垂直起降飞机发展历史和研究现状分析
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[摘 要]垂直起降飞机是能够垂直起飞、悬停、降落的一种特殊构型的的飞机，具有机动性强，隐蔽性好，对飞行场地条件要求低等特点。本文基于垂直起降飞机的发展历史和研究现状，着重介绍了其动力系统及技术特性，为致力于垂直起降飞机的研发团队提供一定的参考价值。
[关键词]垂直起降飞机历史现状技术特点
中图分类号：V 2 2 1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0234-01
1引言
垂直起降（vertical take-off and landing，VTOL）飞机能够以垂直或接近垂直的方式起飞和着陆。与传统飞机相比，垂直起降飞机减少或基本摆脱了对跑道的依赖，只需很小的平地就能够起飞和着陆，在战争中可以分散配置，便于灵活出击、转移和伪装隐蔽，不易被敌方发现，大大提高了飞机的战场生存率。
2历史沿革
2.1旋翼类垂直起降飞行器
垂直飞行的概念在数千年前就已经存在，而垂直起降飞机即最早的直升机第一次出现在达芬奇的素描本中。本文对此不做详细介绍。
2.2螺旋桨动力的尾座式垂直起降飞行器
1951年5月，洛克希德和康维尔集团试图设计、建造垂直起降战斗机。此类以螺旋桨提供动力，尾座式布局的垂直起降飞机，需要设计和配置倾转结构，意味着要牺牲很大的重量，因此为满足起飞重量的要求，飞行员要从几米的高度进入飞行座舱。因倾转结构与整体重量难以达到一个良好的平衡关系，而且在飞行测试中发现飞机存在极大的操控问题，最终项目流产。
2.3涵道风扇动力的垂直起降飞行器
20世纪50年代，人们尝试将由发动机驱动的垂直风扇应用于垂直起降飞机。直至60年代，美国人率先研发出喷气动力垂直/短距起降飞机，代号为Ryan XV-5 Vertifan。其动力系统由两台通用电气J86-GE-5型涡轮喷气发动机组成，单台可提供约2658lbf（11.8kN）的推力。三台升力风扇分别位于左右机翼和机腹位置，可直接利用发动机产生的高压气流，产生约16000lbf（71.2kN）的垂直升力，大小几乎是涡轮喷气发动机推力的三倍。
2.4倾转旋翼（螺旋桨）动力垂直起降飞行器
1964至1972年间，Canadair公司设计并制造了垂直/短距涡轮倾斜单翼飞机CL-84。其动力系统由两台ShpLycoming T53涡轴发动机组成，驱动两个约4.3米大小的四叶螺旋桨。发动机通过横向轴相互连接，当其中一个发动机失效的情况下，扭矩弹簧离合器会自动断开，螺旋桨将由剩下的发动机驱动。基于深度考虑空气动力学的因素，注重机体整体气动设计并且尽可能简单直接的利用并控制动力，CL-84在垂直起降飞机发展史上具有里程碑的意义。
2.5喷气发动机推力转向的垂直起降飞机
1954年，由罗罗公司研发的垂直起降飞机Rolls-Royce Thrust Measuring Rig （TMR），被誉为世界上第一架可任意起降的喷气式飞机。其设计堪称独一无二，设计师创造性地使用一对背对背安装的Nene涡轮喷气发动机提供动力，外侧则用一个围绕发动机构建的矩形管状框架固定，框架上方为一平台，可容纳一名飞行员。它没有任何升力面，其升力完全是靠发动机气流撞击地面从而产生的推力提供。由于机身尺寸太小，TMR的最大飞行续航时间仅为6分钟。
3发展现状
（1）鹞式飞机
鹞式战斗机（英文：Harrier Jet），属于喷气发动机推力转向的垂直起降飞机，是由英国霍克飞机公司和布里斯托尔航空发动机公司研制的世界上第一种实用型垂直/短距起降战斗机[1，2]。鹞式战斗机机长14.12米，翼展9.25米，由一台罗罗公司生产的飞马105推力矢量涡扇引擎发動机提供动力，可产生约21730lbf（96.7kN）的推力。鹞式战斗机具有中低空性能好、机动灵活等特点，其最大缺点是垂直起飞时航程和活动半径小、载弹量小并且陆上使用时后勤保障困难。
（2）Yakovlev Yak-38
Yakovlev Yak-38是前苏联唯一投入现役的垂直起降战斗机，此外它也是第一架舰载固定翼飞机，同鹞式战斗机一样，属于喷气发动机推力转向的垂直起降飞机[2，3]。Yak-38机长15.5米，翼展7.32米，折叠后4.88米，动力系统由一台图曼斯基R-27V-300涡轮喷气发动机和两台科列索夫RD-36-35FV升力发动机构成，可分别产生14960lbf（66.6kN）的飞行推力和7875lbf（35kN）的起飞升力。Yak-38是专门为“基辅”级航母量身定做的一款战机，但是其载弹量及作战半径均不尽人意，作为作战飞机，Yak-38并不成功。
（3）V-22鱼鹰
V-22鱼鹰倾转旋翼机于20世纪80年代由美国波音公司和贝尔直升机公司联合研发，2006年11月进入美国空军服役[4]。V-22机长17.5米，翼展14米，每套旋翼系统由一台Allison公司制造的AE1107C涡轮轴发动机提供动力。其突出优势是速度快，被誉为全球最快的直升机，此外由于倾转旋翼机在巡航飞行时，因机翼可产生升力，旋翼转速较低，相当于两副螺旋桨，耗油率比直升机低，所以它具有更远的航程。但是倾转旋翼类飞机设计结构复杂，尤其是机翼旋转结构和旋转式短舱结构，技术难度高，研发费用大，可靠性低。
（4）F-35B
美国F-35B是垂直/短距起降战机，由F35A战机泛生而来[5]。2008年6月，F-35B联合攻击战斗机成功完成首飞。F-35B攻击战斗机是美国的一款由洛克希德·马丁公司开发的单引擎攻击机，能进行短距离起降/垂直起降，属于第五代战斗机，机长15.37米，翼展10.65米，由一台美国普惠F135增推型发动机提供动力，可产生28760lbf（128kN）的推力，其作战半径超过1000公里，可以超音速巡航。
（5）垂直起降无人机
进入21世纪以来，无人飞行变得愈发普遍。许多无人机具备垂直起降能力，尤其是四轴飞行器，本文对此不做详细介绍。
4结束语
垂直起降飞机经过一百多年的发展，取得了丰硕的成果。越来越多的机型技术愈发成熟，并逐步向智能化、无人化方向靠拢。本文基于对垂直起降飞机发展历史和研究现状的综述，阐述了不同动力类型的垂直起降飞机遇到的技术挑战，希望给予飞机设计人员一定的启迪。
参考文献
[1]Moss G M， Penrose C， Development of modified lift improvement devices for the AV-8B harrier[R]. AIAA-2011-1605， 2011.
[2]杜朝平， 扶摇直上九重霄——垂直起降战斗机回顾与展望[J].舰载武器， 2004（3）：60-67.
[3] 傅前哨，卞吉.生不逢时的“雅克兄弟”[J].航空知识， 2006（12）：48-49.
[4] Maddock I A， Hirschberg M J， The quest for stable jet borne vertical lift： ASTOVL to F-35B STOVL[R]. AIAA-2011-6999， 2011.
[5] V-22 Osprey[EB/OL][2015-01-15].http：//www.globalse-curity.org/military systems/aircr-aft/v-22/htm.
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