主题：【原创】像鸟儿一样腾飞（一） -- 晨枫

喷气式垂直起落飞机的终极当然是只用升力-巡航发动机，没有专用的升力发动机或巡航发动机，最大限度地减少死重。法国人Michel Wibault在50年代构想了这样一台发动机，将发动机主轴延长，驱动四台可以倾转的离心式压缩机，产生垂直升力，主发动机喷口也用百叶窗导流板，将剩余推力用于垂直起落。用四台压缩机是为了同时提供前后左右的姿态控制力矩，即所谓“四立柱原理”（4 poster），用离心式压缩机是因为当时技术条件下，离心式压缩机体积最小，产生的压力最高。事实上，早期喷气发动机很多都是用离心式压缩机的。Wibault找上法国航空界，但法国空军的兴趣集中在看起来技术上风险较小tail sitter，后来导致SNECMA Coleoptere系列，对Wibault的“体制外”的方案没有兴趣，Wibault只好去找北约的美国资助的“共同武器开发计划”（Mutual Weapons Development Program，简称MWDP），MWDP的Johnny Driscoll很快把Wibault的设想转交给英国的Bristol航空发动机公司，当时Bristol正在设计用于G.91轻型攻击机的MWDP资助的Orpheus发动机，所以两家互相都很熟悉。Bristol的Gordon Lewis很快把Wibault的离心压缩机更换成效率更高的轴流压缩机，并把核心发动机更换成最新的Orpheus，新的发动机成为BE.52，并申请了专利。

Bristol把BE.52的方案呈交给MWDP，MWDP出资75%，Bristol出资25%，两者联合起来，向Short飞机公司兜售。Short正在打MWDP的主意，一口答应，但资金到手后，还使回到前面提到过的SC.1研究机，把BE.52（此时改名为BE.53）为基础的垂直起落研究机丢到脑后去了。

Michel Wibault的方案，用轴驱动的离心压缩机产生垂直升力

布雷盖1010方案准备采用类似Wibault的设计，但法国空军的兴趣集中在SNECMA的Coleoptere系列tail sitter上，布雷盖1010和其它类似的法国方案都无疾而终

但是上帝关闭了一扇门，一定打开了一扇窗。英国的另一家飞机公司Hawker这个时候正在琢磨Hawker“猎人”（Hunter）式战斗机的后继问题。Hawker的“猎人”是英国50年代很成功的一种喷气式战斗机，在英国皇家空军和很多国外空军（如瑞士、印度）中服役，但50年代航空技术发展飞快，Hawker十分明白，必须立刻着手后继机的研制，否则就会落伍。Hawker推出了P.1103方案，竞争英国皇家空军的新型两倍音速、挂载导弹的高性能战斗机，但是落选。Hawker不灰心，自费将P.1103改进成P.1121，希望获得英国和国外的“猎人”式战斗机的升级市场。但57年英国政府宣布，国防研发重点转向导弹，有人驾驶飞机项目大量下马。Hawker一面继续寄希望于P.1121，一面开始寻求退路，希望在垂直/短距起落飞机上杀出重围，Hawker就是在这样的背景下，开始和Bristol就BE.53合作的。

Hawker“猎人”式战斗机，50年代英国和英联邦国家的主力战斗机

Hawker本来是在用P.1103方案竞争英国皇家空军的新型战斗机，无奈落选，

Hawker不灰心，在P.1103方案上，自费改进成P.1121，希望用来取代“猎人”式战斗机

P.1121也在英国国防采购政策倾向导弹后下马，Hawker只好另辟蹊径，在垂直起落战斗机上出奇兵

Hawker开始时还是三心二意的，对BE.53也不是太认真，主管的Ralph Hooper马马虎虎画了一个草图，但这是BE.53还是只有前面的四个转向喷管可以产生垂直升力。尾喷管只向后喷，这严重影响了发动机和全机的重心布置，最后设计成一个在地面需要高高扬起的怪设计，只有这样，才有可能借助尾喷管的推力实现垂直起飞。Hooper把先前的颌下进气道改成两侧进气道，再在翼尖和首尾增加了姿态控制喷嘴，这个时候灵机一动，把原本单一的尾喷管改成分叉的尾喷管，前后喷管都可以转动，这样所有四个喷管都可以用于产生垂直升力和水平推力，这就成了现在“飞马”发动机的基本布局。Bristol进一步将发动机风扇和压气机改成同轴反转，以抵消发动机轴向一个方向旋转在悬停时产生的陀螺章动，前喷管的喷气从压气机引出，而不再需要专门的轴流压缩机荷相应的进气道，“飞马”发动机成形了。但是，三心二意的Hawker这时候被英国皇家空军的攻击机竞争项目所吸引，但是又一次落选（入选的TSR.2也没有好下场，试飞成功后下马了）。军方对P.1121依然无动于衷，Hawker只好又回到Ｐ.1127上来。这个时候，英国皇家空军才姗姗来迟地提供风洞，但对于Hawker来说，这是军方有兴趣的第一个表示，而之前一直只是北约（其实就是美国）在资助。不过这又带来了新的问题：皇家空军和北约的要求不同，最后北约的要求演变到德国的VAK-191。59年时，P.1127正式上马，BE.53发动机也改名为“飞马”。

这期间，Ralph Hooper带着Hawker的试飞员到NASA，和美国同行研究垂直起落飞机从垂直起落向水平飞行过渡时的飞行稳定性问题，并在Bell X-14上作了实地试验。NASA也主动帮助试验自由飞模型，试验结果对Hooper非常鼓舞。

60年10 月21日，P.1127终于首次在系留状态下升空。第一架P.1127的垂直升力勉强能把飞机升入空中，连无线电通信装置都要拆除，以节约重量。试飞员Bill Bedford的右腿刚在车祸中骨折，还上着石膏，但他还是带伤上阵。姿态控制和系留索打架，飞机在离地不高的空中像喝醉的母牛一样东倒西歪。61年9月12日，Bill Bedford完成了第一次垂直起落到水平飞行的转换，10月28日完成了短距起飞，从一开始，人们就认识到短距起飞对增加载重-航程的作用。

最初的P.1127方案，尾喷管只向后喷，这严重影响了发动机和全机的重心布置

入选的TSR.2最后也没有逃过下马的命运

P.1127的原型“雀鹰”（Kestrel），已经初具“鹞”式战斗机的形象

“飞马”发动机示意图

“飞马”发动机向量喷口的液压作动机构示意图

罗尔斯•罗伊斯“飞马”发动机，注意其四叉的喷口

“飞马”发动机首次装入Kestrel研究机

“飞马”发动机的安装位置

Kestrel的姿态控制系统，注意首尾和翼尖姿态控制喷嘴和高压空气导管

为了避开发动机喷流对起落架的影响，Kestrel的起落架被布置成现代战斗机上很少见的自行车式，除前后主起落架外，还在翼尖设置了辅助的起落架

Kestrel的向下的炽热喷流很容易烧蚀地面，地勤人员正在喷水冷却

Kestrel的四叉喷口在这张图里很容易看见

翼尖倾转的升力-巡航发动机有减少向下喷气对机身烧蚀的好处，喷气回吸的问题也相对比较好解决，但沉重的发动机像哑铃一样挂在翼尖，远离重心，横滚方向的转动惯量很大，对机动性非常不利。像上述倾转喷气一样，在垂直起落阶段，远离中轴的升力发动机一旦故障或瞬时出力不足，非常容易引起灾难性的事故，所以VJ-101和XF-109都在翼尖采用双份发动机，但进一步增加翼尖发动机组的重量和复杂性。如果把升力发动机全部集中到机身内，这个问题就可以得到解决。苏联的雅可夫列夫就是这么做的，直接结果就是：雅克-38只有两台升力发动机和一台升力-巡航发动机。机体内的升力发动机也降低了单发失效对安全的威胁。但升力发动机安装在机体内，也是有其问题的。首先，炽热的喷气里发动机进气口很近，容易造成喷气回吸问题。第二，高速喷气在机体下延地面向两侧流动，而机体上方除升力发动机进气口附近外，空气相对静止，造成使机体向地面吸附的效果，即所谓suck down。雅克-36在使用中对飞行员的操控要求十分苛刻，一个不小心，就会出事故。雅克为此专门设计自动弹射救生系统，在垂直起落阶段，一旦机体倾斜超过一定程度，就自动弹射，速度和高度达到一定程度以上，自动解除。从某种意义上说，雅克-38是为了和“基辅”级航空母舰配套而匆匆投入使用的。作为作战飞机，雅克-38并不成功，只有600公斤的载弹量、100公里的航程和有限的机载电子设备，在实战中，很难作为同时代的F-14、F-18的对手。雅克-38的可靠性也十分糟糕，第一个中队的6架雅克-36随“基辅”号出航时，出发伊始，就有一半不能飞，等到一个月后返航时，只剩一架还能升空了。为了尽可能增加航程和载弹量，苏联海军飞行员最后走上德国和英国同行的路，采用短滑跑起落。但早期的雅克-38没有考虑滑跑起飞，前机轮不能控制转向。雅可夫列夫设计局根据使用经验，设计了改进型雅克-38M，不光前机轮可以转向，而且在机背升力发动机进气口两侧，增加了纵向的挡板，可以缓解一点喷气回吸的问题。苏联曾经想过将雅克-38用于前线近距对地支援，并在阿富汗试验性地部署了几架雅克-38，但垂直起落时造成的巨大尘土大大增加发动机的磨损，也严重恶化了飞行员视界，危害飞行安全。很高的地勤支援要求也使前线部署不实际，这个想法很快就放弃了，雅克-38再也没有作为陆地起落的战斗机部署过。苏联解体后，军费剧减，鸡肋的雅克-38在92年就推出现役，配套的“基辅”级航空母舰也很快推出现役，其中的“明斯克”号成了中国人的海上主题公园。

最早在海上遭遇雅克-38时，西方很是为之一震：莫非这是航母化的苏联海军的前奏？

雅克-38曾经是苏联海军航母化的希望，但只有600公斤的载弹量和100公里的作战航程，使雅克-38的实际作战空域和图中相差不远

可以看到，前升力发动机的进气门和排气门已经打开，升力-巡航发动机的喷口也转向垂直

按照设计，雅克-38只能垂直起落，但飞行员们创造性地使雅克-38短滑跑起落，大大改善了航程和载弹

雅克-38试验过在民船上垂直起落，由于对甲板烧蚀过于严重，只有在紧急情况下偶尔为之，没有作战价值，最后放弃了

雅克-38M是雅克-38的改进型，外表上最明显的改动，就是机背升力发动机进气口两侧的挡板，用于改善喷气回吸的问题。不太明显的改动是前机轮改为可转向，便于短滑跑起落时的控制

雅克-38双座型，这可以竞选选丑冠军了

苏军曾试图将雅克-38用于陆上的近距空中支援，但垂直起落造成的沙尘对发动机寿命和飞行员视野影像太大，其载弹、航程太低，对地勤的要求太高，远远不如武装直升机实用，很快放弃了

在雅克-38的基础上，雅可夫列夫设计局进一步设计了超音速的雅克-41（也称雅克141）。雅克-41在设计上比雅克-38要成熟很多，据说作为战斗机的基本性能不亚于米格-29，那比雅克-38是一个非常大的进步。雅克-38的发动机喷口是Y形的，在中机身向两侧分叉。这是为了保证升力-巡航发动机的喷口在机体重心附近。雅克-41反其道而行之，采用单一的向量喷口，但尾翼安装在喷口两侧的尾撑上。雅克-41进行了成功的试飞，但雅克-41生不逢时，正好赶上苏联解体，军购急剧缩水。雅可夫列夫用自己的经费还勉强支撑了几年，希望能吸引外国合作伙伴，但没有结果。海湾战争和ATF竟标后，雅可夫列夫看到隐身对新一代作战飞机的影响，将雅克-41按隐身要求修形成雅克43，后来还进一步改进成雅克-201，最后还是无果而终。然而，洛克希德看中了雅克-41的设计经验。尽管不能说X-35抄袭雅克-41，但X-35的设计受到雅克-41的影响是没有问题的，尤其是其升力-巡航发动机的安排，这是和雅可夫列夫交流的结果，洛克希德也供认不讳。

雅克-41（也称雅克-141）是吸取雅克-38的经验后研制的，本来有望成为第一架实战型超音速垂直起落战斗机，图中可以清楚地看到尾矢量喷管转到垂直起落状态，升力发动机的进气门、排气门也已经打开

雅克-41在较高高度悬停，可以看到升力发动机正在工作。较长的尾撑和双垂尾是配平全机重心的需要

吸取雅克-38的经验后，雅克-41从一开始就是按可以常规滑跑起落设计的

雅克-41的主要用户当然还是海军

在91年海湾战争后，雅可夫列夫意识到隐身将是新一代作战飞机的重要特征。在见识了F-22的新姿后，雅可夫列夫急忙推出雅克-43的方案，明显地采用一些隐身修形，但雅克-41的基本布局不变

雅克-43将比F-22更大，但性能就不好说了，毕竟是萝卜、青菜，不好比

还有更时尚的雅克-201方案，不过没有走下纸面

西德“全垂直起落化空军”计划中的运输机部分由多尼尔Do.31完成。Do.31采用翼尖升力发动机和翼下升力-巡航发动机。为了可靠性，翼尖的升力发动机组达到每侧4台之多，翼下发动机可以推力转向，增加垂直起落时的升力，并在巡航时提供推力。Do.31完成了大量的试飞科目，但在试飞中发现油耗惊人的问题。同时，垂直起落时，噪音非常惊人。翼尖巨大的升力发动机舱也在巡航时引起很大的阻力，作为战术运输机，并不实用。随着北约战略从大规模核报复向灵活反应转变，空军对垂直起落的要求大大降低，Do.31也随之下马。

多尼尔在战后专注于垂直/短距起落运输机，这是采用翼尖升力发动机加翼下升力-巡航发动机的Do.31，本来要作为西德空军的主要战术运输机，和VC-101、VAK-191一起，构成一个“全垂直/短距起落化”的西德空军

Do.31在悬停中，可以清楚地看到所有升力发动机门都打开了

Do.31在平飞中，可以看到，巨大的翼尖升力发动机舱形成很大的巡航阻力

Do.31已经远远超过方案阶段，多尼尔制成两架原形机

翼尖升力发动机的好处是不占用机内体积

翼下升力-巡航发动机的细节

翼尖的升力发动机细节

打开的翼尖升力发动机排气口

60年代时，垂直起落的风潮也席卷了欧洲民航界，德国航空工业力图在垂直/短距起落客机市场取得突破，在研制垂直起落军用运输机的同时，举办了一个垂直起落客机的竟标，其中不乏富有创意的方案，前述Messerschmitt Bo.140和VFW VC-180也是其中的候选，更有喷气式的HFB-600，极有创意地采用涡喷发动机驱动风扇，而风扇的推力方向由百叶窗导流板控制，在垂直和水平之间转换，实现垂直升力和水平推力。HFB-600在机身内另外布置4台专用的升力发动机，不直接喷气产生推力，也是驱动风扇产生推力，相当于涡浆发动机的变种，比纯喷气的低速推进效率更高，这对民航飞机更为重要。

同期，德国航空工业力图在垂直/短距起落客机市场取得突破，有国防部和汉莎航空出面，组织竟标，这是HFB-600方案

翼下的发动机不直接喷气，而是驱动风扇，风扇的推力方向可以由“百叶窗”转动，在直接升力和巡航推力之间转换

机身中段另有4台专用的升力发动机，同样驱动升力风扇，而不是直接喷气产生推力

西德的“全垂直起落化空军”中攻击机部分是VAK-191，这也是将专用的升力发动机和机身内的升力-巡航发动机相结合的方案，在机身前后各布置一台升力发动机，在中机身再布置一台类似“鹞”式的“飞马”发动机的升力-巡航发动机。VFW（Vereinigte Flugtechnische Werke，包括Focke-Wulf、Heinkel和Weser）的VAK-191是按北约大规模核报复的要求设计的，用来替代Fiat G.91轻型攻击机，是北约当时最为轻小的垂直起落战术飞机。在设计期间，北约战略改为灵活反应，VAK-191设计要求随之改变，降低核攻击的要求，更强调常规攻击和作战灵活性。VAK-191最大的问题是携载能力不足，短距起落靠滑跑中启动升力发动机实现，技术要求高，飞行员工作负担太大，在实战中不实际。意大利退出共同研制计划后，VAK-191作为量产型飞机的计划就中止了。

VAK-191在垂直起飞，注意其打开的升力发动机进排气口

VAK-191的发动机试验台正在试验

VAK-191的RB193升力-巡航发动机，注意其与罗尔斯•罗伊斯“飞马”发动机惊人的相似，这是罗尔斯•罗伊斯和MTU合作研制的，难怪

打开的后升力发动机进气口