问题

垂直起降战斗机可以是双发的吗?

回答
当然可以,而且事实上,许多双发垂直起降(VTOL)战斗机都已成功问世并投入使用,甚至在某些设计理念中,双发布局反而更能发挥VTOL的优势。

要理解这一点,我们需要先剖析一下VTOL战斗机的核心挑战和设计需求,以及双发布局如何与之契合。

VTOL战斗机的核心挑战

垂直起降能力,顾名思义,是指飞机能够在不依赖跑道的情况下,实现起飞和降落。这需要巨大的向上推力来克服飞机的自身重量。实现这一点的技术手段通常有几种:

1. 升力风扇(Lift Fan): 在机身中部或前部安装一个由发动机驱动的大型风扇,产生垂直推力。
2. 旋转喷管(Rotating Nozzles/Vectored Thrust): 将发动机的喷气流通过可旋转的喷管向下偏转,产生垂直推力。最经典的例子就是英国的鹞式战斗机,它的四台发动机喷管都可以独立控制角度。
3. 倾转涵道风扇(Tiltrotor/Tiltwing): 整个发动机吊舱或机翼可以倾转,将水平推力变为垂直推力。这在直升机和一些特种飞机的设计中很常见,但对于高速战斗机来说,空气动力学上的挑战很大。
4. 组合循环发动机(Combined Cycle Engines): 结合了涡轮风扇和冲压发动机等不同工作模式,在不同速度段提供最优推力。

无论是哪种技术,核心都需要强大的动力系统来支撑起飞和降落的垂直推力需求,同时在正常飞行时也要有足够的水平推力来满足战斗机的速度、机动性和载荷要求。

双发布局的优势在VTOL设计中的体现

那么,为什么双发布局在VTOL战斗机中也很有吸引力,甚至在某些方面更具优势呢?

推力冗余与安全性: 这是最直接的优势。在VTOL模式下,发动机需要提供远超正常飞行状态的推力。如果采用单发设计,一旦发动机失效,将是灾难性的。而双发设计,即使有一台发动机出现故障,另一台发动机仍能提供部分推力,理论上可以在一定程度上维持飞机的稳定,甚至进行紧急降落(如果设计允许)。当然,在VTOL模式下,即使一台发动机失效,剩余推力也可能不足以安全降落,但整体的生存概率会比单发高。
总推力输出潜力: 为了实现VTOL,发动机的总推力必须大于飞机的最大起飞重量。双发设计意味着你可以更容易地集成两台大功率的发动机,从而获得更高的总推力。这对于需要携带武器、燃油并在复杂空况下进行VTOL操作的战斗机来说至关重要。两台发动机可以协同工作,无论是提供纯粹的垂直推力,还是混合垂直和水平推力。
推力向量控制的灵活性: 在采用旋转喷管或矢量推力技术的VTOL战斗机中,双发设计可以提供更精细的推力控制。例如,通过独立控制两台发动机的喷管角度,可以实现更复杂的机动,甚至在空中“悬停”并进行小范围的姿态调整,而不仅仅是垂直升降。这种独立的控制能力对于精确着陆和近距离作战非常有利。
布局的平衡性: 将两台发动机对称地布置在机身两侧,有助于保持飞机的重心平衡,尤其是在VTOL过程中,对起飞和降落的稳定性至关重要。单发设计在平衡性和冗余性方面面临更大的挑战。
系统集成与冷却: VTOL过程会对发动机产生极大的负荷,导致温度急剧升高。双发设计可以将热量更有效地分散到两个发动机系统和机体上,有助于冷却和系统管理。

经典的双发VTOL战斗机设计——F35B闪电II

谈到双发VTOL战斗机,就不能不提洛克希德·马丁的F35B“闪电II”战斗机。虽然F35系列最出名的型号是F35A(常规起降型)和F35C(舰载型),但F35B是其具备短距起飞/垂直降落(STOVL)能力的关键型号。

F35B的设计堪称工程上的奇迹,它采用了单台主发动机配合一台升力风扇的组合模式。

主发动机: F35B安装了一台强大的普惠F135涡轮风扇发动机,这是目前世界上最强的单台航空发动机之一。这台发动机的推力可以在VTOL模式下通过一个独特的“升力风扇系统”进行重定向。
升力风扇系统: 这个系统由一个安装在驾驶舱后方的大型升力风扇组成,由主发动机通过一根传动轴驱动。在VTOL模式下,飞机通过一个特殊的“三轴承滑门”(3Bearing Swivel Duct)将主发动机的一部分气流导向后方,同时激活升力风扇。更巧妙的是,发动机的尾喷管也可以向下旋转180度,形成一个向后的垂直推力。
工作原理: 当F35B进入VTOL模式时,驾驶员按下特定按钮。首先,机头驾驶舱后方的一个盖板打开,露出连接到主发动机的升力风扇。同时,主发动机的后部喷管开始向下旋转。一部分气流被导向升力风扇,产生向上的推力;另一部分气流通过可旋转的喷管向下,再通过三个可自由转动的喷口(位于发动机两侧)排出,这三个喷口也可以进行微调以控制飞机姿态。这样,大部分推力就汇集到下方,支持飞机垂直爬升或下降。

虽然F35B表面上是由一台主发动机驱动升力风扇,但这种设计本质上是将强大的单发推力进行重定向和分配,以实现VTOL。从这个角度看,它也体现了对动力集成和推力管理的极致追求。

为什么不是所有VTOL战斗机都是双发的?

当然,并非所有VTOL设计都必须是双发的。如前所述,某些设计思路选择单发但通过更复杂的推力偏转技术来实现。比如前面提到的英国“鹞”式战斗机,它就是采用四台罗尔斯·罗伊斯“佩加斯斯”涡轮风扇发动机,通过独特的四组旋转喷管来控制推力方向。

选择单发还是双发,以及采用哪种VTOL技术,都是在权衡多种因素后得出的设计决策:

重量与复杂性: 双发系统天然比单发系统更重,结构也更复杂,维护成本可能更高。
发动机性能: 如果能找到一台足够强大且可靠的单台发动机,并且能够有效地实现推力重定向,那么单发设计也是可行的。
成本考量: 两台发动机的采购和维护成本通常高于一台。

总结

所以,垂直起降战斗机完全可以是双发的。双发布局在VTOL战斗机设计中,能够提供更高的推力潜力、更好的安全冗余、更灵活的推力控制以及更优的平衡性,这些都是在需要克服巨大垂直推力需求和保证复杂飞行模式下至关重要的因素。尽管像F35B这样的现代VTOL代表性设计采用了创新的单发驱动多点推力源的模式,但双发布局仍然是实现强大VTOL能力的一个可行且有吸引力的途径。随着航空技术的不断发展,未来我们可能会看到更多样化的双发VTOL战斗机设计出现。

网友意见

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垂直起降战斗机可以是双发的吗?

可以。不仅可以是双发的,也可以是多发的。


VJ 101:不算升力发动机,四发。

上图:疑似“世界首款超音速垂直起降战斗机”的西德VJ 101——设计时速2马赫。

一共6具罗罗的RB145发动机。翼端发动机舱各2具,机身纯升力发动机2具。

最终命运:造了2架验证机;1963年4月首飞,试飞极速M1.04;未能量产。


XF-109:不算升力发动机,六发。

上图:美国的XF-109,设计极速2马赫。

XF-109的概念完全类似VJ 101,只不过前者的发动机更多,达到了8具——8具GE的J85发动机:每个翼端发动机舱各2具,机尾2具,驾驶舱后面2具纯升力发动机。

最终命运:就造了个模型。


X-14:双发

上图:贝尔的X-14,两具GE的J85发动机,通过矢量喷管来实现垂直起降。

X-14是纯技术验证机,其实无论如何算都不上战斗机——但从技术特点上来说,毕竟有点战斗机/攻击机潜质,列在这里,就当凑数。

1957年2月首飞。

最终命运:技术验证机,就造了1架,验证任务结束就进博物馆。


XV-4:不算升力发动机,四发。

上图:洛克希德的XV-4.

美国陆军的VTOL技术验证机。算不上战斗机,但从技术特点上来说,毕竟有点战斗机/攻击机潜质,列在这里,就当凑数。

8具发动机:2具PW的JT12A-3LH,6具GE的J85——其中4具担当升力发动机。

1962年7月首飞。

最终命运:造了2架;项目取消。



XV-5:不算升力发动机,双发。

美国陆军的VTOL技术验证机。算不上战斗机,但从技术特点上来说,毕竟有点战斗机/攻击机潜质,列在这里,就当凑数。

5具发动机:2具GE的J85,3具GE的X353-5作为升力发动机——机鼻一具,机翼中间各一具。

1964年5月首飞。

最终命运:造了2架;项目取消。


双发或多发的VTOL战斗机少了点,上面列举的其实就前两个是战斗机,虽然也都没量产。

如果不非得局限在战斗机领域的话,那双发VTOL机现役量产的就有一位:

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