標籤:

垂直起降戰機和常規起降戰機的發動機有何區別?


常規起降戰鬥機只需要產生水平方向的推力就行了,而垂直起降戰鬥機在垂直起降過程中需要垂直方向的推力,而且必須要超過自身重力,而平飛狀態又需要水平狀態的推力,所以需要在儘可能小的代價同時滿足兩個方向的推力需求。

F-35B所採用的F135-PW-600跟常規的F135-PW-100有很大不同,可以說是聚集了普惠,羅爾斯·羅伊斯和洛克希德·馬丁等軍工巨頭的科技精華於一身。其採用一個升力風扇和三軸承旋轉模塊(3BSM)矢量噴管,以及兩個滾轉控制噴管共同構成其升力部分組成,由此可以產生39400磅(17.8噸)的非加力垂直升力。

三軸承旋轉模塊(3BSM)矢量噴管通過尾部的三個不同截面的滾轉模塊旋轉,可以使噴管在2.5秒內從水平方向調整為向下95度,由此可以產生15700磅(7.12噸)的垂直升力。這種旋轉模塊調整矢量模式,在上世紀60年代就開始有進行試驗,但最早將其實用化的是,蘇聯圖曼斯基設計局給雅克-141垂直起降機設計的R-79V-300發動機,在圖曼斯基設計局破產前,洛克希德馬丁購買了R-79的全套技術。R-79發動機,由江湖傳聞,渦扇-15的核心機技術來源於R-79

英國羅爾斯·羅伊斯公司設計製造的升力風扇,從F135發動機第一級風扇轂上布置的一根轉動軸驅動,可以把28000軸馬力的功率傳遞給升力風扇的離合器和錐形齒輪系統,使升力風扇產生近20000磅(9.07噸)的垂直升力。RR公司的升力風扇整個風扇和轉動軸

主發動機分出的左右兩根姿態滾轉控制噴管,主要用來調整左右力矩,保證垂直起降時的的平衡姿態,這兩個噴管最大可以產生3800磅(約1.6噸)的推力。


垂直起降戰機大家最熟悉的應該是英國的「鷂」式了,它裝備的「飛馬」發動機是英國發動機傳奇巨頭羅爾斯-羅伊斯公司(以下簡稱RR)的傑作,在上世紀60年代,研發出這種推力轉向渦扇發動機是非常了不起的成就。要說跟普通起降戰機的發動機的區別,那首先就是複雜多了。

它除了具備普通渦扇發動機的基本結構,還設計有推力換向的旋轉排氣噴管。這種可轉向的噴管,向後噴氣就是正常飛行狀態,而噴口轉向向下,則是垂直起飛或降落狀態,「飛馬」發動機採用雙轉子反向旋轉來消除陀螺力矩,改善懸停和過渡飛行時的穩定性。鷂式戰機機身前後有4個可旋轉0°~98.5°的噴氣口,向下噴氣,產生垂直升力,在垂直/短距起落、懸停和過渡飛行時,操縱性和穩定性完全由噴氣反作用操縱系統控制。可以說是非常複雜而精妙的設計。

而常規起降戰機的發動機就是前面進氣,後面噴氣,相對於垂直起降戰機要簡單多了。

而現在大家熟悉的新垂直起降戰機當然是美製的F-35B,這種戰機的發動機結構又有所不同了。

看這張示意圖,F-35B採用另一種方案,前面多一個垂直安裝的升力風扇,而發動機尾噴口可以90度旋轉,當然這種方案來自蘇聯的雅克-141世界上第一種超音速垂直起降戰機,當然它生不逢時,適逢蘇聯解體,因而並未量產。

但這種結構被美國研發F-35B借用了,這種方案缺點也有,就是升力風扇除了在垂直起降時發揮作用,但除此以外,都是一塊死重,並佔據了座艙後很大一塊空間,對於飛機來說,重量比常規起降的F-35A/C加大,作戰半徑縮短,590海里(A型),600海里(C型)而B型是450海里,武器彈倉也相對被迫縮短,不能掛載大型炸彈而換了小直徑炸彈。

F-35B因為垂直起降而成為三種機型中設計難度最大的一型,但也因為其具備垂直起降能力,具備優異的使用靈活性而成為了F-35機型中最出色的一款,除了美國海軍陸戰隊採購之外,英國航母已經確定採購F-35B,作為其艦載機使用,以色列,日本等國也有採購意向。


常規戰機只需要發動機向後噴射即可提供動力,而垂直短距起降戰機,其發動機是可以調整噴射方向的,而且一般為了保持機身平衡,在機體中部也會有小發動機產生動力來保持肌體平衡。

常規戰機動力系統比較簡單,都是向後噴射,以此來提供動力。比如如今戰鬥機常用的渦扇發動機,首先就是在進氣口收集氧氣,然後通過後部的一個或者多個大風扇工作,起到壓縮作用,將氧氣和燃料混合起來進行壓縮,這樣一來能夠提升燃燒效率,使得發動機動力大增,提高推力。而像如今的五代機,尾部使用的都是矢量噴口,可以一定範圍內調整噴射方向,所以五代機才會具有極高的超機動性。

但是垂直短距起降戰機就複雜了,其在發動機大致原理上和常規戰機一樣,但是垂直短距起降戰機有垂直起飛的需求。比如著名的鷂式戰機,為了解決垂直起降的問題,就給其「飛馬」發動機設計了四個矢量噴管,噴出氣流來推動飛機升高,同時保證飛機平衡。

而F35B,參考了蘇聯雅克141的設計,在機體中部加裝了一個升力風扇,在起降時提供升力,保證平衡。而尾部的發動機噴口則可以調整到垂直方向,同樣提供動力。所以垂直短距起降戰機往往結構複雜,很容易發生事故。


垂直起降戰鬥機和常規起降戰鬥機的發動機既有共性,又有不同。

首先,對於目前的噴氣式發動機的性能要求和主要指標都是一致的。衡量一種軍用戰鬥機發動機的好壞有個很重要指標是推重比,就是發動機推力和自重的比值,這個比值越大越好。前一代先進噴氣發動機如美國的F100,F110能達到推重比8,到現在最先進的F119發動機推重比已經到了10。而供F-35戰鬥機使用的F135發動機推重比更是超過了10。另外發動機的可靠性,耗油率,適應氣流急劇變化特性,可維修性,使用壽命等性能指標,對於各種戰鬥機都是適用的。

但垂直起降戰鬥機為了達到垂直起降這個特殊要求,必然會帶來和一般戰鬥機發動機的變化。為了達到垂直起飛,都需要有向下噴流的強大氣流才能把戰鬥機給「托」起來,再逐漸轉化為水平的一般飛行,降落過程與之相反。因此目前已知的實用化的垂直起降戰鬥機的發動機,都有能向下偏轉的噴口,提供「托起」飛機能動力。

比如最著名的垂直起降戰鬥機「鷂式」戰鬥機使用的飛馬座發動機,四個噴口均可以偏轉,從起降狀態的噴口方向向下偏轉到常規飛行的噴口向後。同時代的蘇聯雅克-38戰鬥機也有類似解決方案,主發動機的兩個噴口也是可以從向下偏轉到向後,但雅克-38還使用了兩台升力發動機與設置在機身後方的主發動機噴口達到平衡。新一代的F-35戰鬥機的垂直起降型號F-35則使用了和蘇聯雅克-141戰鬥機類似的偏轉噴口,並與前方的升力風扇產生平衡升力,推舉戰鬥機進行垂直起降。和當年俄羅斯的解決方案不同,F-35B的前升力風扇也是由主發動機提供動力。

可見為了達到垂直起降的目的,垂直起降戰鬥機使用的發動機比如會增加很多結構上的重量,比如偏轉機構的要求就非常高,既要運動順暢,相應迅速,還要長時間耐受發動機的高溫噴流,確實是個不好解決的技術門檻。而升力發動機的工作時間一般都較短,只在起飛降落時發揮作用,而且不要求很大推力,能夠做到更大的推重比。比如雅克-38使用的RD-38升力發動機據報道推重比達到了20,這在一般發動機來說是不可想像的。


世界上最經典的三款垂直起降戰鬥機是「鷂式」垂直起降戰鬥機,雅克38垂直起降戰鬥機和F-35垂直起降隱形戰機。

垂髮戰機和常發戰機的發動機最大的區別,簡單地描述就是:垂髮可以改變推力的方向,從而實現垂直起降。常發只需要產生水平方向的推力即可。而且垂髮必須要超過自身重力,而平飛狀態又需要水平狀態的推力,所以需要在儘可能小的代價同時滿足兩個方向的推力需求。以F35B的發動機來說,其採用F135-PW-600的發動機,由一個升力風扇和三軸承旋轉模塊(3BSM)矢量噴管,以及兩個滾轉控制噴管共同構成其升力部分組成,由此可以產生17.8噸的非加力垂直升力。


發動機核心機本生區別不大,海遙用的飛馬發動機帶4個噴口,

F35上面的F135發動機採用的轉向噴口加升力風扇,其中發動機後噴口推力佔比43%,升力風扇佔39%,機翼兩邊各一個,佔18%,垂直起降發動機核心是轉向噴口和升力風扇


垂直起降戰機優點和缺點都很明顯,能像直升機一樣懸停,極速不高但是能做很多常規戰機無法做到的機動動作,對機場跑道要求大大降低,便於偏遠地區作戰,最適合海軍使用。缺點耗油量驚人,被冠以機場守護者的惡名,載彈量低下,單機制空作戰效率低下


推薦閱讀:

德軍中的「戰五渣」部隊—德國空軍野戰師
查科戰爭兵棋規則圖解說明
反貪污委員會:無法調查軍方高官的貪污行為
「雪豹」2坦克的前世今生

TAG:軍事 | 戰鬥機 |