主题：【原创】像鸟儿一样腾飞（一） -- 晨枫

比用引射产生升力更科幻的是所谓Coanda效应。Henri Coanda是一个罗马尼亚物理学家，他在著名工程师Gustav Effel（就是设计埃菲尔铁塔和纽约自由女神结构的那个Effel）的支持下，开始研究流体力学，发现了所谓“边界层吸附效应”（boundary layer attachment，也称射流效应），通常也称Coanda效应（所以也有直译为康达效应的）。Coanda效应指出，如果平顺地流动的流体经过具有一定弯度的凸表面的时候，有向凸表面吸附的趋向。开自来水的时候，如果手指碰到水柱，水会沿着手臂的下侧往下淌，而不是按重力方向从龙头直接往下流。

Coanda效应，注意水柱足够接近调羹表面后，会“抵抗”重力的作用而吸附到调羹表面，沿表面运动

利用Coanda效应，可以有意识地诱导空气气流，在机翼上表面产生比飞机和空气相对速度更大的气流速度，提高升力。70年代时，美国空军已经意识到C-130在速度、航程和载重上的局限，希望用喷气式中型战术运输机取代，这就是“先进中型短距起落运输机”（Advanced Medium STOL Transport）计划的由来。经过60年代的无功而返，美国空军已经不再强调垂直起落，所以AMST只要求短距起落。波音和麦道的AMST方案分别入选，参加对比试飞。波音的方案YC-14利用Coanda效应，发动机置于机翼前缘上方，喷流直接吹拂由于襟翼放下而弯度大增的机翼上表面，不光直接产生Coanda效应，还诱导周边的气流，一同产生增升效果。YC-14的试飞是成功的，但这时国防部采购政策正在助理国防部长David Packard手里大刀阔斧地改革，AMST计划最终被取消了。波音YC-14的“上表面吹气增升”（Upper Surface Blowing，简称USB，不是计算机上的那个USB啊）最终墙里开花墙外香，被安东诺夫用到安-72上，后者成为第一架采用USB的量产型飞机。

波音YC-14用所谓“上表面吹气增升”，用喷气气流加速上翼面的气流流速（实际上就是Coanda效应），实现短距起落

YC-14在德国海德堡空军基地演示的时候，发动机强大的吸力，把地上的水吸溜进发动机去了

安-72是第一架利用Coanda效应的量产型飞机

安-72的起落距离很短，但炽热的发动机喷流对机翼上表面的烧蚀严重，平飞中喷流依然流经机翼上表面，损失推进效率，油耗高

不过Coanda效应不是只能用于短距起落飞机的。用好了，Coanda效应可以实现垂直起落，这其中的佼佼者就是加拿大Avro的Avrocar。关于飞碟的传说很多，最后大多被证明只是人们的想象，但Avrocar确实很像飞碟，这大概是最接近传奇式的飞碟的飞行器了。Avrocar就像一个上面圆浑的大碟子，中间是进气的圆孔，周边是一圈小喷嘴。发动机产生高压排气，通过周边的喷嘴喷出，拉动上方气流，沿上表面高速从中心向周边流动，在飞行器静止的时候就可以形成升力，达到垂直起飞。垂直起飞后，重新调整周边喷嘴的气流分布，就可以实现喷气推进，一旦达到一定速度，飞碟本身的形状就可以产生气动升力，这时转入正常飞行。Avrocar是美国陆军VZ系列垂直起落研究机中的一个，在试飞中演示了垂直起落能力，但无法飞出地效高度，一进入无地效飞行，飞行控制就显得力不从心，飞行稳定性没法解决，最后下马了，留下一段飞碟的佳话。

加拿大Avro公司（就是曾经研制下马了的CF-105 Avro Arrow的那个公司）研制过涵道风扇达成Coanda效应产生升力的Avrocar

Avrocar是历史上最接近传奇式的飞碟的飞行器了，采用中央的涵道风扇进气，喷气从碟的周边喷出，拉动上表面气流，在上表面形成Coanda效应，产生升力，达到垂直起飞。在加速实现气动升力后，爬升并转入正常飞行

Avrocar离地飘行。尽管“飞碟”在理论上可以飞起来，实际上，Avrocar从来没有真正飞起来过，离开地效后，飞行稳定性问题没法解决

但是Avrocar引发了很多关于飞碟和外星人的联想

实际上，出资Avrocar的美国军方对飞碟的应用是很实际的

比升力风扇上更“优美”的是所谓引射增升（ejector）。引射是贝努力原理的一个应用，如果对文丘里管（背对背的喇叭口）吹入高速气流，在文丘里管的喉部会产生低压，这个低压会拉动文丘里管外上游的空气，和吹入气流混合，一起喷出文丘里管，最后文丘里管出口的气流流量大于吹入的气流。工业上常用这个原理，将大型容器内的气体抽吸出来。理论和实验证明，拉动气流和吹入气流之比可以达到1.5-2：1，如果在机身或机翼上安装引射装置，就可以用较少的喷气发动机引出高压气流，产生较大的直接升力，这就是引射增升的基本道理。和直接采用旋翼/螺旋桨/风扇的方案相比，引射增升容易和机体气动外形实现保形，减小正常飞行时的气动阻力；引射装置的布置比较灵活；引射的排气和周围的冷空气混合，温度、速度大大降低，对跑道或甲板的烧蚀较小，发动机吸入肺气的影响也小一些。70年代时，由于越南战争的拖累，加上传统的大甲板航母的采购和运行实在太贵，在时任海军作战部长Elmo Zumwalt海军上将（最新的“21世纪驱逐舰”DDG21就是用他的名字命名的）的倡导下，美国开始研究“海上控制舰”（Sea Control Ship）概念，意图用较小的（一到两万吨）的直通甲板小型航母，运载较少但仍有足够战斗力的垂直/段距起落飞机，补充大甲板航母的作战，美国海军开始对垂直起落战斗机认真起来。美国海军和工业界研究了众多方案，（十四）里的变形金刚也是当时的一个方案，目的是结合当时在阿波罗飞船上获得成功的空中对接技术，用重型吊车把垂直起落飞机吊到舷侧，然后点燃发动机，炽热的喷气流直接射向海面，不损伤甲板，着陆时把顺序反过来。类似的还有在“鹞”式战斗机背上吊挂的方案，但最后选定的是采用引射增升的罗克韦尔XFV-12方案。

XFV-12采用美国战斗机中不常见的鸭式布局，鸭翼低置，主翼为上单翼，翼尖设垂尾，总体布局比较前卫，但最前卫的当然是在机翼内和鸭翼内的引射增升装置。发动机为F401，这是本打算用于F-14B的海军型的F100发动机，F-14A的TF-30发动机发动机一直有动力不足和可靠性低下的问题，海军一直就是把F-14A作为过渡型战斗机，采用和F-15的F100发动机大量共享的F401发动机的F-14B才是海军心目中的理想战斗机，但F100和F-15的发动机进气道匹配问题及F100本身的可靠性问题，在F-15复议的前几年，差不多使任何时候至少有一半的F-15“永久性”地趴窝，海军的F-14A也就变成“永久性”的，直到装F110的F-14D的出现，但那已经为时太晚，不过这扯远了。对于XFV-12来说，F401的可靠性还没有成为问题，自身的基本设计已经问题多多。XFV-12的前后左右的引射增升装置控制俯仰和横滚，引射增升装置下方下洗气流中的控制面控制偏航。考虑到实际气动损失和不完全混合，实验室规模的XFV-12引射系统可以达到55%的增升率，也就是说，1份吹气可以拉动0.55份环境空气，但实际试飞时，主翼的引射装置只达到可怜的19%的增升率，鸭翼只达到几乎可以忽略不计的6%，远远没有达到设计要求。在计划大大超时超支后，海军的战略也转为“向大甲板航母一边倒”，XFV-12就此下马了。

洛克希德XV-4A“蜂鸟”是首先探索引射增升概念的研究机，XV-4A已经开始显现引射用于增升在理论效益和实际效果上的差异

平飞中的XV-4A，引射装置关闭，以减小阻力

在JSF之前，罗克韦尔XFV-12是美国最接近实用的垂直/短距起落战斗机

罗克韦尔XFV-12本来是准备成为海军的主力垂直起落战斗机的

机翼和鸭翼上的百叶窗打开后，引射增生装置就可以工作了，前后左右的引射装置及下面的导流片控制俯仰、横滚和偏航

两架XFV-12样机在装配中

这是已经装配好的两架样机

鸭翼上打开的百叶窗和喷气导管清晰可见

机尾的“塞”式喷管，在垂直起落状态下，主喷管关闭，喷气流通过导管导向机翼和鸭翼内的引射增升装置

XFV-12完成了系留状态下的悬停试验，但还没有进入到自由飞状态下的悬停试验，就下马了

XFV-12正在准备系留试验

旋翼也好，螺旋桨也好，产生推力的原理都是一样的。如果把螺旋桨用涵道包覆起来，变成涵道螺旋桨（ducted fan），初看和普通螺旋桨没有太大两样，但是涵道内外的气流有速度差，在贝努力原理的作用下，涵道内的高度气流可以拖动涵道外的低速气流，可以产生比涵道内气流流动多至50%的额外推力。涵道本身在平飞状态也产生升力，这时圆形的涵道实际上就构成了环形机翼。平直翼、后掠翼、三角翼甚至前掠翼是人们所熟悉的，但环形翼也是产生升力的一个有效方法。环形翼可以想象成翼梢小翼的一个极端，由于制造和分析上不如平面翼简单，一直没有得到重视，在涵道风扇上的应用可算是歪打正着。涵道风扇也可以倾转，除了涵道本身也产生升力外，倾转涵道风扇（tilt ducted fan）具有和倾转螺旋桨一样的优缺点，不过在涵道风扇在倾转过程中，唇部的迎角不断变化，倾转到一定程度时会引起失速，改变飞机的升力分布，带来一定的飞行控制上的困难，同时造成风扇进气的紊乱，和很大的嗡嗡声。Doak VZ-4是倾转涵道风扇的先驱，但最重要的倾转涵道风扇飞机应该是贝尔X-22。尽管美国海军这是三军联合的项目的一员，但海军更中意短小的倾转涵道风扇方案，以便由航母升降机容纳，也免除折叠机翼的必要。涵道风扇也对甲板人员比较安全。于是海军在参加XC-142的同时，推动贝尔X-22计划。贝尔X-22采用四台涡轴发动机，两两布置在垂尾两侧，通过交联的同步轴，驱动所有四副涵道风扇，每个涵道出口的一个气动控制面提供垂直起落和平飞中的飞行控制。巨大的垂尾实际上没有舵面，只是起方向稳定作用。X-22的涵道风扇的有35%的剩余功率，只要三个涵道风扇就能够实现垂直起落，只剩两个了还能正常平飞，在跑道降落只需要一个涵道风扇就够了。海军对X-22的试飞成果相当满意，责成负责研制X-22飞行控制的Cornell Aeronautical Laboratory（后称Calspan公司）继续完善自动飞行增稳控制系统。到80年Calspan完成项目，军方已经对垂直起落飞机失去耐心，X-22计划无疾而终。

Doak VZ-4是采用倾转涵道风扇的先驱

水平的涵道本身可以产生升力，但倾转过程中，涵道唇部会出现失速

Doak VZ-4从起飞到平飞的转换过程

贝尔X-22是又一个三军联合的项目

由于采用涵道风扇，没有不对称升力和后行桨叶失速的问题，可以放心采用刚性桨叶

四个大水桶一样的涵道风扇在空中翻转，也是一景

法国的Nord（后并入Aerospatiale）也研制了Nord 500 Cadet，发动机推力和涵道出口的菱形导流片提供悬停状态下的姿态控制

如果不倾转涵道风扇，而是把涵道风扇固定在机翼或机身内重心附近，用于在垂直起落时提供升力，在平飞的时候覆盖起来，减少阻力，这就是升力风扇的方案了。升力风扇方案并不新颖，二战后期纳粹德国热衷于一剑定乾坤的秘密武器，垂直起落战斗机是其中的一部分，升力风扇就是以研制号称二战中德国最优秀战斗机FW-190战斗机著名的Focke-Wulf的方案。但首先实现这个概念的，还是Vanguard Omniplane。Vanguard是由Piasecki分出来的一些人建立的，Omniplane时运不佳，完成系留试验后，机械可靠性的问题就早早终止了Omniplane的生涯。不久，制造航空发动机出生的通用电气希望涉足垂直起落领域，和Ryan合作，研制了XV-5研究机。XV-5比Omniplane要接近实用化多了，胜利风扇依然埋在机翼里，但在平飞的时候，可以由盖板盖起来，减小阻力。上盖板是背对背打开的两个半圆形，下盖板是百叶窗形，打开时用作悬停状态下的偏航控制。机首有一个由百叶窗遮盖的小型升力风扇，用于俯仰控制。XV-5的升力风扇有31%的剩余功率。XV-5暴露了升力风扇的一些问题：升力风扇占用体积过大，载油和机载设备很受限制。另外飞行控制响应不灵敏，悬停到平飞的转换只有很小的操作窗口，越界的话，容易失事。由于机翼内的风扇使机翼很厚，XV-5遇到很大的阻力问题，尽管是喷气式飞机，实际平飞速度不比二战时的螺旋桨飞机快。XV-5在70年代头上就下马了。不过升力风扇在90年代再现辉煌，入选的洛克希德F-35采用的就是升力风扇。F-35的故事容后再述。

Focke-Wulf的升力风扇方案

二战后期，德国秘密武器研制计划中，Focke-Wulf就有用升力风扇实现垂直起落的想法，但真正实现这一概念的，还是Vanguard Omniplane

其机翼中巨大的胜利风扇提供垂直起落时的升力，机尾的推进涵道螺旋桨提供推力，涵道后的气动控制面提供飞行控制

机翼实际上还是符合气动升力的要求的，就是特别肥厚了一点

通用电气是制造航空发动机的公司，但在50-60年代的垂直起落大潮中，也来赶了一回时髦，和Ryan联手，研制了XV-5垂直起落研究机，机翼上的盖板可以打开，暴露出机翼内的升力风扇

XV-5在悬停中，可以看到机翼上向上折起的风扇盖板，机翼下表面另有百叶窗式的盖板

这张图可以看到一点机翼下表面百叶窗

这里可以清楚地看到打开盖板后机翼里的升力风扇，注意机首还有一个关闭的“百叶窗”，下面是另一个较小的升力风扇，用于控制俯仰

平飞时，机翼上下表面的风扇盖板板关闭，减小机翼阻力

XV-5的风扇有点创意，是通过对翼尖吹气驱动的，即所谓tip turbine

现在网上又在炒美国的“曙光”飞机，这么高的速度，怎么解决机体过热？如果电离层包裹着机身，怎么实现雷达侦查的功能？