之两种弹射方式,舰载机起飞技术研究

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可见限位杆…

Study of Technologies of Shipboard Plane Taking
Off海军航空工程学院曲东才周胜明摘要:分析了固定翼舰载机的主要起飞技术,包括局部/全通式甲板自主式滑跑起飞、弹射外力助飞起飞、滑跃起飞等技术,主要研究了弹射起飞和滑跃起飞技术的发展及特点,探讨了对航母舰载机起飞技术的未来方向及新的起飞技术。关键词:舰载机自主式滑跑起飞
弹射起飞滑跃起飞舰载机是以航空母舰为基地的海上固定翼飞机,是航母的主要攻防武器,也是形成航母战斗群作战能力的基础和根本,因此,舰载机能否迅速、可靠地起飞是保证航母战斗力的最主要的技术条件之一。在航母舰载机中,除垂直/短距起降飞机和直升机能垂直起飞外,其余的固定翼舰载机均要经过适当距离的滑跑,达到一定的末速度,才能离舰起飞。舰载机的起飞技术经历了局部/全通式甲板自主式滑跑起飞、弹射外力助飞起飞、滑跃起飞等不同的阶段。一、自主式滑跑起飞第一次世界大战前,受航空技术发展的制约,舰载机发动机一般为螺旋桨式,飞机重量较轻、起飞速度较小、机翼面积较大、单位翼载小、起飞滑跑距离短,舰载机只需在自身发动机推进下,在较短的舰船飞行甲板上即可实现离舰起飞。因此,要实现在舰船上起飞,只要在舰船的前甲板上辅设一定长度和坡度的木质斜板,舰船抛锚后,飞机即可自主完成离舰起飞。该阶段称为局部甲板自主式滑跑起飞阶段。第一次世界大战后,随着航空技术的迅速发展,舰载机技术得到快速发展,专用舰载机得到研究发展,并建造了航空母舰。舰载机对海战进程和结局产生重大影响,舰载机的飞行速度、航程、翼载荷等技术指标得到快速提升,起飞滑跑距离也大大加长,虽然舰载机推重比增大和加速性能得到改善,但如果仍采用较短的局部甲板自主式滑跑起飞,将会出现严重掉高甚至掉海危险。为了加大甲板起飞长度,于是将航母甲板全部开通,配合舰载机较好的加速性能,舰载机仍能实现自主滑跑起飞。由于舰船开通了全部甲板,因此称之为全通式甲板自主式滑跑起飞。如二战期间日本海军的全部航母、英国海军的部分航母舰载机就采用了全通式甲板自主式滑跑起飞方式技术。概括起来,二战前的早期舰载机大都采用了局部/全通甲板自主式滑跑起飞技术,二战之后,随着喷气式舰载机的重量和起飞速度急剧增大,需要滑跑较长的距离才可能离舰起飞,因此,再采用以前的起飞方式已不再适用,必须寻找新的起飞方法,赋予舰载机外力和离舰俯仰角的弹射起飞方式以及滑跃起飞方式便出现了。二、弹射起飞弹射起飞是指用弹射器给舰载机施加外力,使其迅速增速而”弹射升空”。1950年8月,英国海军在”英仙座”号航母甲板中线上安装BXS-1型蒸汽弹射器(动力冲程45.5m)进行弹射飞机试验,并获得初步成功。美海军购买了英国专利并进行研究发展,基本达到了技术成熟。目前,美海军舰载机全部采用这种起飞方式,法国、巴西、阿根廷等国的航母上亦采用了该种起飞技术。蒸汽弹射器是以高压蒸气推动活塞带动弹射轨道上的滑块把联结其上的舰载机投射出去,其简要弹射过程是:飞机就位后拉好拖索并张紧,接到弹射指令后,储气罐中的高压蒸气经迅速开启的阀门进入开口汽缸,推动气缸中的活塞带动往复车,往复车通过拖索牵拉飞机在甲板上高速滑行,在较短的甲板长度之内,使舰载机迅速增速,达到离舰起飞的最小速度而完成起飞,之后,通过制动缸等部件使往复车制动、复位,为弹射下一架飞机作好准备。1.弹射方式依据舰载机与滑块的联结方法,弹射方式可以分为拖索式弹射和前轮牵引式弹射两种方式。拖索式弹射。甲板人员先用钢质拖索把飞机挂在滑块上,再用一根索引释放杆把其尾部与弹射器后端固定住。弹射时,猛力前冲的滑块拉断索引释放杆上的定力拉断栓,牵着飞机沿轨道迅速加速,在轨道末端把飞机加速到起飞速度抛离甲板,拖索从飞机上脱落,滑块返回弹射器起点准备下一次弹射。前轮牵引式弹射。该方式在1964年由美国海军试验成功。拖曳杆安装在舰载机前轮支架上,前轮直接挂在弹射器滑块上,弹射时由滑块直接拉着飞机前轮加速起飞。该种弹射方式的优点是:可减少10名左右的甲板工作人员,缩短了弹射时间,飞机的方向安全性好。但舰载机前轮要专门设计。目前美国海军核动力航母都采用这种起飞方式。舰载机要采用弹射起飞方式,必须解决弹射器这一关键装置的技术问题。弹射器可分为压缩空气式、液压式、蒸汽式等,其中蒸汽式应用尤为广泛,如英国的BXS-1蒸汽弹射器(弹射能力为27.63×105kg·m),美国的C-13蒸汽弹射器(弹射能力达10.4×1016kg·m)。C-13已成为美海军现役航母的定型产品,实际上是一种动力冲程达100m的往复式蒸汽机,可使20多吨的飞机在短时间内获得185kn的末速度。图1为美海军航母上的弹射器和导流板。2.弹射起飞主要特点降低了对舰载机的要求。对目前的舰载机,无论是什么型号、种类、起飞重量多大、推重比多少,均可通过弹射器的弹射离舰起飞,这大大降低了对舰载机的要求。保证多架舰载机以较短时间间隔起飞作战。如美国”尼米兹”级航母上配置的4台C-13弹射器,在同时工作时,可使起飞间隔仅为15s。用弹射起飞不仅要求掌握弹射起飞装置技术,而且要具备一套完整的经过实战检验的舰机配合规程,从西方海军大国近40多年使用来看,这种起飞方式可满足实战需要,并受到各国用户好评。
弹射器技术难度大。目前世界上仅有一家英国公司在设计制造弹射器。在使用和维修过程中,弹射器的关键部件–开口气缸和密封带的冷作加工、形状校准、密封恢复等操作过程不仅需要高超技术,而且还应具有相当的经验。为保障舰载机可靠起飞,常规航母一般装2台以上弹射器,而对小型航母通常也要有备份,这对于空间和载机数量都较小的小型航母无疑是一种浪费。弹射器重量重、体积大。如”尼米兹”级航母上的四台C-13弹射器重量为2800t,体积为2265m3,占用了70多m的甲板舱室空间,影响其他武器装备的配置。美”中途岛”号航母在弹射60架舰载机时,两台弹射器消耗的能量占主机功率的25%左右,如短时间内连续弹射,消耗的能量会更大,这会降低航母战斗力。但对核动力航母,这一问题不太突出。三、滑跃起飞滑跃起飞又称斜板跃飞或斜曲面甲板起飞。它是指舰载机先依靠自身动力首先在航母水平甲板上滑跑,后经航母舰首斜曲面甲板(一般与水平面呈6°~20°斜面,又称滑跳式甲板和滑橇式甲板),使舰载机在离舰瞬间被赋予一定航迹倾斜角和向上的垂直分速度,使舰载机跃入空中,实现离舰起飞。目前采用滑跃起飞的国家有英、俄、西班牙、意大利、印度等。滑跃起飞技术是由英国海军军官道格拉斯·泰勒首先发明创造的,他将该技术最先应用在”无敌”级航母上,使”海鹞”垂直/短距起降飞机起飞重量、载弹量、作战半径均得到较大提高,从而提高了其作战能力。1.滑跃起飞原理滑跃起飞原理可用图2作一简要说明:假如甲板是水平的,当飞机滑跑至舰首O点时,如速度不够大,飞机升力小于重力,法向过载ny<1g,飞机离舰后将按曲线OA下降落水。当舰首采用了斜曲面甲板时,飞机滑跑到舰首O点,由斜板赋给舰载机一定的机身俯仰角、航迹倾斜角,因此,即使速度不够大,它也会像一个抛射体一样到达最高点B’,然后再沿抛物线B’B下降,在飞机落水前,因水平方向推力大于阻力,有剩余推力可产生加速度,飞机速度不断加大,升力也不断加大,在此过程中,如飞机落水前的速度使其产生的升力不足以抵消飞机自身重力,则飞机还会落水,但显然水平距离O’B>O’A,飞机加速时间长,因此,较水平甲板容易飞起来。在斜板倾角一定时,飞机能否飞起来取决于飞机的推重比。随着飞机推重比的加大,水平加速度将加大,飞机速度与升力增大较快,飞机离舰轨迹将从OB偏向OE。当飞机推重比增大到一定值时,轨迹到达OE,飞机就飞起来了。目前的岸基和模拟试验表明,在当前舰载机推重比下,当斜板倾角为12°时,既能最大限度地提高起飞性能,又能使飞机结构载荷保持在极限范围内,因此斜板的上翘倾角取为12°。图3为具有12°上翘倾角斜板的英国”卓越”号航母。2.滑跃起飞的特点大大缩短舰载机起飞滑跑距离。飞机沿斜板起飞后,在沿抛物线轨迹下降过程中,将受到上洗气流的作用而获得更大升力,同时因水平距离的增大,亦为飞机加速到正常平飞速度提供了充足时间。有关试验表明:”鹞”式飞机斜甲板起飞所需的滑跑距离比常规平直跑道起飞至少短107m;苏-27滑跃起飞所需滑跑距离不足常规平直跑道距离的3/10、米格-29不足1/2。结构简单,造价低廉,不需对飞机作较大改进。这对经济实力不足,没有弹射器研制经验,而又想研制航母的国家是非常有利的,它会大大减少航母和舰载机的研制风险,从航空工程作业来说,简化飞行甲板组织与管理,有利于保证飞行作业与安全。可减少对甲板风要求,允许航母在起飞期间作必要的战术机动。不受母舰航向影响,对自然风依赖性小,这对舰载机起飞是有利的。实测表明,AV-8B斜甲板起飞要求甲板风至少比平甲板起飞小30kn。对甲板风要求的降低还可节省母舰燃油,如在保证起飞甲板要求的前提下,母舰从35kn减小至7kn时,可节省80%的燃油。增加飞机有效载荷。在各种条件均相同的情况下,AV-8B机在斜甲板起飞要比平甲板起飞的有效载荷增加53%。增加安全性和减轻驾驶员的工作负担。由于飞机离舰后有一个垂直方向的分速度,爬升率始终为正值,可使驾驶员有额外的高度来处理可能遇到的紧急情况,可避免平甲板起飞的一些事故。同样,从斜甲板起飞后,飞机无上仰趋势,驾驶员在离舰的几秒钟内可完全松杆,这样可减轻架驶员的工作负担。而平甲板起飞,驾驶员必须控制俯仰配平引起的振荡。当然滑跃起飞也有其缺陷:首先,采用滑跃起飞方式时,发动机一般需开加力,油耗加大,使飞机留空时间减少;其次,由于舰首甲板为一上翘斜曲面,因此不利于舰载机在舰首停放,使航母的载机数量减少,在一定程度上影响航母作战威力。从俄罗斯的”库兹涅佐夫上将”号航母的固定翼舰载机数量就说明了这一问题。如果美国的”尼米兹”、”小鹰”级航母采用滑跃起飞方式,并采用俄航母滑跃斜板的曲面参数,则会减少停放10多架F/A-18飞机。四、舰载机起飞技术的发展1.滑跃起飞技术将得到推广20世纪90年代以前,舰载机滑跃起飞航母均为小型航母,而小型航母的舰载机数量种类有限,限制了航母的远洋作战能力,但这主要受到航空技术本身发展程度的制约,不影响滑跃起飞技术的先进性。随着航空技术的发展,出现了推重比接近或超过1.0的现代高性能飞机,它有良好的起飞加速性,仅借助于斜板即可安全、可靠起飞,故助飞装置弹射器将显得多余。有资料称,在未来20年内,起飞方式为弹射或弹射+斜板起飞;到2020年左右,具备短距起降性能的飞机可不用弹射器,完全采用斜曲面甲板从航母上起飞。1991年服役的俄罗斯”库兹涅佐夫”重型航母采用12°斜板使重型苏-27等飞机顺利起飞,显示出滑跃起飞的强大生命力。美国在20世纪80年代初就用F/A-18A在9°的斜曲面甲上进行过陆上模拟试验,近年来亦试图将该项技术应用到大型航母上,在航母弹射器末端安装一小块斜曲面,虽花费不大,但收效明显。2.值得关注的两种新的起飞技术跃升式起落架起飞技术。这种起飞技术主要决定于舰载机的特制起落架,该起落架可通过电磁阀的通断,将高压气瓶中的气体充入起落架的气腔,以使起落架产生跃升作用。采用这种起飞技术时,飞机首先按常规方式滑跑到远低于通常抬起前轮速度的特定速度,然后前起落架跃升装置开始工作,使机身抬起,迎角增大,当飞机达到预定迎角、升力大于重力,飞机便可跃起升空。由于这种起落架系统灵活方便,可安装于现有飞机的起落架系统上,改善了起飞性能,且可缩短载机滑跑距离,提高有效载荷,因此得到美国、法国的重视。如美国已在F-5A”虎”式战斗机和T-38″禽爪”式超音速教练机的前起落架上分别进行过实验室试验、方案论证实验和高速滑跑试验,证明该起飞方案有进一步研究价值。法国亦正在为”阵风”型舰载机研制这种起落架系统,但离实用尚有一定距离。电磁弹射+斜曲面甲板起飞技术。电磁弹射是一种很有发展前途的弹射方式,它实际上是直线电机的一种应用,定子铺设于甲板上,动子带动牵引索,具有推力大、效率高、操作控制方便的优点。随着超导技术的发展,这种弹射方式将有更广泛的前途。这种起飞技术将使现役各种型号舰载机实现半自主式起飞。目前美国海军正在开展舰载飞机的电磁弹射系统的研究,以便取消蒸汽弹射器,在该系统中,仍将准备安装小型斜曲面甲板。但受技术发展的制约,新型的电磁弹射方式在近期内难以投入实用。五、结束语航母舰载机武器系统是一个庞大、技术密集复杂、费用昂贵的综合系统,就舰载机的起飞技术而言,应结合我国国情,注意分析国外舰载机起飞技术,跟踪其发展趋势,适时作出合理规划,对有关关键技术进行预研,做好技术储备,一旦时机成熟便可尽快研制出自己的航母舰载机武器系统。

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戴高乐上的“万石之弓” 也是Made In 大美利坚…

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放下拖曳杆挂在弹射滑块

有微博网友问,早期航母的飞行甲板前端延伸出的两个角状物是什么?新航母上则并没有!

“万石之弓”上的小器件,弹射滑块及供拖曳杆搭接的凹槽。为了避开突出甲板的弹射牵引滑块,采用前轮牵引式弹射的舰载机前起落架必须采用双轮结构。

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前轮牵引式弹射,舰载机的弹射承力点1和制动承力点都设置在前起落架支柱,即在前起落架支柱的前面装有下放的弹射杆,在前起落架的后面设置连接限位杆的槽口。

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相对前几型舰载机,“鬼怪”似乎大家会更熟悉些,也是美海军最后一型拖索弹射的舰载机。采用拖索牵引弹射方式,两个弹射钩通常设置在机身翼根处,飞机结构最坚固的地方,便于把强大的弹射过载通过弹射钩分散到机身其他部位上去,飞机上舰付出的重量代价比较小。

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国内的“起飞点控制台”相关报道,负责偏流板和轮挡的控制…

相对美国的“精打细算”,法“福熙”号航母上也采用拖索弹射的“超军旗”就有些败家了,每次弹射都有一条拖索随之“葬身大海”。

1、2号起飞点的控制台

1964年,美国试验成功了前轮牵引式弹射方式,“拖索”也就开始逐渐退出历史舞台,目前的核动力航母上也就看不到“回收角”。

反之若没有轮挡的制动,紧靠起落架机轮刹车的制动作用,飞机在发动小功率下就会向前移动。若不放开刹车,飞机轮胎则会有被撕裂的危险,而飞机在跃升甲板的离舰起飞速度过低的后果则是一头载入大海。

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冷战后,少了苏联的“水下杀手”,S-3反潜机也就了市场,也就光荣地下岗了…

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1:严谨来说,不是将弹射承力点设置在起落架上,而是通过一个联接前起落架和机身的液压减载筒体装置传递弹射力到机身上去的,真正受力的应该是液压减载筒的尽头机身联接处。前起落架只是起一个改变弹射力方向的支点,但它受到的作用力亦是不小的。

那么接下来具说说这两种弹射方式…

前轮上的拖曳杆清晰可见…

走进亲戚的“阵风”…

其实,前轮牵引式弹射取代拖索弹射更重要的深层原因是这种弹射方式在提高弹射效率、起飞频率和安全性上有独特之处。

拖索弹射弹射,除了在机身上安装弹射钩外,对前起落架并没有什么特殊的要求,因此早期舰载机的起落架只是在强度上高于陆基机,在结构上基本上一样。

前文说到,前轮牵引式弹射会带来结构上的增重,但自1964年A-6采用前轮牵引式弹射成功后,美国随后设计的舰载机前起落架都采用了适应这种弹射方式的结构设计。前轮牵引式弹射取代拖索弹射,通常认为前轮牵引式弹射能够减少甲板人员的负担,可以节省大量的人力。在快速起飞舰载机时,拖索弹射通常需要三个挂索员为一架飞机服务,大型舰载机采用的是两根制动索,甚至需要五个人来共同完成。近40千克的钢索又增加了甲板人员的体力消耗,而且反复使用的钢索发生起飞事故也屡有发生。
比较而言,前轮牵引式弹射自动化程度高,一个人就能快速完成弹射器与飞机的联接。此外,拖索弹射时拖索两头挂在翼根处的挂钩上,会影响机腹下弹药挂载空间的充分利用。随着战后舰载机的起飞重量大幅度增加,外挂武器的种类丰富,拖索弹射的缺点就有了占据武器挂架空间的缺点,弹射离舰后抛弃的拖索又有着碰伤导弹的导引头和控制翼面的危险。如改用前轮拖曳弹射,以上缺点都可以克服。

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可以弹了…

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有微博网友问,早期航母的飞行甲板前端延伸出的两个角状物是什么?新航母上则并没有!若仔细观察,发现其周围还设有尼龙网,这正是用于航母拖索回收的“回收角”。
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