中国购买垂直起降战机只有雅克-141可供选择


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资料图:雅克-141垂直起降战机

铁血网提醒您:点击查看大图 在冷战时期,垂直起降战斗机曾经受到高度关注。因为在核战争条件下,机场和航空母舰都很容易遭到毁灭性打击,从而使固定翼飞机失去起降的场所。从1950年代开始,各航空大国进行了各种垂直起降方案的尝试。但是限于当时的技术条件,大部分方案和试验机没有获得成功,仅有少数进入军队服役,例如苏联的雅克-38和英国的“海鹞”战斗机。这些飞机在性能上也存在着很大的缺陷,主要是速度低、作战半径短、载弹量小、可靠性差。垂直起降战斗机在航空武器中未能形成主流。但是垂直起降战斗机的固有优势仍然在不断吸引着各个军事大国的武器装备决策者。例如,在美国的JSF战斗机计划中,就专门保留了为海军陆战队设计的垂直起降型F一35B,说明美军对垂直起降战斗机仍然十分重视。


由于前几十年的积累以及近年来航空技术在发动机、飞行控制等方面的重大进步,使得垂直起降战斗机有望克服以前的缺点,在性能上接近常规起降的战斗机。在另一方面,由于远程精确制导武器的迅猛发展,使得常规战争条件下毁伤机场和航空母舰的能力大为增强,常规起降的作战飞机又一次面临着在战争中失去起降场所的威胁。技术的进步和需求的牵引很可能带来垂直起降战斗机的又一次发展热潮,我国在此方面也应当有所作为。尤其是我国正面临着发展航空母舰的选择。在选择舰载作战飞机上,一方面当然要跟踪传统模式,发展滑跃或者弹射起降的舰载机,另一方面也应当关注垂直起降舰载机。因为在相当长的时期内,我国不可能拥有较多数量的大中型航母,能够在两栖作战舰及改装民船上起降的垂直起降舰载机可以弥补舰载机数量的不足。垂直起降舰载机在两栖作战、近岸支援等方面,有出动速度快、反应迅速、能够跟进支援等优势。我国在垂直起降战斗机的研制方面几乎没有什么基础,只是在早期进行过不成功的探索,如果再无所作为,会被世界先进技术水平越拉越远。所以应当以此为契机,着手发展垂直起降舰载机。垂I起降战斗机的优势与限制垂直起降战斗机一般具有垂直起飞/垂直降落或者短距起飞/垂直降落的能力,这相对于通过滑跑方式起飞的战斗机来说有很大优势。第一、二代战斗机的起飞滑跑距离一般大于500米,着陆滑跑距离在1000米左右。第三代战斗机的起飞滑跑距离可以低于500米,但是着陆滑跑距离仍然接近1000米。拥有1000米以上跑道的机场,完全不可能保密,在核战争条件下,这些机场极易被摧毁。在精确制导武器普及之前,直接命中机场跑道较为困难,而在精确制导武器普及之后,命中跑道则非常容易。因此,如果发生势均力敌的现代化战争,这些作战飞机很可能面临着开战即失去战斗力的危险。各国采取了许多手段来解决这个问题,如机场快速抢修技术、洞库机场、公路机场等。而垂直起降战斗机则从根本上解决了这个问题,垂直起降战斗机只需数十米的空间即可垂直起飞/降落,短距滑跑起飞距离也只有一百多米,因此不存在失去机场的危险。


对于舰载机来说,如果采取滑跑起飞的方式,需要较长的甲板,因此现代大中型航母的甲板长度超过300米。但是这也将面临两个问题:一是大吨位的航母造价太高,绝大部分国家造不起或者只能建造少数几艘。二是大吨位的航母目标过于明显,少数几艘航母在作战中一旦被击毁或者击伤,舰载机即失去了战斗力。而垂直


起降战斗机则没有这个限制,可以在37Y吨以下的轻型航母和两栖作战舰上起降,甚至在改装的民船上也可以使用,这就突破了大吨位航母在数量上的限制,在使用上也更加隐蔽、灵活。


但是要使装备喷气式发动机的飞机能够垂直起飞和降落,在技术上有很多难点,总结起来就是四个方面:升力、平衡、操纵和安全。


固定翼飞机的升力主要来自气动力,飞机高速飞行时,空气高速流过飞机表面,在机翼上产生升力,使飞机能够飞起来。而垂直起降时,飞机相对于空气基本是静止的,也就没有了气动升力,升力只能来自于飞机自身的动力装置。由于发动机技术的限制,这个升力是不太够的。从第三代战斗机开始,飞机的推重比才略为超过1,而且这时飞机的重量一般只包括机内燃油和2~4枚空空导弹。而在实战条件下,飞机所携带的燃料和武器都会比这个多。我们以F-16 Block20飞机为例,该飞机携带2枚空空导弹,不带副油箱的重量为10800千克,发动机推力为10800千克。如果再携带两个1400升副油箱,则起飞重量约为13000千克。此时发动机推力低于飞机重量,即使使用全部的推力向下喷射也无法支持飞机垂直起飞。所以,垂直起降战斗机在垂直起飞时所携带的武器和燃油都十分有限,带来的缺陷就是作战半径过短。例如AV-8B飞机,垂直起飞时飞机重量不得超过9342千克,而飞机自身重量就有6336千克,飞机连机内燃油都不能带满。俄罗斯的雅克-38舰载机,在垂直起飞模式下,作战半径不到200千米。垂直起降战斗机一般采用短距起飞,垂直降落的模式,例如AV-8B采用短距起飞模式,最大起飞重量可达14吨。但是这时候的滑跑距离为435米,和常规起降的第三代战斗机也没有什么差别了。


光有升力还不够,飞机在垂直起降时还需要受力平衡。一般的战斗机发动机喷管安装于尾部,如果推力向下,飞机显然是不能平衡的。所以对于垂直起降战斗机来说,发动机的安装也是有讲究的。


在早期的探索中有很多种方案。比如发动机设计安装在机翼上,靠近重心,而且是可转动的,在起飞的时候转动发动机,使之喷口向下,飞机离地后再转向后。这种方案在机械上十分困难。另一种方案是飞机的喷口可旋转,在起飞的时候喷口向下,起飞后喷口向后,例如鹞式飞机就是采取了这种方案。这种方案中发动机必须布置得很靠前,使喷口位于飞机重心附近,带来的缺点是进气口必须很大,增大了飞机的阻力,而且发动机不能安装加力燃烧室。采取这种方案的飞机,最大速度受到限制。第三种方案就是飞机同时装备喷口向下的升力发动机和喷口向后(或者可旋转)的主发动机。缺点是升力发动机在水平飞行时起不到任何作用,成为多余的重量。


在垂直起降时,飞机 的气动操纵面基本失去作 用,如何控制飞机成为一个问题。现在一般采取反射式喷管来解决这个问题。从发动机引出几个导管,将空气引导到机头、机尾和机翼部位,通过向下喷气来控制飞机的姿态。飞机从垂直起飞模式向水平飞行模式转换,或者从水平飞行模式向垂直降落模式转换,需要控


制发动机或者喷口的旋转。这个过程也比较复杂,很容易导致飞行事故。现在一般采用电传飞控系统自动完成,以减轻飞行员的操纵压力。还有就是发动机向下喷气时,高温气流对地面或者甲板会产生严重烧蚀,使得飞机在野战条件下不能从陆地上垂直起飞,从飞行甲板上起飞时,也需要大量的维护工作。向下喷出的废气还会在飞机周围形成环流,又被发动机吸入。这种废气会导致发动机失去推力,使处于悬停状态的飞机坠毁。这是威胁垂直起降战斗机安全的一个重要因素。


垂直起降战斗机的发展契机


正因为有这些技术上的困难,所以从1950年代至今,研制的方案虽多,成功的例子却非常少。正式进入服役的只有雅克一38、“海鹞”等少数几种。而且在性能上远不能和常规起降的战斗机相比,只能作为特殊角色出现。


但是技术总是在发展进步的,对于垂直起降战斗机来说也是如此。一方面是由于数十年的淘汰,不恰当的方案被淘汰,有生命力的方案被保留下来。另一方面是由于发动机和飞控技术的进步,使得垂直起降战斗机的性能有可能获得突破。例如,现在最新型的发动机推比可以达到10,而之前只有7~8。我们仍然以F-16block20为例,假设它装备的是一台推比10的F一119发动机,推力就有15吨。当飞机携带2枚AIM-9和2枚AIM-7空空导弹,2个1400升副油箱时(这个状态已经符合实战需求),起飞重量约为13.5吨,发动机的推力可以满足飞机垂直起飞的需要。假设在不远的将来,发动机推力发展到推比15,则发动机推力可以达到20多吨,即使在最大起飞重量下也可以满足飞机垂直起飞的需求。


其它一些技术问题也在多年的技术积累中得到解决。例如升力发动机布局的问题,雅克夫列夫设计局设计出的尾喷管可以向下旋转95度。在垂直起飞模式下,主发动机的喷管向下旋转至近似垂直状态,和位于飞机前部的升力发动机共同推动飞机垂直起飞,使飞机处于平衡状态。在平飞状态,喷管又旋转至水平。F一35B也采用了类似的布局,但使用升力风扇取代了升力发动机,风扇向下喷出的是冷空气,部分解决了热气流烧蚀问题和废气循环的问题。电传飞控系统的发展,实现了垂直起降的自动控制,可以避免飞行员错误操作导致的事故。


因此,垂直起降战斗机发展至今,又获得了新的发展契机。苏联在1970年代发展的雅克-141垂直起降战斗机,就具有和常规起降战斗机接近的性能。只是由于苏联解体,这个计划未能继续下去。而F-35B的技术方案与雅克-141有较多相似之处,F-35B的诞生,可以视为垂直起降战斗机划时代的进步,说明垂直起降战斗机有望进入作战飞机的“主流”行列。而随着发动机技术的进一步发展,例如推比15发动机的出现,垂直起降战斗机有望在性能上完全达到常规起降战斗机的水平,甚至有可能出现垂直起降的运输机。这些飞机将使空地一体化作战达到全新的高度。


中国可以选择的起点


现在,中国一方面需要选择合适的舰载机,一方面需要在垂直起降战斗机方面跟上世界先进技术水平,因此,选择一种垂直起降的舰载机,从而将二者结合起来,是一个不错的选择。


发展垂直起降的舰载机,不可能再从头开始,而应当选择一个恰当的起点,以避免将别人走了几十年的路再重复走一遍。基于这种考虑,雅克-141对于中国来说是一个恰当的起点。 雅克-141是苏联发展的一种垂直起降舰载战斗机(原名雅克-41),1987年首飞,进行了常规起降、陆地垂直起降和舰上垂直起降的飞行试验。其中一架原型机1991年在航空母舰上降落时坠毁,之后由于苏联的解体和俄罗斯军方的质疑而停止。对于这样一种飞机,是否真的适合我们学习或者引进?应当从各方面进行考虑。


首先,从政治上说,雅克-141是我们能够获得的唯一一种垂直起降战斗机,而西方的垂直起降战斗机对于我国来说,基本上不可能获得。


从技术上说,雅克-141是否值得学习或者引进呢?我们可以对雅克-141进行一个简单的分析。


飞机设计安装一部S-41M多普勒脉冲雷达,对3平方米目标探测距离为80千米。全机有5个外挂点,最多可以携带2600千克的武器。可以携带的武器包括R-27中距空空导弹、R-77近距空空导弹、Kh-31P反辐射导弹、Kh-3IA反舰导弹、Kh-25对地攻击导弹。


从以上的数据可以看出,雅克-141是一种性能比较先进的垂直起降战斗机。它有几个优点:


1。最大飞行速度达到1.7马赫,和F-18相当,明显优于亚音速的AVl8B。


2。垂直起飞时的载荷和航程较大,具有一定的实战能力。


3。短距起飞时起飞重量达到19500千克,和常规起降战斗机相当,而滑跑距离只有120米,非常适合在航母上起飞。


4。航电和火控系统齐备,具有发射多种制导武器的能力,和常规起降战斗机相当。而鹞式战斗机以及卖给美国的AV-8A飞机是没有火控雷达的,早期的AV-8B也没有火控雷达。


较大的起飞重量、超音速、齐备的火控和武器系统,这些特点加在一起,我们可以认为雅克-141从设计目标上说就是一种可以执行多功能作战任务的舰载作战飞机,而不像雅克-38或者鹞式战斗机那样,只能承担一些特殊的角色。


雅克-141具有这些优点,来源于它的一些成功设计。雅克-141采用了升力发动机+主发动机的布局。在驾驶舱后安装了两台RD-41升力发动机,单台推力4100千克,机体后部安装一台R-79V-300涡轮风扇发动机,加力推力15500千克,垂直模式下推力14000千克,巡航状态下推力10980千克。雅克设计局设计了一种旋转喷


管,使得主发动机可以在垂直起飞和平飞模式下切换。当飞机垂直起飞时,主发动机喷管向下旋转95度,和两台升力发动机一起推动飞机垂直起飞。当短距起飞模式时,发动机喷口向下旋转62度。这种喷管使得飞机的主发动机可以安装在正常位置,而不像鹞式战斗机那样靠前。F-35B也采用了这种成功的设计。


为了平衡飞机的重量,机尾在发动机两侧向后延伸,垂直尾翼安装在延伸部分上。这种设计也为F-35B所采用。


飞机使用电传飞控,飞机在垂直起降模式下的操纵自动化程度较高,减轻了飞行员的操纵压力。从发动机引出的导管将空气引导到机体和翼尖,通过喷射气体来控制飞机的姿态。


雅克-141仍然面临着发动机废气的问题,为了防止发动机排出的废气再次进入进气道,在机身下安装了可伸缩的隔板。


遗憾的是雅克-141没有完成试飞过程就停止了。但是在此之前它已经进行了多次陆上垂直起降和舰上垂直起降试验,基本验证了设计的可行性。它的布局方案也为后来的垂直起降战斗机所采用,从这一点上可以看出雅克-141的总体设计是成功的,因此同样也可以被我们所采用。


雅克-141所采用的技术相对于我国目前的航空技术来说总体上是可以接受的。比如它所采用的材料主要是传统航材,它的R一79V300发动机,推比不到6度航电和飞控系统也没有超越我国现有的水平。


雅克-141的某些技术则是值得我们引进和学习的,比如它的旋转喷管,可以向下旋转95度,成功地解决了液压、机械和高温气体密封问题。它的升力发动机,单台重量290千克,推力4100千克,推比达到14(因为结构较简单,很多组件共用主发动机的),我国则没有研制成功的升力发动机。


雅克-141的设计年代较早,某些技术已经过时,因此可以利用现代航空技术对其进行改进。比如采用推比7的发动机可以减轻发动机重量,采用更先进的航电系统和武器可以增强飞机的作战能力,采用类似F-35B的升力风扇,可以减少发动机废气对地面和甲板的烧蚀,并避免废气进入发动机进气道。


雅克设计局也曾试图在雅克-141的基础上推出更先进的垂直起降战斗机,具有隐身设计,发动机推力增大到17500千克,最大起飞重量21500千克,机内燃油6000千克,最大载弹量4200千克。在短距起飞模式下,携带1000千克武器时航程2400千米,携带2000千克武器时航程900千米。这个方案的设计性能已经接近F一35B,说明雅克一141具有一定的发展前景。无奈由于资金问题,这些设计无法付诸实现。


我国通过引进和学习雅克-141的技术,可以大大提高我国在垂直起降战斗机方面的研制水平,弥补我国在过去数十年内的欠账,为自行研制下一代垂直起降战斗机奠定一个良好的基础。如果可能的话,通过合作的方式将雅克.141的试飞过程走完并进行一定程度的改进,也可以在较短时间内获得一种比较先进的垂直起降战斗机。无论从政治上还是技术上看,引进雅克-141的技术,对于我国自行研制垂直起降战斗机,都是一个恰当的起点。《舰船知识》杂志2009年第3期


雅克-141的基本技术数据


机长:18.3米


翼展:10.1米


机翼面积:31-7平方米


空重:11650千克


最大起飞重量:


滑跑120米时19500千克


垂直起飞时15800千克


最大平飞速度:1800千米,小时


升限:15000米


机内燃油:4400千克


最大外挂能力:


滑跑120米时2600千克


垂直起飞时1000千克


垂直起飞时的实用航程


(无外挂)1400千

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