰是长期制约中国航空工业发展的瓶颈。



现代高技术战争的特点是战争的强度很高但过程却较为短暂,局部战争的短期性和高强度对装备技术性能和战术应用的要求比大规模战争还要高,军队手中的装备能否满足战争的需要,已经成为决定战斗胜负甚至是战争进程的关键。想要在战争中获得优势,中国军队就必须装备最好用也最适用的武器。战斗机的型号和技术发展要随着国家的军事战略和战术进行,现在甚至是未来相当一段时间里中国都不需要垂直/短距起降战斗机,但是科研单位最重要的工作却不是坐等上级的命令,而是要让中国军人能够在保卫祖国的战斗中拥有适用的武器。战场上缺乏任何一种适用的装备都必须要战士用生命去补偿,军工科研单位要做到的是让战士在战斗中尽可能地要什么有什么,真正做到让装备等人,而不是到需要的时候才想起要什么装备。虽然一只蹄铁灭亡一个国家的道理现今看起来显得过于遥远而空洞,但每一种装备甚至每一颗弹药确实都关系着战争的胜负,军事装备决策机关和军工科研系统能不能贴近实际地灵活发展新装备,将是决定我军在现代化高技术战争中胜负和付出多大代价的关键。



怎样发展中国自己的垂直/短距起降战斗机


通过技术手段使飞机在不损失性能的前提下最终摆脱对跑道的依赖,是自飞机出现以来各国飞机航空工业一直努力的方向,但要实现这样的愿望,除了强大的科研能力和基础工业之外,人类的勇气和毅力也是非常重要的因素。冷战期问,西欧和苏联投入了巨大的力量发展垂直/短距起降战斗机,而占据世界航空技术高端的美国却在垂直/短距起降战斗机的装备上显得落后,以致美国海军陆战队还要从英国引进"鹞"式飞机的技术来发展Av一8A。美国在垂直/短距起降战斗机装备上看起来比欧洲和苏联要保守和落后,但如果看到美国航空科研系统所进行的工作,却可以发现美国在这项研究方面是世界上规模最大且技术应用最大胆的,长达40年的基础研究虽然没有提供实用的垂直/短距起降战斗机,但美国在引进AV一8A后改进的AV一8B竟然又返销英国这个技术提供国,而在JSF项目上仅仅一个型号的开发就将其他国家远远地抛到了身后。通过美国在垂直/短距起降战斗机发展过程中所采取的策略和方式可以发现,增强技术储备的作用远比在技术不完善的情况下直接完成型号更为有效,虽然加强技术储备的方法在短时问里看不到明显的实用效果,但一旦突破技术瓶颈后的发展将会使实用型号得到很大的收益。



现代化的垂直/短距起降战斗机对中国的国防安全是重要的(虽然目前并不迫切),但中国航空工业在飞机的结构、气动设计、控制以及动力方面的技术实力和经验与发展类似F一35B这样高性能垂直/短距起降战斗机的要求之间还存在很大差距,而目前再发展类似雅克一38和"鹞"这样的低性能垂直/短距起降战斗机又不能满足军事上的需求。怎么办?笔者认为,既然单靠技术跟踪很难从基础上获得垂直/短距起降战斗机的先进技术,且这些先进的航空技术也不可能从国外引进,那么就应该在不具备实用化条件的情况下推进基础研究和试验工作,在发展实用化航空武器装备的条件尚不具备的情况下努力夯实基础,才有条件在技术得到突破后取得型号发展和应用方面的超额收益。



战斗机设计应用技术经常会因一个大的技术突破而从基础上得到改变,现在看起来非常先进的设计手段也许会因为一个革新而变得过时,曾经投入的资金、人力和技术力量也许不会得到实际应用,但是这些投入作为技术储备有时要比单纯的产品型号发展更有价值。现代航空技术的每一项发展和突破都建立在长期的技术探索和实验基础之上,不对航空技术发展的各方面进行有目的、系统的技术储备,那么在型号开发过程中就会遇到层出不穷的难关。在中国航空工业早期发展历史上,重型号应用、轻技术储备的做法曾屡屡使型号研制过程出现了许多难以克服的困难,歼一9等多个型号都曾因技术储备不足而导致半途而废,由此造成的影响直到上世纪末的调整阶段才部分得以解决。



美国军用航空发动机技术和应用水平已远远领先于其他国家,已经结束的高性能涡轮发动机计划(IHPTET)实现了推重比15~20的航空动力系统的技术突破;后续的经济可承受先进涡轮发动机计划(VAATE)更代表着比现有先进发动机推重比提高近一倍的发动机即将进入工程发展阶段。先进航空动力装置的发展使垂直/短距起降战斗机取代常规战斗机的趋势日趋明显,中国的航空科研系统必须及时抓住这个大的趋势进行技术储备,否则很容易再次出现被大幅度拉开差距的局面。



垂直/短距起降战斗机的研制和生产技术难度在现代战斗机中是较高的,但国外50多年的探索和应用研究已经达到了比较成熟和可靠的标准。美国、英国和苏联这些先行者对垂直/短距起降战斗机所做的工作,已经暴露和解决了中国在发展这个机型时可能遇到的绝大部分技术问题,中国现在开发超音速垂直/短距起降战斗机要比这些国家少走很多弯路,这个优势可以说是失去先机的后来者所得到的补偿。



中国要发展垂直/短距起降这样的先进航空技术必须依靠扎实的基础研究来推动。虽然现在直接发展类似F一35B的垂直/短距起降战斗机有很大的困难,但依靠国内现有的基础技术条件和必要的投资,利用现有机型的基本设计还是有条件改进出垂直/短距起降验证机的。国内现有性能较好的战斗机有歼一lO、苏一27、"飞豹"和IFC-l四个型号,由于歼一lO和苏一27的机腹进气布局难以布置升力风扇或升力发动机,"飞豹"又存在体积过大和双发动机难以协调的困难,因此只有FC-l是能够改进为垂直/短距起降战斗机技术验证机的最佳选择。成功设计了歼一10和FC-l的成都飞机设计研究所具有很强的创新能力和探索精神,在技术实力和前期准备方面能够支持这个需求。



中国发展垂直/短距起降战斗机最重要的一点就是要避免过分的功利性。面对一种高度复杂且从来没有系统接触过的新设计,必须在项目之初就着力避免依靠型号牵引技术发展的落后模式,而要从重视基础研究和技术储备的根本点上进垂直/短距起降战斗机的发展。不为飞机型号设定具备的用途,把设计人员从严格的框框中解脱出来,对项目进展中可能出现的问题采用先零件、再部件、再整体直到全统综合这种先易后难的步骤稳步地完成技术的开发和验证,这才是从基础上建立起支撑实用化型号发展和装备技术储备的正确之途.





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