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揭秘消失的英国第三代垂直起降战机方案[组图]
2008年3月4日 09:15
来源:航空世界 作者:白伟 选稿:黄骏

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图片说明:采用X翼布局的P.1214-3.因其外形令人想到当时影片《星球大战》中的X-战机,因此该方案也被称为“星战战机”。(资料)

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图片说明:前掠翼布局的P.103方案,海狸型机尾值得注意(资料)

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图片说明:针对美国要求设计的P.103-2方案(资料)

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图片说明:P.1205测试模型,注意较大的可转向喷口就是PCB喷口(资料)

  声明:本文为《航空世界》杂志供《新浪军事》独家稿件。未经许可,请勿转载。

  众所周知,固定翼飞机要具备垂直起降能力需要付出很大的代价,“鹞”能够以如此简单的结构实现这种能力实在难能可贵,但是不能够进行超声速飞行是“鹞”的致命伤。因此第二代垂直起降战斗机则以具备超声速能力为主要目标。其中ASR.409曾经作为“鹞”GR Mk.5的第二代后续机种设计,而此后AST.410则是作为一种速度2马赫级别的垂直起降战斗机。这一机型的资料比较稀少,大部分文件都被销毁或者处于保密状态,但是可以确定的是这两种型号是以高空高速拦截为主要目的,因此按照划代可以归类为第二代垂直起降战斗机。在这一代垂直起降战斗机中当然还包括苏联的雅克-41。

  而按照相同标准,具备垂直起降能力的、装备有大推重比发动机且中低空盘旋性能良好的战斗机,则被称为第三代垂直起降战斗机。这一代垂直起降空战战斗机几乎可以说是具备了最美时代的外形和最复杂的结构系统,在设计上挑战最大、性能上要求最严苛,如果诞生则一定会成为航空史上的经典之作。然而遗憾的是垂直起降飞机耗资巨大却性能有限,而且对研制国的技术水平要求很高,因此脚步非常缓慢。第一代的“鹞”直到今天其改型还要一直服役;第二代垂直起降战斗机诞生的时候第三代常规起降战斗机已经发展到了巅峰,两者综合性能几乎不具备可比性;第三代垂直起降战斗机提出概念的时候,常规起降战斗机已经进入了以隐身为主要特征的第四代时期。

  因此第三代垂直起降战斗机还在襁褓之中即夭折了,英国很快转到全新的JAST计划中,并后来加入美国JSF计划的发展,随后第四代垂直起降战斗机F-35B诞生了。这样就使得历史上缺失了这独特的产物——第三代垂直起降战斗机。本文则主要介绍这历史上失落的一代。BAe沃顿(Warton)P.103

  BAe公司后期的总工程师伊万·耶特斯(IvanYates)曾经有一个想法,这个想法诞生于大约1977年,那就是设计一种反传统的、近乎疯狂的喷气式倾转发动机垂直起降战斗机。其最大的优势就是能够采用尺寸较大,垂直起降动力充沛,水平巡航表现良好的RB.199发动机。整个发动机短舱在起飞时倾转接近90度令喷口完全向下,以提供给飞机垂直起降时所需要的升力。

  对于一架垂直起降战斗机,计算机控制系统是必不可少的,同时也是最艰巨的任务。P.103采用的倾转发动机布局在进行垂直起降动作过程中发动机推力猛烈而不稳定,飞机非常难控制,因此P.103最大的障碍就是控制系统。此外还有一个棘手的问题就是飞机喷口尾焰的红外抑制和高空飞行的尾迹,这两项都是采用该布局的RB.199发动机的致命伤,如果不解决将严重降低P.103的生存性。

  虽然困难重重,不过在进行了风洞测试以及飞行性能模拟后。BAe公司还是认为该方案是可行的,因此随后制造了飞机的全尺寸模型。虽然几年后该计划因经费原因被迫终止,但BAe的工程师还是在该计划的研制过程中积累了大量的经验,为以后的工作打下了基础。

  BAe金斯顿P.1208

  P.1208是1978年的研制项目,主要目的是研制一种生存率较高、具备空战能力的对地攻击机I也就是说P.1208仍旧是一种攻击机而不是一种战斗机。178年5月30日,BAe在金斯顿召开的会议上正式决定P.1208“本质上就是‘鹞’式战斗机,不过它同时也是一种全新的飞机”,也就是说P.1208在整体结构上——主要是动力系统设计——仍将与“鹞”式战斗机基本保持一致,毕竟“鹞”是一个非常成熟的设计,动力系统可靠,而新飞机建立在“鹞”的基础上不仅仅降低了成本、缩短了周期,更重要的是风险比较小。当然BAe同时也强调了P.1208也是一种新飞机,而不是在“鹞”的机身上进行简单的改造。P.1208主要就是为了取代“鹞”,不过P.1208还有一个目的就是要替代昂贵且复杂的P.1205——一种装备有用于超声速飞行带加力喷口的垂直起降战斗机。然而由于目的不是很明确,作战意图不是很确定,因此P.1 208在设计之初就带有很大的不确定性。

  P.1208的动力装置将采用一种在“飞马”发动机基础上发展的矢量推力发动机,发动机并没有采用当时还在试验中的PCB(高压燃烧室)喷口。除此之外BAe还同期提出了一个采用三喷口布局的方案。两个方案采用的是相同的发动机,该发动机最大推力能够达到102.2千牛。

  P.1208最大的特点就是在低空低速下能够进行高过载大机动飞行,同时能够在野战机场、甚至普通的空地上就能完成完全的垂直起降。而在结构上,P.1208有别于其他同期计划的地方就是全机大规模采用碳纤维复合材料,尽一切可能降低飞机重量。这不仅仅是为了提高载弹量考虑。更重要的同样是提高飞机的机动性。为了进一步提高机动性,飞机还安装有前缘空战襟翼和后缘襟翼。

  P.1208除了翼下拥有6个挂点外,翼尖能够挂载两枚“响尾蛇”空空导弹,而且机内配备有两门固定机炮。

  最早的P.1208采用的是单座。随后BAe还发展了一个采用两侧进气后掠翼布局的P.1208-1。1978年9月1 5日,该方案发展成了采用下颌式进气、鸭式前掠翼布局的造型,并被赋予了P.1208-2的编号。

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图片说明:采用X翼布局的P.1214-3也称“星战战机”(资料)

    BAe金斯顿P.1209

  1979年,早期的P.1127亚声速垂直起降技术演示机已经开始发展成了一个庞大的改型家族,不过如果没有在P.1127基础上发展的“茶隼”技术验证机,那么今天闻名遐迩的“鹞”就不可能存在。也就是说对于垂直起降战斗机来说,一架合格的技术验证机是成功的关键。

  从P.1154计划中,金斯顿发现制造超声速垂直起降飞机在技术上是完全可行的,但是当时研究的重点还是放在了研制安装多台垂直起降发动机的方向上。经过长期的研究后发现其实单发动机配合PCB喷口才能获得最好的费效比,而安全性能也能达到可以接受的标准。但是没有可靠的试验数据是这个项目的致命缺点。即便如此。金斯顿坚信现在的市场更需要一个超声速的垂直起降型号,而这个项目最关键的一步就是制造英国独有的超声速垂直起降技术验证机。

  1979年3月30日,超声速垂直起降技术验证机P.1209的研制计划正式提出。P.1209最重要的验证目的是平衡垂直起降作业时和超声速飞行时之间的矛盾,也就是说机身设计在纵向和垂直方向都要完美地符合空气流动的需要。此外,P.1209还要用于研究喷口形状的优化和喷口在机身上位置的确定,同时还要确定发动机垂直作用中心、翼面升力中心和重心这三点之间的关系和具体位置。虽然通过计算和风洞试验都可以解决上述问题。而且早先制造的P.1127也的确是一种成功的技术验证机。但是这些所获得的试验数据还不足以支持新的设计所需要的所有要求。

  使用PCB喷口的超声速垂直起降飞机和“鹞”的区别主要还包括更大的喷口、温度更高的射流、更大的载油量(PCB喷口耗油量很高)。虽然一架超声速垂直起降飞机在某些方面和职能进行亚声速飞行的“鹞”很相似,但是区别也很大。所执行的任务、携带的设备、操作系统等都不一样。因此再制造一架专用的技术验证机P.1127是必需的。

  为了能够更好地测试PCB喷口,其中一个方案是把PCB直接改装在标准的“鹞”上进行测试,在PCB喷口周围设计一个简单铁质围壳整流,飞机设计马赫数1.6;另一种方案则是制造专用的P.1205验证机,将其他各项新技术也加在上面同时进行测试。在经过对比后BAe认为虽然可以用“鹞”直接改装,但是由于机身不一样,因此试验数据仅有参考价值,而且要改装一架所花费的钱其实和全新制造一架P.1209差不多,而且通过细致的优化后P.1209机身价格可能更低。而且可以验证PCB喷口在垂直起降和超声速飞行中的实际表现。

  重新优化设计的P.1209—2验证机使用了“飞马”11 F-33C发动机(实际上就是在AV-8B所装备的“飞马”11—35发动机基础上改装PCB喷口)作为动力,不过发动机外形进行了修改以使其射流尽可能接近新一代垂直起降用发动机。为了降低成本,飞机采用普通的金属作为蒙皮材料。整个机身都没有使用碳纤维复合材料,机翼也是最简单的桁条结构,而且没有主动控制系统。由于飞机没有采用复合材料且结构粗笨,结果整架飞机的重量比计划中没有控制系统和武器的P.1209-2验证机还重。

  P.1209—2的机翼、机身以及垂尾都和P.1205-11类似,只是尾喷口面积增加了7%,前喷口面积相同。普通PCB喷口温度1326.85摄氏度,载油量为4082千克。不使用PCB喷口最高海平面速度0.96马赫,使用PCB则能够达到1.54马赫。

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图片说明:P.1218-2方案(上)注意两侧翼根安装有固定机炮及P.1213-1方案(下)(资料)

    BAe金斯顿P.1214

    P.1214系列及整个衍生家族的设计目标就是追求能够同时获得超声速和垂直起降两项能力,这几乎也是冷战时期完美飞机的定义。在1979~1980年间,P.1214先进短距起降垂直着陆战斗机(ASTOVL)布局非常新颖,为前掠机翼、后掠平尾、双尾撑布局,采用了三喷口PCB发动机。然而遗憾的是P.1214最终也只是停留在图纸上。不过该机独特的X翼布局酷似当时火爆的影片“星球大战》中同样采用类似布局的x一战机,因此该机也被称为“星战战机”,并曾一度引起普通民众和媒体的关注。

  该系列家族的最后版本P,1214-4能够在翼尖挂载ASRAAM空空导弹。不过这个布局在当时已经非常落后了。可是金斯顿还是在这上面花了大量的人力物力和时间,而最后的成果竟然如此跟不上潮流,这令金斯顿的竞争对手非常吃惊,并在航展上非常仔细地研究金斯顿展出的模型并拍摄了很多照片,并检讨自己是不是什么地方搞错了。

  BAe金斯顿P.1216

  从1 957年的P.1127到1981年的P.1216,金斯顿一直在不懈地进行超声速垂直起降战斗机的研制,包括每一种可能的概念,不过最后发现其实没有任何一种比最原始的扭转喷口发动机更好。

  耗油量极高的PCB喷口在垂直起降工作状态其油耗能达到普通“飞马”发动机的2.5倍,不过在巡航飞行时则仅是其2/3。推力的比较上,PCB喷口在垂直悬停时推力增加35~40%,而在高速飞行时推力的增加则非常大。但是这套系统综合而言还是比“鹞”的“飞马”发动机费油,而且尾部机身和尾翼都因受到热喷流干扰影响而容易发生震动。为了调整飞机的重心位置和解决干扰问题,金斯顿将P.1216机身尺寸缩小,把发动机后面的机身部分去掉。 经过改动后,P.1216由三喷口布局变成了采用两个附有巨大整流罩的可转向喷口。虽然P.1216的设计很前卫,但还是保持了“鹞”可靠而高效的喷口,而且在坚固的尾撑下可以携带大量武器,同时尾撑前方还安装有机炮舱。

  双尾撑设计很好地对喷口的红外特征进行了遮挡,可以有效避免红外导弹追踪,尾撑前方还采用了模块化设计。可以随时将机炮模块拆下换装其他武器或吊舱模块。机身中段座舱后方只有单独的发动机舱,不需要设计独立的尾喷口。由于“鹞”装备的“飞马”发动机是50年代末设计的,没法适应新时代的飞机,因此P.1216需要换装罗一罗的RB.422发动机,只有前面的两个喷口采用了PCB结构,后面的喷口则是常规设计。RB.422发动机动力强劲,代表了当时最先进的发动机技术。和“鹞”不同,P.1216不用拆下机翼就能更换发动机,大大降低了后勤负担,提高了出勤率。而且由于机身的制造大量使用了碳纤维复合材料、铝合金和超塑材料,因此P.1216机身非常轻。

  P.1216可以满载油量和弹药短距起降,并能在任务结束时垂直降落。 此时有一些英国皇家海军官员提出在机头安装多模式雷达。以能同时进行对空截击和反舰任务,这就是P.1216的海军型。英国皇家海军之所以有这样的想法主要是因为对“鹞”在马岛战争中的表现非常满意,因此在寻求“鹞”的替代机种。而对于英国皇家空军和其他北约国家来说还有一项更重要的任务是反装甲近地支援,因此P.1216还需要安装新型的前视红外传感器。

  80年代前期,金斯顿仔细研究并整理了整个项目,P.1216计划还是有很多先进的地方,虽然飞机不太隐身,但是潜力是巨大的。再加上采用隐身涂料后其综合性能完全能够和欧洲战斗机计划媲美。然而该项目最终仍旧在常规方面败给了欧洲战斗机(“台风”),垂直起降方面败给了JAST(后来沿续成今天的F-35B)。

  BAe金斯顿P.1226

  P.1226是一种真正的第三代垂直起降战斗机。其第一个方案P.1226—1其实就是P.1216双发战斗机的亚声速版;而P.1226-2则是在“鹞”的机身上添加了全动前翼和前掠的机翼。机身则直接在“鹞”的基础上改造的,座舱后部的机身加长了45.7厘米,而“飞马”发动机后部的机身加长了91.4厘米。该项目虽然可靠性高、风险和成本都较低,但是在旧的“鹞”/AV一8B基础上改造的飞机在综合性能上不可能超过全新设计制造的F-35。 在欧洲战斗机(也就是现在的“台风”)发展过程中一直存在着一个很大的争议,那就是该机应该设计成短距起降型(STOL)还是短距起飞垂直降落型(STOVL),当然这其中最大的分歧就是是否能垂直降落。而从航空照片上看,无论毁坏得多么严重的跑道,仍旧能够保留至少500米的距离供飞机起降。大推力发动机和较低的翼载不仅能够赋予欧洲战斗机很好的敏捷性,更重要的是令“台风”能够具备短距起降能力以在破坏严重的跑道上升空作战。也就是说“台风”能够在提高飞机自身性能的前提下实现在被破坏的机场上起降,这也是“台风”能够击败金斯顿一系列第三代垂直起降战斗机的原因,这一代垂直起降战斗机是以降低飞机的性能——安装专用的发动机、设计专用的气动结构——来实现垂直起降,以能够在被破坏的机场上升空作战。因此BAe的金斯顿家族最终并没有能登上战争舞台,大部分都仅仅停留在了纸面上,而简单思维指导下的复杂结构也将慢慢被复杂思维下的简单结构所取代,整个第三代垂直起降战斗机就是最好的实例。

  BAe金斯顿P.1212

  Hs.1205系列是一整套成功的先进短距起飞垂直着陆战斗机(ASTOVL)家族。P.121 2是1979年研制的项目,也是整个家族中第一个采用“飞马”11 F一33型三PCB喷口发动机作为动力的型号。飞机采用下颔式进气、大型翼根边条设计,翼尖能够挂载“响尾蛇”空空导弹。然而经过风洞测试表明该机的控制面不能提供足够的滚转力矩,因此该计划随后中止研制。

 
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