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国产航母为何要坚持采用弹射器?  

2008-05-08 11:49:22|  分类: 中庸军事动态 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2007年11月17,太平洋,CVN72资料图:航母弹射器

  从技术分类的角度看,航母舰载机的起飞方式是一种边缘学科.边缘学科最大的特点是把两种或更多种不同的成熟技术结合在一起形成实用技术,中国虽然没有航母及舰载机的使用经验,但通过几十年来军内外专家的全心关注,人们已经对航母及舰载机起飞方式比较熟悉了,对许多关心国防建设的读者来说,只要是对航空技术和舰船方面有一定的了解,边缘学科的这种特点就导致他们能对舰载机的起飞方式作出比较专业的分析和评价,专家更不例外。从近年来发表在军事刊物上关于舰载机起飞的文章及网上帖子可以看出.关于舰载机弹射起飞和滑跃起飞优缺点的分析已经到了面面俱到的程度,但也正是由于边缘学科的这种特点,在弹射起飞与滑跃起飞谁优谁劣的争论上“仁者见仁,智者见智”情况也就显得特别的突出。就目前情况来看,认为弹射起飞好的观点已经占了上风,但支持滑跃起飞的观点仍然有挖掘不尽的“活力”,往往会使支持弹射的一方产生“底气”不足的感觉。在航母发展的初期,弹射器研制者和海军中一些有远见的军人在向美国海军推荐航母弹射器时曾列出弹射起飞有如下好处·使小型航母能起飞重型飞机、可提高航母飞行甲板的载机数量、可简化飞行作业程序、可以节省燃油增加飞机的航程、能使飞机在横甲板风和零风速时顺利起飞、为设计高性能飞机创造了条件。本文就从这几点出发,再结合这几年关于两种起飞方式的评论对这个话题进行一番总结讨论,以期使朋友们对这两种起飞方式的优劣长短能有个全面和整体的认识。

  起飞方式在舰载机具体设计上的影响

  在探索滑跃起飞的初级阶段,出现的最大误区就是认为滑跃起飞舰载机结构可以避开弹射起飞的结构加强,重量相对轻,一些西方国家的媒体就曾把这一点当成是滑跃起飞优越性的最大筹码,这并不完全是西方国家的误导,美国波音公司在确定F一32的布局时也曾犯过类似的错误,公司中的专家轻易就得出了短距(滑跃)起飞/垂直降落方案将会在控制飞机尺寸及重量上有优势的结论!以至于他们在设计之初曾打算把F-32设计成三军通用的垂直起降型。

  为了探讨未来肮母的发展方向,美国海军曾对cV×航母计划中所要采用的舰载机研制参数进行了研究,这项研究包括战术和支援两种类型的舰载机,在战术舰载机方面以F一18为最低参考标准界限,从机动性、结构裁荷、速度范围、航母环境适应、起降条件和战术能力方面对未来舰载战斗机进行了3种起飞方式下相应舰载战斗机的设计参数推测。战术支援飞机包括预警机、反潜机、电子侦察机、舰载运输机和空中加油机等类型。在考虑了留空时间、反应速度、机体尺寸等因素后,再结合两种起飞方式对设计的影响程度得出了未来战术支援飞机的设计参数。


资料图:C-13弹射器的弹射气缸

  弹射起飞的舰载机重量最小(这里所说的重量是指,达到同样性能标准时舰载机的“设计尺寸及重量”,并不是说滑跃起飞能增加起飞重量),舰载机采用滑跃起飞并不像一般认为的那样,能够在节省弹射增重上得到任何好处.相反的还会付出比弹射起飞增重14%左右的起飞重量增加代价。之所以会出现这种现象,主要是因为舰载机不管是采用弹射起飞还是滑跃起飞,下滑着舰机轮与甲板的冲击和阻拦过载引起的结构增重是舰载机增重的主要因素,例如F-18光是前后起落架就增加重量410千克,几乎是结构增重的一半还要多。对于采用弹射起飞的舰载机来说,阻拦过载和弹射过载都是纵向上,只要是满足了阻拦过载强度,也就满足了弹射过载,另外机身抗着陆冲击的结构加强也能捎带起到抗拒纵向过载的作用。对于滑跃起飞的舰载机来说,由于同样要应对着舰冲击和阻拦过载,在这方面的增重代价基本上等同弹射起飞,顶多是节省了弹射钩和传递弹射过载的拉杆装置,但为适应滑跃起飞必须增加机翼而积和采用高升力装置,导致结构重量增加,同时使飞行阻力增加,再加上为应付这两方面的增重引起的燃油消耗,总的增重效果就导致滑跃起飞的舰载机起飞重量大于弹射起飞。

  与弹射起飞舰载机一样,“米格”一29K和苏-33上舰也得为起落架加强、机翼折叠、安装着舰钩等付出相应的增重代价,除此之外,为了获得优异的低速气动力特性,对气动布局都进行了相当大的改动,改动的地方涉及到机翼面积增加、尾翼加大,采用升力措施和提高发动机推力等,苏-33还加装了前翼,以上措施都会增加几百千克的结构重量。美国人对未来舰载机的研究结果是基于飞行性能不变,而苏·27上舰后由于机翼面积增加,空战过载就从原来的7G降为5G,航程也减少了1/4,因为机翼面积增加,导致机动飞行时翼根弯曲力矩加大,原有的强度满足不了需要,除非再加强翼梁,才能恢复原有的空战过载,这最少会增加200千克以上的结构重量,再加上飞行阻力增加,总的机动性能和航程当然会减少,如果再要想恢复航程,则这种机型在起飞重量受滑跃起飞限制的情况下,只能是减少有效载荷。从设计的角度看,滑跃起飞增重中。I/3可以划分到结构增重上,2/3是燃油增加重量,这意味着苏一33增加的起飞重量中有更多的份额是燃料。

  美国第二代舰载攻击机A一7是由F.8舰载战斗机改型而来,攻击机的设计特点要求增大载弹量和增加航程,因此相对于原型机,A_7取消了发动机的加力喷管,由于采用的是弹射起飞,最大推力下降并不影响从舰上起飞的最大起飞重量,这些舰载机的起飞推重比在最大起飞重量时可以低至0.45。如果是采用滑跃起飞,类似的改装就很难达到目的了,发动机推力必须进一步增加,机翼面积也得增加以降低离舰的安垒速度。“库兹涅佐夫”号上的苏一25是直接给陆基攻击机适当加强结构和加装着舰钩上舰的,发动机推力不但不能减少,还嫌动力不够,因此只能减重滑跃起飞,作为舰载教练机。


资料图:美技术人员为法国航母维修弹射器

  战术支援飞机采用滑跃起飞引起的起飞重量增加更为明显,这主要是因为战术支援飞机推重比都很低,机翼面积也相对较小,为获得能够从滑跃甲板上顺利起飞的能力,除了要采用大功率的发动机外,机翼面积增加的幅度要比战斗机大,这样引起的飞行阻力更大,进而使得这类飞机起飞重量增加的更严重。表中弹射起飞的战术支援飞机起飞重量为21150千克,滑跃起飞的就必须增加到27360千克!增加幅度几乎达到26%,这也说明战术支援飞机更应该采用弹射起飞。普遍认为滑跃起飞航母的最大缺陷就是不能起飞预警机,不过就起飞重量而言,现代典型预警机的起飞重量并不比舰载战斗机大多少,例如美国E-2C的起飞重量就要比F一14小,基本上与F-18的起飞重量持平,从起飞重量的角度说滑跃起飞不适合预警机显然不是很恰当,应该从起飞速度和推重比的角度得出结论。

  为了配合从滑跃甲板上起飞,舰载机必须增加机翼面积,有人认为这可以提高机动性和改善降落时的安全性,其实现代空战讲究敏捷性,机翼面积基本上与此无关,相反的可能还会起负面影响。前面说过,苏-33增加了前翼等部件,机动过载从9G下降到7G,而降落进场速度改善也不是很明显——相比苏一27,苏一33只是小10多千米/小时。

  前文表中所示短距起降舰载机比常规舰载机起飞重量多出的2205千克,是由飞机空重和燃料重量两部分组成的,按照战斗机设计规律推断,其中前者占1/3,剩下的为增加的燃料。从战斗机发展史看,单位机翼载荷一直在增加,这已经成为衡量战斗机性能的一项重要标准,“超级大黄蜂”最大舰上起飞重量接近30吨,机翼面积为4645平方米,起飞时单位翼载荷已经达到650千克。苏·33的机翼面积据说是61平方米,起飞重量如果是26吨的话,其翼载荷就要低得多。美国战后第二代舰载机为了提高时速、航程等主战性能,其进场着舰速度都要比F-18、“阵风”这一类现代舰载机高出30千米,小时,就是因为弹射起飞提供了重载起飞的可能性,而低翼载降落要求可以通过丢弃弹药和紧急放油等措施来满足,这说明苏-33的增大机翼多少与舰载机的设计趋势不相符合。

  目前有一种说法:现有的关于滑跃起飞优缺点的评论都是以弹射航母飞行甲板的设计标准为前题的,如果专门从滑跃起飞特点出发设计飞行甲板,则苏·33这一类的舰载机就可以充分发挥自身的作战潜力,这种看法的根据是“库兹涅佐夫”号最长跑道为195米,还未充分利用飞行甲板的总长度,从苏-33的滑跃起飞实践看,滑跑距离如果延长,起飞重量会有一定幅度的增加,而根据俄罗斯航母的使用经验和美国人自己的滑跃起飞试验结果看,这个长度最少也不会短于180米,拥有180米跑道的航母会臃肿到什么程度不难想象,而如果这个长度等于舰长,那么甲板作业的灵活性和作业效率肯定会被严重影响,恐怕没有哪支海军会为这种设计埋单。


资料图:弹射气缸切面图

  垂/短飞机由于可以通过垂直降落避开常规舰载机的着舰冲击和阻拦过载,因此在机体结构重量上有优势,但由于其发动机的布置对总体设计有巨大负面影响,再加上采用可转动喷管、设置辅助升力装置等因素,增加的起飞重量还是超过了弹射起飞的舰载机,导致这一优势损失全无。一般来说,这类舰载机采用滑跃起飞能够发挥机体结构轻的优势,但如果是统筹兼顾的话,在具体设计中还是采用弹射起飞更有利于战术性能的提高,这是因为弹射起飞更能发挥“短距起飞垂直降落”设计思想的积极因素,例如“鹞”式飞机为提高起飞重量采用的是一台大直径涡扇发动机,这严重影响了该机的最大飞行速度,如果采用弹射起飞,则可以使用较小直径的发动机,这将大幅度缩小飞机的迎风尺寸,飞行速度就可以很容易地超过音速,而降落时由于油料和弹药的消耗,较小推力的发动机也能满足垂直降落需要,从而使这种攻击机能获得更高的作战性能,美国在上个世纪80年代提出的海上控制舰概念就打算利用弹射器帮助此类战斗机从袖珍航母上起飞。

  起飞方式与舰载机最大起飞重量

  弹射起飞诱人之处在于借助弹射器能使舰载机以更大的重量起飞,但这一点在整个航母发展史上表现的并不突出。例如二战中自由滑跑的攻击机如果具有比较长的跑道,起飞重量与弹射起飞基本相同,由于螺旋桨在零速和低速下推进效率很高,因此螺旋桨舰载机具有比较好的起飞推重比,喷气发动机的工作效率与螺旋桨相反,低速时推力基本是台架推力,再加上早期喷气发动机推力都很小,而耗油率却很高,导致舰载喷气机必须装载大量的燃油才能确保任务的完成,因此起飞推重比都比较低,大约在05左右,这样从航母上起飞就变得相对困难了,只有借助弹射器才能完成喷气舰载机的全重起飞。一般来说,航母上的弹射器功率有限,舰载机借助弹射器起飞所具有的起飞重量与在陆地机场起飞有较大差距,例如F一18在陆地机场起飞最大起飞重量可以达到28吨,但在航母上弹射起飞被限制在24吨。但人们普遍不否认弹射起飞具有很大的起飞重量增加潜力,A-5“民团”舰载攻击机,其舰上最大起飞重量高达31吨。从弹射器汽缸直径和储汽罐中蒸汽压力来看,美国航母上的弹射器在起始段能产生上百吨的推力,而新型弹射器要比早期的c-13弹射行程长20多米,因此要起飞比“民团”重一倍的飞机也是有可能的,关键是被弹射的飞机起飞速度要低一些,结构上也强一些。


资料图:F-14战机被航母蒸汽弹射器弹出


每发射2000次必须检查蒸汽弹射器汽缸

  
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