比F-35更优秀？双发串联垂直起降版, 成飞新型专利:居然还能这样?

这两天被成飞的一款新型专利给刷屏了，之所以受到大家如此关注是因为这个专利是双发垂直起降版本，5月23日，中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所的一项专利再被公开，天才的设计加上脑洞的结构，让大家意识到双发垂直起飞版还真有可能的。

双发串联的垂直起降版：居然还可以这样？、

为方便大家查询，笔者先把这个专利的基本信息贴在下文，有很多专利查询网站也可以直接下载，如果要这份专利的朋友也可以把邮箱私信给我，届时一并发给各位：

• 专利类别：实用新型专利
• 专利申请号：202223528680.3
• 授权公告号：CN 219056579 U
• 授权公告日：2023.05.23
• 专利权人：中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所
• 实用新型名称：一种双发串联垂直起降飞机

专利的描述笔者就不贴了，结构太多用语言表述不清，按笔者一贯以来的风格，直接贴图加文字说明更容易理解：

这架垂直起飞的特征是前后串联的双发，因此才被称为“一种双发串联垂直起降飞机”，这个结构非常有特色，分为前后发动机，而且分管的功能不一样：

前置发动机：通过1（背部进气口）为前置发动机进气，然后通过前置分叉喷管到左右翼的矢量喷口，这个喷口结构是通过百叶窗的转动实现向下喷气以及转换为向后喷气两种功能；

后置发动机：通过5（腹部进气口）为后置发动机进气，然后通过超音速预压缩进气道抵达尾部的后置发动机，再通过尾喷管排气获得推力；

垂直起飞的状态：

前后发动机启动，左右翼矢量喷口排气方向朝下，尾喷管扭转90°向下喷气，节流阀推至起飞状态，在垂直升力超过机体重量的情况下飞机缓缓上升，此时机身传感器会感知机体状态并加入左右前后平衡数字化控制，保证飞机不倾覆。

等到上升到一定高度后，左右翼喷管与尾喷管在喷气升力与机翼升力之间平缓过渡并转向，直至升力完全由机翼提供后改平，飞机转入水平飞行状态。

垂直降落时飞机逐渐从机翼升力转为前后发动机喷气口扭转后的喷气升力，进行悬停状态，然后慢慢收起节流阀至下降触地并及时关闭发动机，飞机成功着陆。

垂直/短距起飞的状态：

根据起飞距离调整飞机尾喷口扭转程度，滑跑起飞后喷气升力逐渐向机翼升力过渡并转入平飞。

水平起飞的状态：

双发尾喷口都处在水平飞行模式，飞机通过滑跑加速直至机翼升力大于机身重量，在襟翼与水平尾翼或者前置发动机左右翼喷嘴的升力辅助下起飞，之后再转入水平爬升或在巡航模式。

垂直/短距起飞模式有哪几种，成飞版本优势在哪里？

目前在役的垂直起降的战斗机有两种，一种是鹞式战斗机，另一种是F-35B，如果加上退役或者试验版本，那个型号就多了，比如法国Dassault Mirage IIIV、俄罗斯的雅克系列与美国波音的X-32B等，这些垂直起飞的类型主要有如下几种：

• 共用型推进系统

这种垂直起飞系统只使用一台发动机，同时提供水平推力与垂直推力，不过这种方式也可以分成两种，一种是从发动机外涵道或者压气级分出气流给左右翼喷口提供升力与滚转力矩，比如像鹞式战斗机的“飞马”6发动机；

另一种则是在将发动机拉长，然后在发动机的高压压气机后的燃烧室引出提供升力和滚转力矩的左右翼喷口，然后飞机尾喷口再通过长长的耐高温管子穿过机身直达尾喷口，比如波音的X-32。

这种结构的优点是战斗机只需一台发动机即可完成垂直起飞/水平飞行，节省了重量，比如X-32的垂直起飞与水平起飞的发动机版本两者重量相差不是很大。但缺点也非常明显，这种共用推进系统的飞机看起来很怪：

1、要么就像鹞式战斗机那种屁股上看不到发动机喷口，因为尾喷口到尾部太长，所以从机身两侧就分叉伸了出来，整个发动机拿出来就像切掉了手脚和脑袋的服装模特。而且还有另一个问题，因为从外涵道或者压气级分气流，会导致燃烧室流量不足，因此要加大发动机的涵道比，也就是把发动机直径加大，增加风扇进气量才够分气流到左右翼喷口。

这种模式会有两个问题，一个是尾喷口分叉会让发动机排气效率下降影响推力，另一个就是增大发动机涵道比后高速性能急剧下降，因此像鹞式战斗机这种不只是气动外形导致其飞不快，而且发动机也飞不快，最高速度只有0.95马赫，这作为战斗机实在是够呛。

2、还有一种就是X-32的模式，从高压涡轮后引出燃气流到左右翼升力与滚转控制喷口，然后再通过长长的喷管到达尾部，这种模式由于不影响涵道比，因此高速性能不咋受到影响，但问题也很明显，因为在机身中部就引出了高温燃气流，在垂直起飞以及悬停时容易吸入废气导致熄火。

X-32就存在这个比较严重的问题，这会导致发动机推力下降甚至熄火，这在起飞或者悬停阶段是致命的，因此这个问题也是X-32在和F-35竞争时败北的重要因素之一。

最后这两种结构的垂直起飞版还有一个问题，即发动机必须在重心附近，这样的飞机看起来就会比较粗短，无论是鹞式战斗机还是X-32，看着就像一只胖乎乎的肥鹅，看着就飞不快，尽管X-32的最高速度可达1.6马赫，但给人的感觉是没法改变的。

• 复合型推进系统

这种类型和共用型单发系统，但两者不一样的是前者是从发动机里引气流提供升力，而后者是用发动机的剩余功率带动一个大风扇提供升力，不过这种结构也是有两种方式：燃气耦合升力风扇（GCLF）和轴驱动升力风扇（SCLF）方案。

燃气耦合方式是用几根耐高温的管子将高压涡轮后的燃气引出到风扇再通过高温涡轮推动风扇，好处是对燃气的通量没有直接将燃气作为推力要求那么高，并且风扇还能吸入大量新鲜空气，不存在燃气被回馈到进气口影响发动机性能的问题。

缺点是一根或者多根高温管路会穿过飞机会影响管路设计并增加结构复杂度，而且这个管路一旦泄漏或者破裂，那造成的后果是非常严重的的。使用这种结构的飞行器有早期的NASA 的X-5B验证机和麦道公司曾经研究过的燃气耦合升力风扇方案。

另一种就是轴驱动升力风扇（SCLF）方案，这个都不用说了，就是F-35B的模式，这里提醒下，F-35有ABC三个方案，A是陆基常规，C是海基常规，只有B是垂直/短距起飞版，各位别弄错了。这个轴驱动就是将喷气式发动机的主轴通过联轴器驱动一个机身前部的大风扇，在垂直/短距起飞或下降时提供升力。

好处是机身不再有高温管路经过，并且风扇效率很高，而且风扇排出的完全是新鲜空气，也不会对发动机造成影响，而缺点则是风扇太大，重量也很大，还会比较严重的影响机体结构布局，比如F-35B，仅轴驱动升力风扇就给飞机增加了1361kg重量，加上其他升力组件其总质量超过1800kg，而且巡航后这些结构是没用的死重。

• 组合式推进系统

这个系统是前置使用一台或者多台独立发动机，后置也是独立发动机，这个模式不存在高温管路问题，飞行器性能比复合式以及单发模式要更优秀，这种复合推进也有两种模式：

• 1、垂直起飞发动机仅在起飞时使用；
• 2、垂直起飞发动机结合推进发动机全程使用；

雅克-38使用的就是第一种模式，使用2台升力发动机（RD36-35FVR）和1台矢量喷管主发动机（R27V-300），起飞时升力发动机工作，平飞后升力发动机停止工作，主发动机开始工作，这个结构成熟度也比较高，1972年雅克-18首飞成功并量产，到1988年时已生产231架。

1975年，使用了新型发动机（RD41 和 R79）的 Yak-141战斗机首飞成功，1989年这种实现垂直/短距起飞战斗机的超音速飞行，表明这种结构有利于高速飞行，原本计划在1995年实现量产，但因为前苏联解体，雅克-141就被束之高阁，再无出头之日。

F-35B的尾喷管就是抄了雅克-141的设计

另一种是前后发动机均为主推进发动机，不同的是垂直起飞时前置发动机提供升力，在平飞时前置发动机也提供推力，这种模式比第一种要更合适一些，因为第一种仅在起飞阶段使用会产生一个结构死重，并且主发动机要求推力比较大，这也会导致涵道比过高，最高速度下降，前后均为推进发动机则没有这个负担。

成飞的双发串联垂直起降飞机属于后者，前后发动机起飞时各有分工，平飞时均为推进发动机，结构死重可以降到最低，并且涵道比等都可以兼顾，因此高速性能也会比较优秀，但这种模式也会遭遇几个问题：

• 1、高温燃气管路会通过机体内部，并且长度比雅克-141的模式还要更长一些，因为雅克-141的发动机直接就是垂直布置的，没有所谓的燃气管路，只有机体开口，成分的双发串联版存在高温燃气管道部分，这是必须要解决的一个问题，比如加大涵道比降低排气温度，但对高速性能还是有一些影响。
• 2、前置发动机的进气状况不佳，由于进气道开在机体上方，在垂直起降时低速对发动机干扰并不高，但在高速飞行时机体背部开口就不合适了，必须要有一个正对于飞行器前进方向的进气口，那么此时的飞行器可能就会向《绝密飞行》中的模式转变，机头上班部分也会出现进气道。

不过这个模式解决了一个问题，即我国单发推力不足以支撑整架飞机重量时可以采用这种模式，比如目前的J-20和J-35就有可能采用这种模式来“魔改”垂直起飞版，因为单发推力不足是双发并列布置会存在推力不均衡以及升力风扇布置的麻烦问题，但成飞的双发串联垂直起降飞机不存在这个难题。

此前就有传闻称成分在搞垂直起飞版战斗机，那么看来这个可能性还是存在的，现在还披露出了垂直起飞的专利，更是证实了这一点，有网友表示这个发明专利就是工程师练练手脚，但笔者根据上文几种结构判定这种模式还是存在相当大可能性的。