主题：【原创】闪电式的夹生饭（上） -- 晨枫

不知道在中国神话里玉皇大帝发起威来用的是什么兵器，在希腊神话里，主神宙斯发起威来，就抓起一把闪电丢下去，哪个倒霉蛋要是挨上一下，后果很严重。洛克希德飞机公司一定很喜欢这个口彩，把第二次世界大战中美国唯一从战前一直生产到战争结束的战斗机P-38命名为“闪电”。这架双发动机的重型战斗机不负众望，其累累战功中最出名的是在太平洋上的布干维尔岛上空把三本五十六的座机打了下来。进入喷气时代后，洛克希德的运气欠佳，在50年代并不太成功的F-104之后，一直要到90年代才连中两彩，接连获得F-22和F-35的订单，其中F-35被命名为“闪电II”。但是这一次，耀眼的闪电受到一直很牛气的美国海军陆战队的拖累，似乎蔫成了夹生饭了。

P-38是二战时代最成功的洛克希德战斗机，最大的战绩是击落三本五十六；F-22是当代最成功的洛克希德战斗机，最大的战绩是……击落了自己：因为成本太高，提前结束了生产

不过如今洛克希德最大的头痛还是F-35“闪电II”，这会是一锅闪电式的夹生饭吗？

美国海军陆战队是一支独特的武装力量，这是世界上唯一一支并列于陆海空三军的海军陆战队。美国海军陆战队的作战使命不仅包括抢占滩头，还包括作为一个独立的战役方向向纵深发展，所以美国海军陆战队不仅拥有适用于抢滩作战的轻步兵，还有坦克、炮兵甚至航空兵，包括旋翼和固定翼的航空兵。从某种意义上说，美国海军陆战队是现在世界上唯一拥有有机配属的固定翼航空兵的陆战力量。在海上，美国海军陆战队的固定翼航空兵伴随海军航空兵行动，担任舰队防空和对岸攻击；上陆后，则伴随地面部队滚动前进，同步提供空中火力支援。由于这样的独特要求，美国海军陆战队装备了AV-8“鹞”式战斗机。这是60年代英国为了应付核大战条件下机场跑道受损后继续出动的要求而设计的垂直/短距起落战斗机，后来被皇家海军采用，成为“无敌”级小型航母的舰载战斗机，并被西班牙、意大利、泰国、印度等国海军采用。美国海军陆战队采用“鹞”式之后，可以在上陆后就地构筑的简易钢板起降平台上出动，为上陆部队提供持续的空中掩护，而不受航母部署的限制。但是“鹞”式只有高亚声速，而且十分老旧了。2010年12月15日，英国最后一个“鹞”式中队在华丽亮相后退役了，美国的AV-8也同样渐入黄昏。

“鹞”式是美国海军陆战队有机空中力量的重要部分，也是海军陆战队空中力量中唯一不可替代的部分

但“鹞”式在英国老家已经降旗了，作为西方连续服役最久的战斗机，美国海军陆战队也将不得不在近年把“鹞”式退役

代替“鹞”式的就是F-35B，这是一号机BF-1在试飞

90年代中，在美国海军陆战队寻求“鹞”式替代的同时，美国空军也在寻求F-16的替代，美国海军则在寻求F-18的替代。由于基本战术要求相近，美国国会责令三军合作，研制一种具有隐身能力的三军通用的战斗机平台，三军可以根据独特要求发展亚型。美国空军的F-35A相对简单。由于这是大头，在发动机上和F-22达成某种通用性是最合理的，F-15和F-16共用发动机是美国战斗机发展史上的一个里程碑，但这也决定了F-35将是单发的。美国海军在传统上偏好双发战斗机，但为迁就海军而迫使空军改用双发不现实，现代发动机的可靠性已经足够高，90年代美国空军的研究表明，美国单发战斗机因为发动机故障而失事的机率不比双发战斗机高，所以美国海军的这种迁就是可以接受的。美国海军陆战队的F-35B则要求具有短距起飞、垂直降落的能力。正是这个要求使F-35的研发过程充满的曲折。

“鹞”式垂直起落时，垂直向下的炽热喷流容易对甲板或者地面造成严重烧灼

“鹞”式采用所谓“四立柱”垂直起落原理，发动机身兼垂直起落和巡航两职，死重较小，但结构复杂，飞控力矩很短，飞控难度较大

如果悬停高度较低，喷流从地面反弹，很容易再次被吸入发动机，更有可能在地面和机体之间造成高速外向流动，形成向下的吸力

雅克-38是“鹞”式之外唯一达到实战水平的垂直起落战斗机

雅克-38采用单独的前置升力发动机，控制力矩比“鹞”式要长，飞行控制比较合理，但死重较大

作为重于空气的飞行器，飞机产生升力的奥秘在于机翼，但机翼依靠速度才能产生升力，跑道就是供飞机加速、产生足够升力以升空的途径。要摆脱跑道，实现垂直起飞，只能用发动机的蛮力产生直接升力。发动机推力垂直向下以产生直接升力好比垂直爬天梯，在前进中通过机翼产生气动升力好比走斜坡，虽然最终都可以上升到同样的高度，但走斜坡明显比爬天梯省力。换句话说，滑跑起飞比垂直起飞省力省油，可以达到更大的载弹量和航程。“鹞”式的使用经验表明，垂直起飞在实际上使用很少，不光损失航程和载弹量，炽热的喷流还容易烧灼跑道或者甲板的表面。垂直起飞的另一个问题就是喷流回吸的问题，喷出的贫氧高温燃气在地面反弹，再次作为新鲜进气被吸入发动机，严重降低发动机效率，也增加机械损耗。苏军在阿富汗曾部署过雅克-38，用于近距支援地面部队，也出于这些原因，很快撤下了。另外，垂直起飞对飞行员的操作水平要求很高，稍有不慎，就有造成失衡的危险。滑跑起飞（包括弹射起飞）就相对容易。但垂直降落依然是必要的，美国海军陆战队的平甲板两栖攻击舰没有航母上的斜角下降跑道，为了不阻碍舰上飞机的连续出动，只有在起飞甲板后的甲板空间垂直降落。垂直降落时，飞机已经轻载，也没有航程、载弹量的问题，不必太顾忌耗油问题，这些都有利于降低技术难度。AV-8B的替代因此没有追求垂直起落，而是短距起飞、垂直降落，简称STOVL（全称Short Take Off Vertical Landing）。实际上，STOVL和垂直起落只隔一层纸，STOVL飞机不是不可以垂直起飞，只是载油量、载弹量大大降低。F-35B也是一样。

美国先进国防研究计划局（简称DARPA）在80年代就和美国航空工业界联手开始新一代STOVL技术的研究，其中波音的技术以“鹞”式的罗尔斯罗伊斯“飞马”发动机为起点，采用机体重心四周的四个转向喷管实现一体化的升力-推力系统。洛克希德则参考了俄罗斯雅克福列夫的分立式升力加升力-推力技术，但用升力风扇取代专门的升力发动机，和发动机转向喷口相结合，实现垂直升力。波音方案的整体气动布局受发动机喷口和机体重心的相对位置的限制很大，最后导致了波音X-32那不雅的尊容。波音方案依然有喷流回吸的问题，所以从压气机引出高压常温空气，从喷口和进气口之间的槽形喷嘴向下喷出，形成气帘，阻止喷流回吸。洛克希德方案采用一前一后两个直接升力来源，像用抬杠抬重物一样，控制力臂较大，有利于姿态控制的稳定性。由于升力风扇的排气是常温空气，在地面反弹回吸也不至于造成问题，在本质上解决了这个老大难。但洛克希德方案的难点在于如何把发动机的功率传送到升力风扇。

F-35B采用和雅克相似的设计思路

但把升力发动机换成升力风扇

不过这升力风扇在技术上非同小可，传动轴的传动功率差不多够驱动一艘驱逐舰了

后喷口采用独特的旋转套筒方式实现偏转，洛克希德也毫不讳言，这是雅克那里过来的技术

洛克希德和DARPA的合作围绕着叶尖涡轮概念，也就是像溪流推动水车一样，用高压喷流吹拂风扇的叶尖，驱动风扇。这个概念很有吸引力，不需要机械传动的轴系和齿轮。由于需要的气流量很大，从压气机引出所需的高压气流将严重影响发动机的工作，或者需要一个巨无霸的风扇，影响发动机的整体优化；如果从喷气流引出所需的高压气流，很难解决高温的喷气流在机体内转弯180度的问题，管道占用的空间、耐热都不好解决。在努力多年之后，洛克希德放弃了这个方案，改用机械传动，从驱动风扇的转轴引出延伸，经过齿轮减速，驱动升力风扇。这个结构不仅沉重，还需要传送相当于驱逐舰推进功率的大功率，技术难度非常高，但洛克希德和普拉特惠特尼最终解决了这个难题，这才有了今天的F-35B。

空军型F-35A不需要STOVL能力，升力风扇和传动系统的空间转用于额外的油箱，用以增加航程。海军型F-35C也照此办理，并大大加强了起落架，机体作了防腐处理，最大的差别则在于大大增加了翼面积和襟翼，以提高低空低速操控，适合航母起飞着陆的需要。

空军型的F-35A不需要垂直起落，升力风扇的空间用作额外的油箱

海军型的F-35C增大机翼，改善了低空低速操控，适合上舰

但问题出在垂直起落的F-35B上

F-35是按隐身战斗机设计的，所以采用机内武器舱，使得机体很是臃肿。为STOVL预留的空间进一步增大了F-35的机体，使得总重急剧攀升。在第四代（过去称为第三代，现在美俄统一将高机动战斗机这一代称为第四代）重型战斗机中，F-15C的空重为12700千克，正常起飞重量为20200千克；苏-27的空重为16380千克，正常起飞重量为23430千克。但F-35A的空重也达到13300千克，正常起飞重量则达到22470千克。也就是说，“轻型”的F-35A实际上和重型的F-15C、苏-27的重量相当。F-35B和F-35C更重，F-35B的空重达到14500千克，因为机内燃油量从F-35A的8390千克下降到6030千克，所以正常起飞重量下降到21310千克，不过机内燃油作战半径也从F-35A的1090千米下降到833千米；F-35C的机翼增大，空重达到15800千克，较高的空重和更大的机内燃油量（增加到8890千克，机内燃油作战半径1185千米）使正常起飞重量上升到25470千克；但F-35B和F-35C的最大起飞重量都和F-35A一样，限制在31800千克，这是由统一平台的结构载荷限制决定的。

为了补偿不断攀升的飞机重量，F-35的发动机最终成为世界上单发推力最大的战斗机发动机 ，非加力的军用推力就达111千牛，加力推力更是高达178千牛（一说军用推力125千牛，加力推力191千牛）。但F-35B的推重比只有0.85，依然远远低于F-15C的1.12和苏-27的1.07。F-35B的翼载高达499千克/平方米，远远高于F-15的357千克/平方米和苏-27的377千克/平方米。有意思的是，空军的F-35A由于机内燃油量和正常起飞重量的提高，推重比实际上下降到0.81，甚至低于以笨重著称的F-4“鬼怪”式；翼载高达526千克/平方米，甚至高于以“人操火箭”著称的F-104的514千克/平方米。海军的F-35C加大了机翼，所以翼载下降到410千克/平方米，但推重比进一步下降到0.71，仅略微高于专业对地攻击的F-105的0.69。F-35的最大速度也只有1.6（一说1.8）倍音速，甚至低于F-16和F-18，超巡更是免提。F-35A的机体按照9g过载设计，F-35C限制到到7.5g，F-35B进一步限制到7g。这是为了降低对机体结构强度的要求、避免进一步增重的原因。

作为对地攻击飞机，F-35家族无疑是称职的。但翼载太高，推重比不足，严重影响了F-35家族的机动性。战斗机机动性与升力和推力的关系并不直观。简言之，对于战斗机来说，升力不光用于克服重力，使战斗机得以飞行于空中，还是机动性的关键。换句话说，拉大弯需要首先横滚到几乎侧立，用机翼的升力产生转弯所需要的侧向力。所谓拉9g的圈子，实际上就是斜向的升力高达飞机重量的9倍。此时用于克服重力的垂直升力分量依然为1g，通过力的分解不难算出，此时侧向力为8.94g。对于一架典型重量为10000到20000千克的战斗机来说，这相当于882-1764千牛的侧向力，这是在可预见的将来任何发动机的推力转向都不可能达到的。翼载是单位机翼面积所承受的飞机重量，翼载越低，产生升力的“余量”越大。另一方面，拉大弯的时候需要拉大迎角以产生最大升力，阻力急剧增加，需要用特别大的发动机推力来补偿。所以，低翼载和高推重比是高机动性的基本手段。F-35的隐身、电子系统和先进导弹确实大大增强了F-35的空战能力，但如果说隐身、电子系统和导弹的进步使战斗机的飞行性能不再重要，那就看看美国空军是不是舍得放弃F-22而用F-35挑大梁吧。作为参照，F-22的推重比至少为1.09，即使在非加力状态，推重比也达0.72，翼载为375千克/平方米。