宏亮瞻局｜垂直起降专利背后的技术脉络（下）

  冷战后期，多发方案也并没有在不算成功的雅克-38后被彻底抛弃，苏联人在冷战末也拿出了一款漂亮的垂直/短距起降战斗机，它可以超声速飞行，并很快打破了多项该类机型的飞行纪录。雅克-141采用升力发动机和转喷口发动机相结合的方案布局，机上安装一台图曼斯基设计局研制的R-79推力矢量升力/巡航涡扇发动机，在靠近飞机重心处两个尾撑之间装圆形可转向尾喷口，喷口转向地面时，与座舱后部机身串列安装的2台RD-41升力发动机同时工作，可提供飞机垂直起降所需要的升力与平衡力矩。

  这是一套简单、直接、实用的方案。纵列布置的升力发动机对飞机气动外形的负面影响比较小，它们也不需要复杂的大角度转向机构（仍可以小幅转向）。彼时苏联人还没有可媲美F119（美国人也没有）的强大动力源，将三台还不错的发动机搭配使用基本能满足需求，这让雅克-141的飞行性能相比雅克-38有了质的提升，也远超“鹞”式及AV-8B。

  但假如苏联人有一款更强大的发动机呢？或者换个思路，当手握F-119/135/136这样的超级动力的美国人看到苏联人的新设计后，又会碰撞出怎样的火花？

  其实早在1972年，通用动力康维尔公司就曾为美国海军的“海洋控制战机”项目提交过一份类似雅克-141的设计的具体方案。然而方案只是方案，康维尔的Model 200垂直起降战斗机及与之配套的普惠三轴承旋转喷管，它们都随着“海洋控制战机”项目的下马而仅仅停留在纸上。上世纪90年代中期，麦道公司提交参与JSF项目早期论证的方案也与雅克-141类似，只不过将升力发动机减少了一台，随着麦道在1997年被波音兼并，该方案只能让位于X-32。

  无论雅科夫列夫设计局在研制雅克-141时有没有从特殊情报渠道借鉴过Model 200，最后的结果，雅克-141制造出4架原型机并完成了数百小时试飞。如此，我们就不难理解为什么洛·马会在苏联解体后花钱从雅科夫列夫设计局购买雅克-141的有关的资料——尽管价格低得离谱。

  但如果仅仅将F-35B理解为对雅克-141的抄袭那就太有失公允了。洛·马设计师既没有采用雅克-141的多发组合方案，也没有自持手握强大发动机而简单的将单台发动机推力导流一部分给机身中部的升力喷口，而是创造性的拿出了一套升力风扇方案，这也是F-35B整套动力系统的最大亮点。

  F-35B的体型、体重都比“鹞”大得多，如果还是沿用“鹞”的老思路——像X-32所做的那样，就一定要通过加大进气道来获得垂直升力，其最终结果必将是X-32“丑陋”的翻版。洛·马工程师为了完全解决这一问题，放弃了传统的导流喷口，而是研制出一套两级对转升力风扇取而代之。简单来说，两级对转升力风扇可以使足够的空气转变为战机悬停所需的垂直气流，而无须增加发动机风扇的截面，进而避免了飞机在超声速飞行时所产生的阻力。而F-35B的垂直升力主要就依靠机身中部的升力风扇和机尾偏折后的尾喷管共同提供，它的进气道自然就可以设计得比较小。

  创新固然值得敬佩，但F-35B研发团队有底气尝试创新的前提是拥有一颗动力不仅强劲，甚至“冗余”的超级心脏。F-35B使用的发动机为普惠F135-PW-600，整套动力系统由以下几个部分所组成：发动机主体、左右各一个调姿喷管（喷气来自发动机）、传动轴、离合器、以及升力风扇。

  相对于F-35A空军型和F-35C海军型的发动机，F135-PW-600推力略有减小，但其最大特征是：悬停时发动机在非加力状态下产生的升力(176千牛)极高，甚至接近加力推力(191.3千牛)，之所以能做到这一点，有赖于发动机的全权数控系统(FADEC)发掘出了发动机的最大潜能。

  而作为这款垂直起降战机的关键，升力风扇由英国的罗罗公司负责研制。F-35B在悬停状态时发动机自身可以产生最大71.1千牛的升力，再带动风扇产生最大90千牛的升力；两侧的调姿喷管也能产生最大16.7千牛的升力，并依靠飞控系统完成垂直起飞的控制工作，使最大起飞重量27吨的F-35B实现爬升。

  F-35B最引人注目的技术难点在于，怎样以尽可能轻的传动装置传输尽可能多的能量。考虑到重心、传动系统质量以及效率的原因，罗-罗公司在飞机的重心前方的驾驶舱后部设置了升力风扇，其动力由发动机的低压涡轮产生，并利用长轴以及离合器带动风扇。根据计算，仅仅依靠一根长长的主轴、截面积为脸盆般大小的离合器、个位数的齿轮就能把相当于护卫舰级别的功率（约28000马力）传送到风扇部分！也正是由于这项创举，F-35B的联合研发团队获得了美国工业协会大奖。

  更具技术上的含金量的是发动机上的离合器。F-35B的发动机在启动后，低压涡轮就不断带动主轴旋转（此时并未与风扇系统接触），此时主发动机能在较低温度下以较小负荷运转，提高了可靠性和常规使用的寿命。等到需要驱动风扇的时候，离合器就使主轴与风扇接合，这样发动机便能以最高的效率将动力传送到升力风扇。由于离合器与升力风扇的速度差极大，在接合瞬间会产生超高温，这对材料又提出了极高的要求。

  F-35B于2015年7月正式服役。有趣的是，在“闪电”2家族三款机型中，结构最复杂的F-35B却是最早服役的。在冷战及后冷战时代一系列或成功或失败的垂直起降方案尝试中，F-35B无疑是对飞机气动外形和合理结构破坏最小的。其最终仅用一台发动机和一个主喷口（不算两个辅助调姿喷口）就实现了一款30吨级战斗机的垂直起降。因此该型机也拥有所有同类机型中最接近常规固定翼战斗机的飞行性能。

  平心而论，传动轴与齿轮构成的传动系统并无特别之处，而F-135的风扇传动系统作为一个要求极高的难点，其解决方案也并非什么复杂的“花活”，反而就是最简单的齿轮系统。但是，这简单至极的结构却正是以材料方面的扎实积累与研究为基础的。到头来，材料技术反而成为破解单发垂直起降战斗机痛点的最核心环节。

  至于F-35B貌似相对简单的结构是不是真的为其带来了“更可靠、更容易维护、成本更低也更易于大批量生产”的优势，至少目前看还有争论，且与当初“垂直起降界的AK-47和T-34”定位相去甚远。但它的确给出了一个清晰的实用化技术路线图供后来者借鉴参考。

  然而在文章开头提到的相关新专利中，我们正真看到其似乎更倾向于较传统的X-32路线，但又增加了一台大多数都用在提供升力的前置发动机。这里面可能有两个考虑因素：一是F-35的升力风扇系统对材料技术（恶劣工况下的强度、耐高温性能和重量等）的要求过高；二是如果像X-32那样仅用一台发动机提供动力，主发动机的位置就必须前移，影响整机气动布局，当然对发动机动力和推重比的要求也会高得多。

  不过这毕竟只是一项专利。我们始终相信中国如果正在研制自己的垂直起降战斗机，一定会在各种方案中反复比较研究，而其最终成果到底是啥样子，是单发还是多发，采用何种布局，我们拭目以待。