“威尔士亲王”号航母测试短距滑跃起飞和“滚动式”降落——
垂直起降舰载机能否突破“两难怪圈”
F-35B战机。 新华社发
前段时间，美军对垂直起降舰载机F-35B进行“滚动式”降落训练。其实，去年10月，美国和英国便以“威尔士亲王”号航母为平台，进行F-35B战机的短距滑跃起飞和“滚动式”降落测试，以寻求用更大机载重量完成战机起降。
近年来，缘于垂直起降过程中的苛刻条件和较大油耗量，各国服役的垂直起降舰载机事故频发。为了弥补设计缺陷，科研人员开始尝试为垂直起降舰载机升级发动机、变换起降方式、改造航母平台等。那么，垂直起降舰载机如何负重起降？短距滑跃起飞和“滚动式”降落能否成为其飞行新方式？未来配套技术及武器又会迎来什么发展？请看本文解读。
一个关于垂直起降的“两难怪圈”
1969年4月，英国皇家空军迎来一批“特种新兵”——虽然有着战机的外观，却能垂直升空并在空中悬停，这让飞行员惊叹不已。这就是由霍克飞机公司与布里斯托尔航空发动机公司联合研制的“鹞”式战机。
“鹞”式战机的“绝活”，源于一组特殊的“心脏”——搭载推力转向技术的“飞马”发动机，通过调节旋转发动机喷口，助力战机垂直起降，并在空中完成多种特殊动作。
随着战机投入实战，垂直起飞时挂载武器少、油耗大等问题逐渐显现，这也直接影响其海上作战能力。
如何让垂直起降舰载机“负重起飞”？科研人员的目光再次聚焦航母滑跃式起飞甲板。这种弧形上翘的甲板，能使舰载机在滑行后获得合适的起飞迎角，配合强劲的发动机，实现大载荷起飞。
这个过程就像童年时放飞纸飞机，先找准合适角度“巧借东风”，再大力抛出，纸飞机就可以飞翔。自20世纪70年代起，英国对“竞技神”号轻型航母进行改造，拆除了蒸汽弹射器，之后又将舰艏甲板改装成向上12度的滑跃甲板，通过“短距滑跃起飞、垂直降落”的方式，实现“鹞”式战机装备更多弹药远程作战，有效提升了垂直起降舰载机的作战半径。
除了“巧借东风”，使用轻薄材料减重“瘦身”，也是增加战机航程和弹药量的重要选择。航空界有这么一句话：“为减轻飞机每一克重量而奋斗。”科研人员论证设计飞机时，在材料、设备使用上的一项基本原则是“能减尽减”。
20世纪60年代末，苏联在初代垂直起降舰载机雅克-38的研发过程中发现，其升力发动机在飞行时不工作，给战机增加不少重量，导致油耗大、载弹量少，最大作战半径不足200公里，被称为“桅杆保护者”。
随后10多年里，苏联雅克夫列夫设计局在战机设计中广泛采用铝锂合金等复合材料，减少自身重量增加航程，并通过加装各种新型空战武器和对地攻击武器，让战机具备超视距空战能力。
1987年，苏联第二代垂直起降舰载机雅克-141问世。该战机碳纤维材料占比28%，最大起飞重量较初代垂直起降舰载机提升近8吨，作战半径700公里，最大飞行速度1.7马赫，成为世界上第一架实现超声速飞行的垂直起降舰载机。
2004年，美国在研发F-35B战机过程中发起了“减肥计划”。为追求轻量化，科研人员开展了持续8个月的升级改造工程，使用高强度黏合剂替代蒙皮紧固件，对每个细微零件进行铣削和磨削，甚至缩小了垂尾尺寸，为战机减重约1.225吨。
好景不长，F-35B出现了“减肥后遗症”。在2010年的耐久性测试中，F-35B试验机主要机翼承力隔框过早出现结构裂纹。机体结构强度大打折扣，导致首批F-35B战机的预计服役寿命仅为设计值的四分之一，并且在服役期间故障频发。由此可见，通过“减肥”实现战机“负重起飞”，是一个两难选择。
目前，美军又提出F-35B升级计划，通过改装发动机、提升新材料应用比例，以期大幅降低战机故障率、延长服役寿命，但最终能否突破垂直起降的“两难怪圈”，还是一个未知数。
组合方案助力安全起降
现代海战，远离陆基补给站，航空燃油是宝贵资源，且战机装备的精确制导导弹，一枚造价动辄上百万美元。为了保证军事行动的可持续性，垂直起降舰载机不仅要能够“负重起飞”，更要实现载弹载油安全着舰。
为此，科研人员采用“常规推进系统+升力系统”的组合方案，将发动机输出的动力进行分流，达到“飞起来”“落得稳”的效果。
第一步是通过涡轮主轴，将动力传送给位于发动机前部的风扇装置，该装置产生向下喷出的气流，再由风扇底部喷管对产生的升力进行矢量调节；第二步是通过偏转式喷口，将发动机燃烧室向后喷出的气流向下偏转，将战机支撑在空中，当战机需要向前飞行时，喷口会向后偏转，产生向前推力；第三步是通过两根导管，将发动机压气机产生的压缩空气分别引至两侧机翼，再通过翼尖上的喷口向下喷出。这样不仅能为战机提供更多垂直向上的升力，还能在机体重心偏移时，调节喷气方向，保持战机平稳飞行姿态。
俄罗斯图曼斯基设计局将常规推进系统升级为转喷口发动机，并应用在雅克-141战机上。该发动机喷口具备转向功能，可以向下偏转。在战机垂直起飞时，喷口向下喷射，提供升力；进入巡航状态后，喷口恢复水平，提供前进动力。此外，座舱后部机身串联安装的2台RD-41升力发动机，同样由图曼斯基设计局研发，专为提升战机垂直起降性能设计，确保在起降过程中获得足够升力支持。
然而，英国科研人员发现，无论是“常规推进系统+升力系统”还是“转喷口发动机+升力系统”，两种组合方案在恶劣天气条件下，经常会出现推力不足等问题。于是，他们开发出舰载机“滚动式”降落技术。
“滚动式”降落兼具传统常规着舰和垂直着舰的方式，舰载机以一定的下滑角从舰艉方向进场，在升力风扇、偏转喷管、机体气动结构的共同作用下，以“树叶飘落”的姿态减速抵近航母，触舰后依靠数字式防抱死刹车系统将地面刹车距离控制在50米以内。
虽然“滚动式”降落与标准垂直降落方式相比更复杂、风险更高，但降落过程中提供的强劲升力，让舰载机能够携带更大载荷着舰。2018年，英国皇家海军在“伊丽莎白女王”号航母上完成了187次垂直着舰，并进行了15次舰上“滚动式”降落试验，取得不错效果。
配套技术带动能力升级
20世纪70年代初，时任美国海军作战部部长艾尔默首次提出建造更小、性价比更高的“制海舰”，并搭载垂直起降舰载机。当时，该方案因垂直起降技术不成熟，遭到军方否决。
半个世纪过去，越来越多国家军队装备了垂直起降舰载机，与其搭配作战的两栖攻击舰也随之迭代发展。以2019年下水的意大利“的里雅斯特”号两栖攻击舰为例，它装备有滑跃式起飞甲板和泛水坞舱，能搭载约20架垂直起降舰载机，高效执行制海制空任务，一度成为各大军工企业争相模仿的“样板舰”。
与此同时，垂直起降舰载机的入列，也带动了一批配套技术和武器装备的快速发展。这些配套技术和武器装备成为垂直起降舰载机的“新搭档”，有效提升了战斗力。
飞行甲板穿“隔热服”。由于垂直起降舰载机起降时向下喷出的高温燃气，会对甲板形成高温腐蚀，科研人员在甲板热防护层的研发上下功夫。以英国皇家海军“伊丽莎白女王”号航母为例，科研人员开发出一种以铝钛合金为主的新型金属热障涂层技术，2.5毫米厚的防护涂层可以保护甲板承受上千摄氏度的发动机尾焰高温。
升力风扇 “减脂瘦身”。升力风扇虽然能为垂直起降舰载机提供更大升力，但占据大量机身空间，战机因此减少了载油量。战机平飞后，升力风扇又失去用武之地。为了进一步提升战机的动力效能，科研人员一方面采用前置升力风扇方式，降低迎风阻力；另一方面，通过减少风扇叶片数量，优化叶片气动设计，实现在保持大推力下的设备减重。
发动机“化繁就简”。推力矢量发动机偏转机构、调节板等复杂部件较多，精简设计可以提升推力矢量发动机效能。为此，一些国家科研人员提出气动推力矢量理念，在喷口中增加一小股可控方向的气流，对喷口主流进行干扰，产生推力矢量。用这样一堵“空气墙”代替传统的偏转机构，不仅可以使喷口重量减轻80%，降低一半的制造成本，还能加快推力矢量发动机的反应速度，有效提升垂直起降舰载机的机动性和敏捷性。
飞得更快、落得更稳、动力转换更高效……这些正在进行的变化，帮助垂直起降舰载机不断适应新的战场需要。
去年，英国皇家海军出台了航母改造计划——在伊丽莎白女王级航母的基础上拆除滑跃飞行甲板，加装阻拦索和电磁弹射器，让F-35B战机的起降过程更加高效便捷。
不仅如此，改造后的航母还将搭载舰载无人加油机。通过空中加油方式，可以增加垂直起降舰载机航程和作战半径。
从某种意义上看，这些配套技术的迭代升级和赋能增效，为垂直起降舰载机尝试短距滑跃起飞和“滚动式”降落奠定基础。武器装备的进化发展，很少单项跃进，更多的是合力推动，其效能究竟如何，还需进一步检验。（姜子晗 刘任丰 宋 鹏）
