《流浪地球2》中的飞机：“歼20”垂直起降的奥秘

最近上映的《流浪地球2》有宏大的叙事场景，比肩世界的科幻场面，在讲好中国人自己科幻故事的同时还出现了一款垂直起降的“歼20C”战斗机，体现我国科幻迷与军事爱好者对于拥有一型短距、垂直起降飞机的期待。

那么具有短距、垂直起降能力的特殊飞行器到底有什么独特的魅力呢？

短距、垂直起降飞机是一种能够垂直或在很短距离内起飞和着陆，甚至可以在狭小场地垂直起降，并能快速飞行、具有典型固定翼飞机特征的一类飞行器的总称。该装备既有比肩固定翼飞机的作战能力，又对起降条件要求较低，可在空间狭窄的甲板、简易机场、公路甚至简单修整的平地上完成起降作业，大大提高了战时部署的灵活性和生存能力。

尽管苏联、欧美各国发展了各种短距、垂直起降飞机的概念，但截至目前研制成功并正式服役的此类飞机非常有限。　

最早服役的是“鹞”式系列战斗机，它是一款亚声速作战飞机，使用罗罗公司研制的“飞马”矢量发动机作为主要动力。该系列飞机从上世纪50年代开始研制，直至现在仍在服役，被广泛地用于美国海军陆战队、英国皇家空军与海军。型号谱系包括P-1127原型机、昼间型AV-8A、美国海军陆战队AV-8B以及具备超视距作战能力的FA.2“海鹞”。

“鹞”式系列战斗机是世界上唯一一款参加过大规模作战的短垂飞机。独特的短距、垂直起降能力使得这款飞机在特定的战场环境中发挥了举足轻重的作用。在英阿马岛战争中，“鹞”式战斗机是英国赢得马岛战争的最关键因素之一。该机主要部署在“赫尔墨斯”号、“无敌”号航母上，在空战中创造了25:0的战绩。在伊拉克战争中，作为美国海军陆战队空中力量的支柱，AV-8B为美海军陆战队空地特遣部队提供空中支援。陆战队140余架AV-8B中共有76架参战，其中60架飞机部署在两栖攻击舰上。该型飞机还参加了巴尔干战争和空袭利比亚战争等实战，主要执行对地打击、空中侦察和制空作战等任务。

雅克-141飞机是由苏联研制，可在中小型航空母舰上使用的短距、垂直起降战斗机，也是世界上第一款超声速垂直起降舰载战斗机。苏联研制它是为了代替第一代垂直起降战斗机雅克-38。雅克-141采用推进发动机加两台喷气式升力发动机的动力模式。就在它即将全部完成、准备投入部队服役时，苏联解体了，该型战斗机也随之被封存。　

F-35B是世界上最新型的超声速短距垂直起降战斗机，动力装置由轴驱动升力风扇、三轴承转向喷管和滚转姿态控制喷管与巡航推力发动机组成。轴驱动升力风扇为两级对转风扇，垂直安装在座舱后面，由巡航推力发动机伸出旋转轴，通过离合器驱动。短距起飞或垂直降落时三轴承转向喷管下偏，产生向下推力，同时升力风扇使飞机上方气流向下喷出，与推力发动机共同产生悬停所需升力，位于机翼翼根处的滚转控制喷管参与稳定飞机姿态。采用该种动力系统，可以使飞机的布局按照常规飞机设计，由于垂直起降到平飞的模态转换时间短，对飞机的性能影响较小。它提供的垂直起降能力使拥有两栖攻击舰的国家获得具有匹敌小型航母的作战能力，大幅提高海军作战使用灵活性和遂行多样化任务能力。　

此类飞机的短距起飞过程与常规固定翼飞机操纵类似，主要区别在于增加了推力矢量喷管的使用。起飞时，矢量喷口先完全向后，待到飞机加速到期望的起飞速度，飞行员将推力矢量向下偏转至合适的位置来提供升力。飞机起飞离地后，飞行员会逐步减小喷管的偏度，保证飞机以正确的姿态增速直至矢量喷口完全向后。

垂直着陆过程则有所不同，通常分为两步：一是飞机由正常飞行减速至悬停状态，该过程也被称作过渡过程。此时飞机的升力由机翼提供逐渐转换为由发动机提供。二是由悬停至着陆。这个过程中, 飞行员要控制好飞机的高度，保证飞机的下沉速度在一定范围内，同时还要保证飞机姿态的平稳。另外随着飞机高度的降低，会出现“地面效应”，燃气吸入等现象，导致飞机升力降低，为此，还需不断调整油门直至飞机触地。　

完成短距、垂直起降飞机的设计与研制不仅需要大推力发动机，还需要研发轻质、高效的升力推力与姿态控制组合系统。在大气扰动、地面效应、“喷泉”效应，以及燃气吸入的不利影响下，做到精准的姿态与位置控制，实现安全、快速的过渡飞行，这对飞发综合控制技术提出了更高的要求。在开展实际飞行试验前，需要开展悬停系留试验，获取悬停状态的气流场，评估动态姿态控制能力等。因此为实现飞机的设计与研制需要，需要技术体系、系统设备与试验配套条件的同步跨域式发展与革新。