歼20垂直起降，有何不可？

_不良法师_

新春里的第一篇早读来了，开年第一篇，写点什么合适呢？
思来想去，还是切题下今年春节档的大热门《流浪地球2》吧。所以，你可能已经猜到，这篇早读要聊聊《流浪地球2》中的歼20垂直起降（VTOL）型了。


《流浪地球2》海报
" B' l, k7 u# b) P6 g"首先，按照电影中的设定，2044年我们还在使用歼20，这是否合理？"
在电影设定中，2044年人类已经进入了UEG地球联合政府时代，国家间的敌对、全面战争爆发的可能性已经大幅降低，对跨代战斗机的大规模换装需求也就几乎不存在了。
& G1 ^- v2 `& {& Y; `" o那么，作为全球最顶尖战斗机之一的歼20，用到本世纪中叶是再正常不过的事情。
% B4 b& W* V( o" C  S' Q% E$ a  V与航空技术史上那些经典机型一样，中国的飞机设计师们要做的是不断挖掘歼20这座“富矿”，在其基础上进行“自由王国”创作，适应“流浪地球”的需求，与时俱进地改型，比如推出无需跑道的歼20 VTOL短距垂直起降改型，并换上了变循环发动机。
如何实现短距垂直起降？
道路千万条
回到眼下的2023年，一头扎进航空技术发展史的故纸堆中，我们会发现，近乎自固定翼飞机诞生后，一代代飞机设计师们都有着“丢掉跑道、原地起飞”的愿景，并在一代代技术迭代与探索中走出了这些曲折交错的路线。
/ u% z: c% y* o- \* p1 I  t, n+ [首先是看起来最简单直接但并不有效地让飞机立起来、垂直起飞，这方面以法国斯奈克玛“甲虫”、XFV-1、瑞安X-13等为代表。


  D& c' y1 M/ F
& d" }0 A" z6 B+ @! m
- y& M5 P$ r* ~: K从螺旋桨时代到喷气式时代，“尾座式”一直都是固定翼飞机实现垂直起降的技术路线之一。

" N1 c2 ?$ }. |' S# ^' G
尾座式+环形翼，法国“甲虫”的别致外形有资格在未来的空战中保留一席，至少比“阵风”多几分科幻未来感。
$ U& O$ n* W2 _' M& K* q5 Q2 Z2 ^随后的一大方向便是为固定翼飞机加上“垂直升力”，令其原地起飞。
  X0 J; p) i: u# ?) v4 c“垂直升力”的来源就是升力发动机，至于升力发动机塞进机体的哪里，或是如道尔尼Do31的翼尖升力发动机，或是最经典的解决方式，座舱后、机体前中段的，如验证机达索“巴尔扎克”、苏联T-58VD、米格-21PD，最终成型的雅克-38、雅克-41/141等皆为如此。
特别是雅克-41/141，垂直升力既有来自座舱后部的升力发动机，又有大推力发动机尾喷口的大角度矢量偏转来产生。
1 g1 k( r2 t* [5 L0 R' P


- z. u) r1 t- [7 s* ~2 K) V5 Y7 a
" u: ?' g2 J2 H) x在冷战V/STOL研制热潮中，西德曾计划要将全部机型短距垂直起降化，由此诞生了Do.31运输机和作为战斗机的VJ101，另外还有作为攻击机的VFWVAK 191B。Do.31是将升力发动机布置在了翼尖，VJ101则是升力发动机在座舱后，而翼尖发动机通过倾转实现，垂直升力和巡航推力的兼顾。
3 Q2 M$ |- b5 R7 A' c5 n0 @  F: _



从雅克-41/141的升力发动机到F-38B（图为原型机X-35）的升力风扇。
相较于这种一台巡航发动机+一台或多台升力发动机的技术路线，另一条与之并行发展，并同样成熟落地的路线是一台大推力发动机配合可旋转喷管来产生垂直升力和巡航推力，也就同时代的“鹞”及其“飞马”发动机尾喷口的倾转。
只不过，这样的“鹞”就是慢悠悠的、飞不进超声速的飞机了。
3 R9 R: l5 ~" r1 i2 I. ~
& |5 o5 O4 |& r9 o% Y
红外热像仪视角下垂直起降阶段的“鹞”式，最热的地方就是它的垂直升力之源。
# `$ U( v- U* x) i! T3 K而取代“鹞”成为新一代短距垂直起降战斗机代表的F-35B在S/VTOL上选择的技术路线，则是昔日升力发动机+尾部巡航发动机组合的进一步演进，向下“喷火”的升力发动机被升力风扇所取代。
只不过，洛马这套升力风扇的解决方案，率先倒不是应用在F-35B身上。而是更早前的（如下图）以X-32验证机之名，有着鸭翼、近似单发版的F-22上。
0 O& W' A8 r( y/ S; v% |" q; \0 S这发生在距今30多年前的美国，是美国飞机设计师挖掘F-22这座航空技术富矿的一次尝试。
, A$ _. f; g) y3 i7 P6 r4 L: l


& P) X; n/ H" A9 o  i+ L
从隐身战斗机YF-22到鸭翼+短距垂直起降。
时间倒回40年前的1983年，美国国防预先研究计划局（DARPA）开始计划研究“鹞”式短距垂直起降战斗机的下一代替代机型，该计划最终成为美国和英国联合研究的先进短距离起飞/垂直着陆（AdvancedShort Take-Off/VerticalLanding，ASTOVL）计划。
) t  X6 G! ]- b该计划的一大核心需求就是实现短距垂直起降战斗机的超声速飞行，也由此产生的第一个方案就是简单直接为“飞马”发动机增加上加力燃烧室，但一番论证下来该方案被否决。

3 ?( w7 K1 p  c* k8 g7 W/ f
) L, [6 @5 W7 O3 Y3 r

洛克希德-波音-通用动力组队的YF-22技术验证机，在1990年9月首飞，并在第二年成为ATF计划的赢家。由此才有了“臭鼬工厂”的飞机设计师们将YF-22身上成熟的技术迁移到CALF计划中。
ASTOVL计划进行到1987年时，孵化出了高度机密的STOVL攻击/战斗机（简称SSF）项目，该项目的目标继超声速化又增加上了隐身性。
6 }4 V2 {, \1 I# V7 ~% P/ h( y而该项目参与方也不是别人，正是同期赢下美国空军的ATF计划、正孕育YF-22/F-22“猛禽”的洛克希德“臭鼬工厂”。而“臭鼬工厂”表示SSF中这样的隐身短距垂直起降战斗机是可以造得出来的。
8 \# f; O" x1 _0 z只是，待到20世纪90年代“臭鼬工厂”准备交卷的时候，ASTOVL/SSF项目中的概念、需求已不断外延，演变成一个更大的项目“普通可负担轻型战斗机计划”（CALF）。CALF计划的概念飞行演示机型代号为X-32，这与后来JSF计划中波音的X-32验证机截然不同。


根据洛克希德·沃斯堡公司的出版物CodeOne的介绍，CALFX-32的设计上，保持着与YF-22的很大通用性，由此大幅缩短了设计开发周期、降低了技术风险、节省了开发成本。
洛克希德“臭鼬工厂”给出的CALFX-32设计，近似是YF-22的单发、鸭翼版，诸多特征延续了YF-22的设计，也沿用YF-22上已经验证的成熟技术，从普惠F119涡扇发动机、前缘后缘平行的菱形主翼设计，到发动机进气道、内置武器舱、航电设备、材料、隐身涂料等。
' b  s/ `- a  U' _9 G7 R4 g而这个STOVL版YF-22特别之处是：驾驶舱后面增加了轴驱动升力风扇，水平尾翼取消，代之在进气道上增加鸭翼。鸭翼与推力矢量发动机尾喷管、襟翼一并组成该机的气动控制单元。
  q& w7 ?  o3 Z* A/ }/ P+ }


# e& K* N  u$ U0 |. T8 O
& ]- I* l2 H% R* t, L. _根据CodeOne文章的说法，短距垂直起降战斗机在垂直起降阶段发动机尾喷口气流向下吹、在打到地面后折返，会造成机体尾部气流的复杂紊乱，会影响到水平尾翼的气动控制能力，选择将水平尾翼“前置”的鸭翼设计，从而规避了这方面的问题。
( d: R) u( l7 x6 p' K天亮前的夜，最难熬。
不过，洛克希德的CALFX-32在完成大型有动力/遥控模型的测试后就没有了后续。在CALF计划推进的同时，还有美国空军和海军的未来战斗机等其他项目在并行推进。
. ?. ]0 T3 G  b7 O1 S3 i4 |5 C8 N直至，与美国空军的多用途战斗机（MRF）计划、美国海军的先进/战斗机攻击A/F-X计划一并杂糅到了联合先进打击技术（JAST）计划，直至这个计划最终更名为联合攻击战斗机（JSF）。
8 I6 ?6 z* X( r/ P. u% x8 y再后来的故事就是我们都熟悉的波音X-32与洛·马X-35的竞标，直至今日F-35的成型、成熟，而轴驱动气动风扇系统也在F-35B身上得到了检验。

' L" l( @% Z9 ^! k9 Y# }7 W4 x1 m: y
; |3 j+ O- |* @/ T' k0 v1 S& V  k

在今天的F-35B上，F135发动机的低压压气机的大轴向前引伸出驱动轴，通过离合器、变速器来驱动升力风扇。在垂直起降需要使用升力风扇的时候，离合器闭合，发动机的动力传递到升力风扇。从外部来看就是机背的进气口、机腹的出气口打开。这一点在《流浪地球2》电影中歼20垂直起降过程中也有细致体现。
/ i" N1 a2 U* {6 o! I9 P虽然YF-22+鸭翼+S/VTOL已成为航空技术史故纸堆中的一段奇闻异事，但这段故事已足以说明：在一款成熟的隐身战斗机的基础上（不论是YF-22还是歼20）衍生出短距垂直起降版不是什么不可逾越的技术难题，对于它们身后的那支设计团队来说，更似是攀登航空技术高峰过程中的一次顺势而为、“需要什么就研制什么”。
# c# p; @# f7 k2 r; U& B: `



CALF计划中洛克希德在C160方案阶段时，还有着浓重的YF-22影子，但随着计划不断演进，到了C230时，我们就觉得这不就是F-35吗？
而这则30年前发生在大洋彼岸的案例也在遵循（或者足以体现了）航空技术领域的客观规律：“宝剑锋从磨砺出”。
从这次未成形的X-32短距垂直起降技术验证机到最终F-35B的开花结果，这过程中是以10年、20年为跨度的曲折探索，是多个项目计划繁杂的或并行、或交错、或沿革，是从需求征询、论证、概念设计、样机等一个个阶段中多家厂商方案的竞标角逐，是一条条技术路径上一次又一次的选择甚至是试错。而这就是航空技术、工程技术领域的客观规律。
3 C5 l1 i5 q# E1 ~' D/ d. Y
# D5 U8 Y- z8 b3 I& v
一型战机的孕育过程，又何尝不是影片中所说的“天亮前的夜，最难熬”。
5 a% |$ e. D7 N4 |& u2 w可以想见，这样难熬的“天亮前的夜”也一定曾在我国的歼20身上发生过，一轮轮向前演进迭代、反复打磨、千锤百炼，有太多太多方案被舍弃、淘汰出局，有成千上万航空人的协同努力、埋头默默付出、汗水心血浇灌。
* f3 c  \8 t2 h
1 X. b3 |9 o3 `" ~. f' K" a- q
“20时代”的歼20、运20飞进了20余年后的《流浪地球2》，是一件很正常的事。
你们尽管想象，我们负责实现。
在《流浪地球2》中，不论是空战中的歼20S/VTOL版，还是加蓬基地的运20运输机，它们在今天的现实中都有着真实的原型，是“龙吟东方”是“大国鲲鹏”。
而这便是“由现实生发而来”，现实中的实力托举起电影艺术中的“来源于生活、高于生活”。
0 Q4 e& ?: z$ [; Q5 ^+ M" j同样因为现实中的真实存在，更让作为观众的我们对这部科幻大作中的种种“科幻演绎”会自然信服而不感到违和，并不觉得有多“幻”“假”，并不觉得太超脱当前我们的认知“太敢想了”，反倒会觉得有些技术已经快触手可及了、有些技术只是当前我们能力的Plus、MAX，科技再上发展十年、二十年的很多场景就能做到了。
* k( |/ P6 `! |: c
+ B7 N( Z% Q: ~: v! ], g5 A! {' F7 k- J
0 ?2 ~: e% Z# K7 s$ O$ ~在这场有人机与无人机的大战中，画面一闪而过的，除了歼20、苏-57外，还能看到欧洲的“双风”战斗机（“台风”和“阵风”），这难道是因为今天欧洲的两个多国合作的下一代战斗机研制计划又没能“团结”？
这般“自然信服而不感到违和”认知的背后，是我们知道我国的科研工作者们正攀登科技高峰，是那句底气十足的“你们尽管想象，我们负责实现”，是郭帆导演所言的：
真实世界跟影像世界是有必然联系的，强盛的国家才能托举起强大的科幻产业。
; k0 t+ [2 W! `" |  G5 J, o诚然如此，因为我们有了歼20，影片中出现歼20S/VTOL好像也就没什么、很正常、很科学；因为我们有了国产大推力军用发动机、有歼10TVC，所以歼20用上推力矢量、变循环发动机也没什么；因为我国无人机产业在全球有着数一数二的体量，所以看到“掠食者”好像就那么回事了；同样，因为我们有量子计算机、“基建狂魔”“天宫”“嫦娥”“玉兔”，所以电影中出现的550A、空间站、太空电梯、搬走月球、炸掉月球、行星发动机、“移山计划”等也并不违和……
* a- q# |5 E& n5 \3 H

7 p1 ~6 p7 I! j! Y" l毕竟，如果时间倒流20年，让那时的我看《流浪地球2》中的歼20垂直起降画面，我只会觉得“机太美”“有点假”“如果是真的该多好啊！”
但已在2022年中国航展上感受过歼20眼前几米处划过心潮澎湃的我，今天在大屏幕中看到歼20垂直起降时，脑海飘过的弹幕则是——“有何不可？”