涡扇18，涡扇15试飞

2023年5月23日，国家专利部门正式公布了中国成飞集团申请的垂直起降战机设计专利。这个全新的垂直起降战机设计方案十分巧妙，采用双发动机串列式布局，前置发动机进气口设置在战机驾驶舱后面，喷出的气流通过管道引至飞机主翼两侧前方，通过可调节水平和竖向的喷口喷出尾流产生推力；后置发动机进气道在战机座舱下方，采用机头腹部进气，尾部加装可向下弯曲的三轴承旋转喷管。

成飞垂直起降战机设计专利说明书截图
成飞集团新概念垂直起降战机设计方案相对完美地避开了F35B和雅克141的先天缺陷，又顺便解决了飞机平飞时前置发动机无法提供推力的难题。
以往的垂直起降战机可分为两类，第一类是采用一台发动机作为垂直起降动力，典型代表就是英国的“鹞”式战机和美国的F35B；第二类是采用前置升力发动机＋后置主发动机作为垂直起降动力，典型代表就是前苏联雅克141战机。
第一类垂直起降战机因整个动力系统通常需要通过各种手段从主发动机引出多路动力，以实现垂直起飞功能，这也导致动力系统复杂笨重，整体推重比偏低，导致战机垂直起降时推力富余度较低。例如F35B需要从主发动机输出部分动力给升力风扇，同时从发动机压气机向两侧引出2股气流以配合主发动机共同实现垂直起降。第二类垂直起降战机动力系统整体推重比远高于前者，但存在一个致命问题就是前置发动机喷管距离后置主发动机的进气道入口太近，导致后置主发动机容易吸入前置发动机尾气，造成推力骤降甚至熄火，使用安全性远低于前者。例如雅克141就存在这个致命缺陷。
成飞的设计方案相当于第二类垂直起降战机的继承发展型，具有动力系统整体推重比高，并且高温尾气不容易干扰后置发动机的优点，比较完美地避开了F35B垂直起降时推力富余度较低和雅克141后置发动机容易吸入前置发动机尾气，导致推力骤降或熄火的先天缺陷，同时还解决了雅克141前置发动机在平飞时不能为其提供推力的先天缺陷。截至目前，成飞新概念垂直起降战机是相对最优的垂直起降战机设计方案。
值得一提的是成飞新概念垂直起降战机设计方案仍然比较粗糙，并看到前置发动机进气和尾流分流管道具体设计方案。或许是有保密考量吧。

经细化设计后的成飞新概念垂直起降战机CG效果图
成飞新概念垂直起降战机设计方案本身很优秀，但要实现仍需解决3方面技术难题，目前来看，我国都有能力自行解决。
一、前置发动机也可设计成背部进气，解决进气效率不佳问题。
从设计方案来看，成飞新概念垂直起降战机前置发动机进气口在飞机背部，驾驶舱后面。飞机平飞时，气流与前置发动机进气口呈近似垂直夹角，或多或少都会影响发动机进气效率，并且随着平飞速度的提升，这种不利影响将不断提升。
因此，成飞新概念垂直起降战机能不能实现垂直起降和平飞性能全面超越以往垂直起降的目标，关键是看前置发动机进气效率受到的不利影响是否足够低。

前置发动机采用背负式进气设计，并设计了可开合活气门
目前“S型”进气道技术已经很成熟，成飞新概念垂直起降战机的前置发动机的进气道同样可以采用这种设计。然后在进气口后方再设计一个小活气门，方便垂直起降时打开。
二、前置发动机尾流分流管道耐热、隔热可用空天飞机技术储备解决。
成飞前置发动机的真正技术难点在于如何解决发动机高温尾流分流管道的耐热和隔热问题。虽然前置发动机内置于机身内部，但其本身外壳温度并不高，即便是开加力，其尾喷管温度也很低。例如美国的F110涡扇发动机在试车时用手触摸都不会被烫伤。

试车时，工作人员直接用手触摸F110涡扇发动机的喷管外表面
真正棘手的问题是喷出尾喷管后的高温尾流，据了解，在不开加力时，典型的第三代或第四代喷气式航空发动机的尾流温度介于600℃～800℃之间，若开加力，其温度甚至能飙升至2200℃。这意味着前置发动机的分流管道必须采用耐高温设计。为了避免尾流温度过高，也为了缩短发动机长度，减小发动机重量，前置发动机可采用不带加力燃烧室的设计。例如，F118-GE-100是F110-GE-100的去除加力燃烧室型号，其全长从F110-GE-100的4.622米减少至2.55米，重量从1769公斤减少至1452公斤，最大推力也相应的从122.68千牛减少至84.51千牛，推重比从约7.1降低至约5.94。
至于耐高温分流管道该怎么设计呢？其实这个问题也很好解决，1980年代美国研制的B2隐身轰炸机同样面临发动机尾流管耐高温问题，美国人通过从大气中引入冷却气流就轻松解决了。成飞新概念垂直起降战机的前置发动机尾流分流管同样也可以通过从大气中引入冷却气流来解决分流管道散热问题，无非就是前者尾流管道在后面，后者尾流分流管道在前面而已。至于管道本身的耐热和隔热问题，同样很好解决，可采用双层设计，内层采用碳化硅复合材料，中间夹层填充耐高温气溶胶即可轻松隔热，外层附着空气冷却管道即可，甚至直接在夹层设计空气冷却流路即可。这样做重量很轻，还具有优秀的耐热和隔热性能。

B2隐身轰炸机剖面图
只需要从进气道直接将冷却气流直接引入前置发动机的尾流分流管外围，就能轻松解决成飞新概念垂直起降战机的前置发动机尾流分流管道耐高温和隔热、散热问题。
据了解，我国“腾云”空天飞机验证机已经首飞，这种飞行器在高超音速飞行时面临超过2000℃的高温，既然我国都能自行解决，那么应用研制这型飞行器过程中积累的技术储备，也一定能解决成飞新概念垂直起降战机前置发动机的耐热、隔热、散热难题。
三、配平难题可通过将内置弹舱和内部油箱移至中后部解决。
成飞新概念垂直起降战机采用串列式设计也带来一个问题，那就是前置发动机的分流管道只能外接至机翼两侧前缘喷出，其配平难度较大。垂直起飞时，分流喷口向下偏转喷出尾流，而后置则通过三轴承旋转喷管向下弯曲90度喷出，共同产生推力向上的升力。由于前置发动机的两个分流管喷口位置大约在飞机机身中轴靠近中点位置，若内置弹仓仍然设计在机身前部，垂直起飞时将难以配平。那么更好的解决办法就是把内置弹仓设计在后置发动机两侧。

雅克141垂直起降战机
至于内置油箱，可以在飞机的中后部采用保型油箱设计，甚至像雅克141那样，把两侧尾翼向后延伸，设置在后置发动机的喷管两侧后面，以便更好解决配平难题。
前置发动机可采用轰20发动机，后置发动机采用涡扇15。
在最为关键的发动机方面，成飞新概念垂直起降战机也相对比较容易解决，后置发动机可以采用涡扇15，前置发动机可以采用轰20和美国B2隐身轰炸机采用的那种不带加力燃烧室的涡扇发动机。
据了解，目前轰20采用的发动机起码有涡扇18衍生型，涡扇10去除加力燃烧室的衍生型号，或者涡扇15去除加力燃烧室的衍生型号三种发动机可选。最终轰20很可能会采用涡扇15不带加力燃烧室的衍生型号。

第三届中国航空投资峰会暨第七届中国航空创新创业大赛全国总决赛现场照片截图
今年3月16日至3月17日，第三届中国航空投资峰会暨第七届中国航空创新创业大赛全国总决赛在西安市成功举办，中国航发北京航空材料研究院项目负责人张勇在回答专家提问时表示，涡扇-10、涡扇-15已经实现批交付，材料已经固化，涡扇-19、涡扇-20以及第五代发动机处于选材阶段。这是官方人员首次证实，涡扇15已经研制成功，开始交付。那么，基于推重比达10.87，推力达18.5吨的涡扇15开发出一款推重比达9，推力达12吨的不带加力燃烧室衍生型号是轻而易举的事。这两种发动机合计总推力将达到30.5吨。
研究表明，发动机尾流偏转角度越大，推力损失百分比就越大。若前置发动机安装角度略微向下倾斜，则垂直起飞时，发动机的尾流偏转角度就能小于90度，以便降低推力损失百分比。而在平飞时，其尾流直接以略微向下的角度喷出，在平飞时，外界冷空气可快速对冲高温尾流，避免直接烧蚀两侧机翼。
查阅国内相关研究论文获悉，三轴承推力矢量喷管弯曲90度时推力损失百分比不超过10%。即便前置发动机和后置发动机向下偏转时推力损失10%，其垂直起飞时的总升力仍然可达27.45吨，远超F35B的17.89吨，但空重却并不会明显增加，巨大的升力富余度优势是F35B所无法企及的，而且还能避开F35B难度巨大的超高功率密度传动轴技术大坑，可见成飞新概念垂直起降战机设计方案相比以往垂直起降战机设计方案优势巨大。

我国三轴承推力矢量喷管测试照片
通过搜索“三轴承推力矢量喷管”就能找到大量相关研究论文。这说明我国一直在研制垂直起降战机，如果哪天我国造出垂直起降战机，大家千万不要意外。
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