加错油坏在澳洲月见草油胶囊的航空母舰

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尽管并不同意作者的一些观点,但文中很多翔实的资料还是很有用的,供大家共同学习参考!
弹射还是滑跃——发展中国家航母的抉择 作者当头一砖
说的是飞机起飞方式,所以还是贴到航空
中国建造航母的故事最早可以追溯到1955年,当时的海军司令肖劲光将军就提出海军要分期分步发展,希望能研究和建造中国的航空母舰。这个愿望受到当时主流政治思维的否决,一方面中国经济实力与工业实力都很薄弱,还不足以建造和使用航空母舰这样的大型装备;另一方面,中国军事力量的建立主要基于解放战争中的步兵力量,对于空军海军这样的技术力量认识还不充分;再者,苏联在斯大林时代提出的航母建造计划都是虎头蛇尾,有始无终,中国缺乏技术支援和临摹的蓝本。
法国克莱蒙梭号航空母舰。
60年代,法国先后建成了2艘功能、设备比较完善的克莱蒙梭级中型航母。该计划于1952年提出,第1艘R98克莱蒙梭号于1955年11月在布勒斯特船厂开工,1957年12月下水,1961年11月建成服役。第2艘R99福煦号在圣?纳泽尔大西洋船厂开工,后又将舰体拖曳到布勒斯特船厂完工,该舰于1960年7月下水,1963年7月服役。
克莱蒙梭级全长265米,宽31.7米,吃水8.6米,从龙骨到舰桥高达51.2米,分为15层甲板,标准排水量24200吨,满载排水量32780吨。克莱蒙梭级具有与美国大型航母相同的斜角甲板和相应设备,其飞行甲板长259米,宽51.2米,分为两个部分:一部分是舰前部的轴向甲板,长90米,设有一部BS-5蒸汽弹射器;另一部分是斜角甲板,长163米,宽30米,甲板斜角为8度,设有一部BS-5蒸汽弹射器和4道拦阻索,可供飞机起降。在右舷上层建筑前后各有一部16×12米的升降机。机库长180米,宽24米,高7米,总面积4320平方米,分隔成3个库区。
“克莱蒙梭”号于1977年11月至1978年11月进行了第一次大改装,主要内容是对动力等设备进行大修;改善舰员居住条件;对飞行甲板和起降装置进行整修;安装“森尼特”战术数据系统;克莱蒙梭航空母舰安装了作战指挥用的内部电视系统;改装了弹药库,以便存放AN-52型战术核武器。1985年9月至1986年9月进行了第二次大改装,主要内容是用“响尾蛇”舰空导弹取代4座100炮;加装2座“萨盖”电子干扰系统;增加“锡拉库斯”卫星通讯系统;提高弹射器和升降机的性能等。
1976年文革结束,继任海军司令的刘华清也对航母拥有浓厚的兴趣,他提出在实现军队建设现代化时,应该将导弹、雷达、潜艇、通讯系统,以及航空母舰等兵器作为主要发展方向,因此在80年代初中国与西方重新开始接触的时代,许多中国工程师开始有条件接触到西方海军航空母舰。1983年,中国军事代表团首度受邀请踏上法国克莱蒙梭号航空母舰;次年,中国飞行员有了第一次在航母上飞行的真实体验。一直到1986年,中国军事代表团频繁的出现在美国太平洋舰队、法国海军、英国海军等航母上,观摩航母的组织机构、运行模式、作战演练等等。
1985年,一个意外的商业事件让中国获得澳大利亚退役航母墨尔本号。这艘排水量2万吨的航母是英国1952年销售给澳大利亚的,是澳大利亚海军的绝对主力核心,巅峰时期的墨尔本号曾搭载过22架A-4G天鹰攻击机和4架S-2E追踪者反潜巡逻机。在越南战争时期,这艘航母与中国空海军交过手,日,中国援越高炮部队在越南谅山地区一举击落敌机7架,其中至少有2架A-4天鹰攻击机可以确定来自墨尔本号。墨尔本号1980年就基本不能使用了,1982年退役;在报废拆卸前,澳大利亚海军按照标准程序将军舰上所有通讯、雷达等电子设备拆除,动力系统破坏,重要的大型设备比如蒸汽弹射器、拦阻索等拆除。尽管如此,这是中国第一次获得一艘现代化的航空母舰,军舰的舰体结构完整,舱室分布基本保持原貌,管路、消防、空调、防护以及损管设施大部分还在,飞行甲板的铺装、斜角甲板、蒸汽弹射器的部分大结构件以及安装位置都还有一定的信息。这艘军舰被从里到外研究了4年半后被拆毁。
墨尔本号航空母舰。
墨尔本号其实是改革开放初期,地方发展经济带来的一个意外的宝贝。1985年3月,广州造船厂通过华联船舶有限公司,经投标向澳大利亚购买了这条军舰,并与广东中山市拆船公司联合对其拆解。墨尔本号本是英国二战时期设计的尊严级航母,日该舰在英国的巴鲁?维克斯船厂开工建造,日下水。当它下水时,二战已临近结束。于是这艘航空母舰一度停工,直到1949年才复工,进行了5年多的现代化改装。
因为墨尔本号的现代化改装,为这艘二战时设计的直通甲板航母改装了现代大中型航母标志性的斜角着舰甲板、蒸汽弹射器、新式阻拦装置,以及帮助飞行员在航母甲板上降落的“菲涅尔”助降反射镜。改装后,这艘航母于日编入澳大利亚皇家海军服役。“墨尔本号”在提前退役、转卖给中国船厂前,澳大利亚方面已经基本拆毁了所有装备和电子系统,甚至还将该舰尾舵焊死成一个固定角度。但军舰飞行甲板上的弹射器和拦阻索等关键设备还在。
中国的拆船厂当时不知道也不关心这艘庞大的废舰上有这么些关键性的东西,还是当地造船厂一位军代表,突然看见来了这么个从没见过的大家伙,立刻通知了海军总部。海军装备部迅速派遣下属海军装备研究所,临时抽调由不同专业人员组成的30多人前往参观。
  之所以说是去“参观”,可见这个临时搭起来的团组任务来得突然。海军当时没有任何有关航母的具体研究项目和计划。拆船厂不归军方管,着急拆船赚钱,所以团组当时预定的行程只有几天。张召忠还记得第一次见到墨尔本号是个下午。“当时就看到一个十几层楼高的大家伙在那里。我们所有人当时都是第一次见到航母。别说弹射器,我当时连航母上的鞭状天线都不知道是什么东西。”
  在南国炎热潮湿的6月,这批老中青三代军人兴奋地“参观”了几天,意识到这艘即将被拆毁的航母的价值。紧迫的是它马上就要被拆成一堆废铁。对于中国海军来说,这可以说是天上掉下来的机会。张召忠说,当时他和大多数同事都只有30岁出头,对航母的研究热情很高,所有人都申请延长调研时间,住进了附近闷热的工棚,开始一个舱室一个舱室地调研种种细节。
  张召忠说,当时的墨尔本号没有动力,船舱里黑咕隆咚。垃圾堆里混杂着废弃的作战值班记录和被扔掉的私人物品。调研组成员一人一个手电,在十几层楼高的船舱内测绘,逐步了解了一艘现代航空母舰的主体结构和舰上各种主要设备。“当时有几个50多岁的老同事还感叹说,我们不行了,中国发展航空母舰是早晚的事,这看你们了。”
  说起这些往事,张召忠感叹道:“这一下子,24年过去了。”当年的青年军官如今步入老年。中国海军经历了上世纪80年代的“忍耐”时期,也迎来近10年来空前的大发展。唯一没有改变的历史,是当年“墨尔本号”最终调研报告里写的那句话:在中国海军史上,航空母舰这一栏至今仍是空白。(摘自2009第15期《三联生活周刊》蔡伟/文)
航空母舰是当今世界的常规兵器之王,是目前为止作战威力最大的海上武器,也是迄今为止作战能力最全面、综合作战能力最强的武器系统。航空母舰是军事强国的象征,拥有10艘大型航母的美国海军凭借其航母特混舰队能够击败全球其它国家海军总和的战斗力,称霸全球每一个角落。一流的海洋强国都拥有航空母舰,除美国海军外,法国、俄罗斯、英国、意大利、西班牙、印度、巴西、阿根廷、泰国等都拥有大小不等的航空母舰。
在2010年前后,全球开始新一轮的航母发展热潮。美国旷日持久的的CVN-21计划终于获得成果,10吨的CV-78航母下水已经指日可待;英国二战后国力衰退,不得已放弃的大型航母计划如今在经济转好的形势下重新回到皇家海军的序列,7万吨的伊丽莎白一世号已经开始建造;法国拥有了2万吨的核动力戴高乐号并没有满足,PA2航母和英国航母设计同源,达到7.5万吨,也是一艘大型航母,如果法国国会不再吵吵闹闹,明年也许就该批准建造了;意大利西班牙信心百倍,新一代的加富尔伯爵号和胡安?卡洛斯号已经抢先进入海军服役,排水量较之前建造的大了一倍;印度一艘4.5万吨的航母在俄罗斯改造,一艘接近4万吨的航母已经在本国安放龙骨;日本虽然没有明目张胆的建造航母,但是那鱼目混珠的排水量上万吨的平甲板航空护卫舰俨然一副轻型航母的架势,随时都能变身出击;巴西告别了2万吨的米纳斯吉拉斯号航母,迎来3.3万吨的圣保罗号。
放眼看去,在最近的数年中,新设计、新建造的航空母舰是二战以来最多的时刻,还有许多潜在的航母俱乐部成员,俄罗斯信誓旦旦的说要再造3艘,韩国则咬牙切齿要与日本和中国并驾齐驱。随着F-35B垂直起降战斗机的成熟与扩展,一些目前没有特定计划的国家,比如加拿大、澳大利亚、荷兰等也有可能再次进入航母俱乐部;从2010年到2030年,海洋上的航母家族将迎来新的高潮。
中国航母故事
航母系统研究的同时,中国人在欧洲的活动也引起了很大的关注。当中国提出对英国鹞式战斗机有采购的意向时,许多人并不会想象在苏联与中国边境隐秘机场埋伏的垂直起降飞机,而是敏感的意识到中国也许是想将这些飞机装备到军舰上去,1982年英国人在马岛对阿根廷的战争足以说明这种特殊的飞机有多么巨大的价值。美英认为这种飞机有可能会被中国应用到对付台湾的海岛战争上,与遏制苏联的目的没有关系,因此鹞的报价比双发现代化的美洲虎更贵,他们更积极的推介法国幻影2000这类更先进的飞机。
中国获得航母的打算并没有正式化和公开化,政府对航母态度还是比较保守。中国海军在80年代虽然通过引进一些西方技术对舰队进行了改造,但其作战能力和作战模式还是没有摆脱传统的海岸线防御的作战体系,航空母舰这种脱离在整体发展模式之外的东西被看作是破坏者,并不被接纳。同时80年代的中国百废待新,国防相关的大部分项目都关停并转,也没有多余的经费来发展这种复杂的武器系统。但是海外观察却一直在猜测中国有航母的发展计划,比如88年简氏防务就称中国在利用4.5万吨的高速滚装船花园口号改装成为航空母舰,1992年、1995年等年份都不同程度的报道中国正在兴建航母。
真正让中国民众对航母开始感兴趣是1996年以后,台湾民进党上台和军事演习的紧张气氛催生了中国老百姓对中国军队征服台湾的分析,很多人发现,在中国现在的军事能力的情况下征服台湾恐怕并不容易,连很久以前提出的封锁论因为没有航母都显得有点镜花水月。1998年印尼屠杀华人的事件让中国人愤怒,很多人再次发现如果有一艘航母在印尼外海游曳,同胞的的悲剧也许就不会上演。日,王伟在南海上空的陨落真正让中国民众对海军的薄弱感到切肤之痛,自那一年起,几乎每一界全国人民代表大会都有人专门提出要求中国海军建造航空母舰,每年寄往中国海军、中央军委的钙片或造航母的个人捐款可以堆满整整一个仓库。也正是这一年起,中国海军的发展战略悄悄地在转变,海岸警卫队的时代已经过去,蓝色的海军装需要一支蓝水海军。
王伟烈士照片。
王伟烈士生平简介:
1980年9月至1983年7月初中毕业于湖州第三中学。
1983年9月至1985年7月在湖州第三中学读高中。
1985年9月至1986年7月在湖州第四中学职高电子班学习。
1986年10月进入空军某飞行学校。
1992年结婚。妻子阮国琴,湖州人,现在海军航空兵某场站服务社工作。儿子王子,今年6岁。父亲王明、母亲王月琴均是湖州一家企业的退休工人。姐姐王琳,湖州大厦职工。
日,为维护我国神圣的领空权,其驾驶的战机被美国侦察机撞毁,被迫跳伞。
日,在王伟已无生还的可能下,大规模的搜索救援行动结束,王伟同志被批准为烈士。
日,中华人民共和国中央军事委员会主席江泽民签署命令,授予王伟同志“海空卫士”荣誉称号。
日,共青团中央、全国青联追授王伟同志“中国青年五四奖章”。
等待中国航母的日子是很漫长的,对于薄弱的中国海军来说,发展航母战略不等于只建造一艘航母就可以了,他必须建立一套完整的全新的作战体系,并为这个作战体系更替整个海军的通讯指挥设备,为航母建造基地和护航舰队,应该说是在从零开始建立一个新的海军。在网络上,急迫的心态远远不能表达中国民众的热诚,每年8月都盛传航母上船台的小道消息,越来越多人从有无问题转而研究更深入的技术问题;有人甚至开始设计航母,在国外的网站上可以看见中国民间设计的各类新颖的航母草案,还有逼真的3维CG;许多消息灵通人士发表着各种关于航母的信息,在中国民间,航空母舰成了民众强国意识的象征。
由于没有任何发展航母的基础,再加上多年的信息闭锁,中国人对世界航母发展的历程、现状以及将来都不太了解,各类军事书刊上充满了大量猜测和臆断的文章,一些极端的不科学的论断和论调主导了主流舆论,甚至于有军事学家可以在公众媒体上大放厥词,这些都是航母降临前的狂躁。最近军事关注者们都在讨论:未来中国航母是学俄还是学美,是采用俄式的斜板滑跃起飞技术还是美式的弹射器技术。这是航空母舰的发展方向之争,它代表着民众对这一强力武器的期望和幻想。我们并不清楚未来中国会走向什么方向,本文谨以弹射技术和滑跃技术自1950年以来的发展经历为基础,将发展的诸多可能呈现,尝试探索最有可能的发展路线。
弹射器:现代航母艰难的基础
弹射器出现的时间可以追溯到3000年前,中国军队攻城的投石机是最原始的弹射器。这种古老的设备是机械与动力学的结晶,它是利用悬挂重物的重力作为驱动力,利用杠杆原理将重力转化为投掷的驱动力;这些木制的设备通常都是野战时期从被攻击目标周围采集木料现场加工而成,1000年前元朝时期的掷石机高达15米,重约3吨,能够把几百公斤的巨石、燃烧物等抛送到500步之外的城墙上。火炮出现以后,投石机慢慢淘汰,被湮没在历史的故纸堆里;第一代弹射器和古老的掷石机原理相同,结构类似,同样是利用重物重力通过圆盘绳索将飞机抛飞出去,这样的弹射器曾用于第一次世界大战以前的飞机与军舰结合的尝试。
早期的压缩空气弹射器。
早期液压弹射器结构图。
工程师们发现,重物悬挂坠落产生的力量总是很小,而且需要很大的空间,特别是高度很不容易操作;凭借科技的发展,空气压缩机让体积小力量大的高压空气瓶取代了悬挂重物,它们的一些成品伴随战列舰、重型巡洋舰参加了第一次世界大战。航空母舰的出现原本与弹射器没有什么关系,弹射器是战列舰这类没多大空间让飞机起飞的军舰的设备,航空母舰有宽阔平坦的甲板直接滑跑起飞,不需要使用弹射器。早期的弹射器笨重、操作缓慢,高压气瓶已经让位于更高压和紧凑的液压系统,美国海军对弹射器比较感兴趣,他们把它安装在机库里,设想在紧急时刻飞机不用升上甲板,可以直接机库里横着就弹射出去。
二战初期,只有美国航空母舰在部分军舰的飞行甲板上设计了2台液压弹射器,这个东西并不是很受船员们的欢迎,因为要使用它需要不少的士兵来回奔跑,还需要和甲板下的人员注意动作配合,这在看不见也听不清的年代是相当困难和费神的;液压弹射器还经常漏出大量有腐蚀性和毒性的液压油,让甲板难于清理。飞行指挥官们很少把这个设备当回事,当时最流行的航母运作方式是让起飞飞机在甲板上按照起飞距离的长短队列排列,先起飞比较轻巧的战斗机,然后是重一点的俯冲轰炸机,最后面是驼着很重的炸弹或鱼雷的鱼雷轰炸机。
二战时期的企业号航母,图上可见飞行甲板后方排列的舰载机群。
队列式起飞非常有效,二战初期一艘2万吨的航母出动50架左右的飞机可以小于20分钟,偷袭珍珠港的日本海军赤城号花费的时间更少,这是在现代无法想象的数字。因此,二战航母飞行指挥官仅仅在甲板上摆满了飞机又想要派出远程侦察机时才会想到弹射器,在1943年以前,航母有98%的起飞都是依靠自身动力滑跑完成的;1943年到1945年,这个数字也仍然达到75%。尽管战争后期出现的飞机都更大更重,弹射器仍然只处于辅助的角色,它只在一些轻型护航航母上表现出较强的作用,有些国家比如日本,始终都未给航母配置弹射器。
二战结束后,高速喷气时代的到来对航空母舰是一个灾难,早期的喷气发动机体积大功率小,为高速设计的飞机需要把速度提高到原来那些螺旋桨飞机起飞速度的2倍甚至3倍才能离开地面,对机场的跑道长度要求从原来的100-200米提高到米。航空母舰的甲板长度是有限的,二战末期建造的最大的中途岛级航母甲板长度也不过300米左右,依靠自身动力滑跑基本是不可能的,必须借助其它助推手段才有可能让喷气式飞机在航空母舰上应用。
火箭助推起飞的B-47轰炸机。
美国海军尝试了火箭助推和其在二战期间坚持发展的液压弹射器,两者都实现了让喷气机可用的目的,但是火箭效率太低,偶尔少量的使用还可以,如果普及到每一架飞机则是不可能的,按1948年美国埃塞克斯级航母的战斗日出动量来算,航母一个自持作战周期(7个战斗日)内消耗的火箭助推器会占用航母1/4的舱室;使用液压弹射器是比较现实的,美国当时研究的最大功率液压弹射器可以把10吨左右的飞机推送到78节,这个能力可以勉强在航母高速前进时让当时一些平直机翼的喷气式飞机起飞。这一时期美国海军的作战飞机仅有战斗机进行了喷气化,攻击机和轰炸机还是维持螺旋桨动力,海军还没有能力让重型的攻击机喷气化。朝鲜战争时,美国海军的战斗机面对敌手的米格-15几乎是完全不敌,即便是很大优势情况下也难以获得战果,美国海军的舰载机慢慢堕落到只能执行近距支援的地步,防空任务由空军的F-84和F-86担任。
革命性的飞跃来源于老牌海军强国英国。英国在1947年就开始研究名为开槽气缸的以船舶主动力锅炉蒸汽驱动的直列助推设备,1948年,第一条试验性蒸汽弹射器BXS-1建造完成,在北考文垂的文森斯船港附近设立了一个试验台,用滑车和沙包代替飞机作为承载物挂在蒸汽弹射器上,第一次发射时仅仅70%的蒸汽压力就让2吨重的滑车飞出了差不多一英里,这是个令人鼓舞的成绩,也是一个了不起的新开端。英国海军翻开了现代航空母舰的新篇章,他们发明了斜角降落甲板和菲涅耳助降镜能够让高速飞机安全降落,同时也发明了蒸汽弹射器让喷气式技术能够在航母上得以应用和发展。现代航空母舰由此而诞生。
蒸汽弹射器由英国发明,美国购买了英国在此领域的专利。第一条实用成熟的蒸汽弹射器是英国的BS-4型,它安装在武仙座号上进行了为期两年的试验,结果表明蒸汽弹射器是可靠的、重复使用的大推力高速助推手段,能够满足喷气式飞机使用。这一型号的弹射器迅速装备了英国半人马级、巨人级和尊严级的轻型航母,大型舰队航母胜利号和鹰号装备了增强型号。美国海军引进BS-4弹射器以后仅建立了一条用于陆地机场实验,而后自行设计了一款并作了一定程度的改进,命名为C-11型;美国的艾塞克斯级航母甲板尺度大,因此弹射器的长度比英国人的要长,弹射能力更强一些。下面列表可以看出第一代蒸汽弹射器的性能参数:
英国BS-4 英国BS-4A 英国MSC-3 美国C-11 美国C-11-2
生产厂商 米切尔?布朗 米切尔?布朗 麦克泰戈?肖特 西屋 西屋
全长 48.8米 53.38米 48.8米 68.7米 50米
动力冲程 31.34米 46.1米 30.78米 64.5米 45.8米
蒸汽压力 28.8千克/c㎡ 38.9千克/c㎡ 28.8千克/c㎡ 38.7千克/c㎡ 38.7千克/c㎡
速度上限 13.62吨/110节 14.92吨/148节 13.62吨/105节 17.7吨/136节 11.35吨/130节
重量上限 18.16吨/78节 22.7吨/94节 18.16吨/73节 31.87吨/108节 24.97吨/103节
使用年限 1952年 1960年 1952年 1954年 1954年
使用军舰 巨人级、尊严级、半人马级 胜利号 米纳斯吉拉斯号 CVA-19汉科克号 AVT-59福莱斯特号
CV-60萨拉多加号
年间是喷气式航空技术发展井喷的时代,飞机更新换代非常快:1952年米格-15和F-86这类高亚音速飞机刚刚开始风靡,到了1958年2马赫的战斗机已经开始服役了;美国海军刚刚装备F-86的海军型时,三款超音速的舰载机就已经开始在航母上试装备飞行。
尽管有了弹射器,喷气式飞机上舰还是受到极大的限制。弹射器是一种动能辅助设备,飞机越重,提供的加速能力就越低;而喷气式飞机恰好是飞机越重,需要的起飞速度越高,这两者特性完全相反,弹射器只能给飞机一个基本的助力和条件,更多的事情还是需要飞机自己来完成。在50年代,飞机设计师们对飞机设计主要还是在新技术方面进行探索,超音速飞机对于所有人来说都是摸着石头过河,当时著名的2马赫战斗机,比如苏联的米格-21,正常重量起飞速度不小于280千米/小时,实际上基本要达到300千米/小时才飞得起来,美国空军的F-104星战士是著名的号称人力火箭的超音速战斗机,起飞速度要达到340千米/小时才能离开地面。
我们从上面的列表中可以看到,即便是当时性能最好的英国弹射器最高也只能提供148节,大约相当于270千米/小时的速度,借助航母高速行驶时制造的25节以上的甲板风,航母上勉强可以让飞机起飞速度达到315千米/小时,基本达到当时超音速飞机起飞的条件。这一时期,美国海军发展的超音速战斗机受到航母弹射器输出功率的限制,只能发展轻型机,在空军凭借F-100、F-102、F-104、F-105、F-106等飞机频频刷新超音速的速度记录时,海军还在为象F-7U大弯刀这样的高亚音速飞机头疼。
F-8U十字军战士战斗机。
飞机设计师们现在逐渐开始了解超音速飞机的需求了,飞机要细长、机翼要薄、翼面积尽量小,这样可以降低超音速阻力,更容易实现高速飞行。而海军的飞机为了在航母上起飞降落,弹射器限制了飞机的起飞重量,降落的拦阻索限制了飞机的最低飞行速度,第一代的舰载超音速飞机F-8U十字军最大起飞重量稍微超过了C-11弹射器的许可,但是这种飞机为降落设计的自动变攻角机翼可以弥补起飞时这点重量增加产生的后果,飞机最大速度1.7马赫,F-8U十字军最大起飞重量大约12.6吨,离甲板速度不小于137.2节,C-11弹射器有能力在无风零速时把它送上天,但是装在斜角甲板处较短的C-11-2弹射器则需要不小于25节的甲板风帮助了。
美国海军通过弹射器高速和低速弹射性能的极限,分别制定了新的战斗机设计原则,即发展单发轻型战斗机用于防空和护航任务,以弹射器可承受的高速上限为飞机设计最大起飞重量的限制,FH-1、FH-3、F-7U、F-8U都是遵循这样的设计原则。而较低速的攻击机A-1、A-3没有战斗机高飞行速度的要求,则需要考虑更多的满足低速起飞要求,以图有尽可能大的起飞重量和尽可能大的武器载荷。
第一代蒸汽弹射器建造数量不多,没有能够形成工业标准化设计,建造较晚的弹射器在一些部件上不断的修改,改进性能和可靠性。第一代蒸汽弹射器应用的环境主要是二战末期建造的大量老式航母的改造,没有一艘航母是专门设计的,因此每一部弹射器都是围绕被改装舰艇量身定做的,这个情况在英国最明显。英国在战争末期建造了大型航母胜利号和鹰号,还有最晚下水的皇家方舟号,还有巨人级5艘、尊严级6艘、半人马级2艘一共13艘轻型航母。蒸汽弹射器研制的原形是在巨人级航母武仙座号上进行的,巨人级航母除卖给巴西的米纳斯吉拉斯号使用了麦克泰戈?肖特公司制造的C-3弹射器外,其它的都安装了标准型号的BS-4型蒸汽弹射器,而尊严级的印度维特兰克号则是安装与巨人级同样的弹射器,最晚的墨尔本号则安装较新经过改进的版本。胜利号的现代化改进是因为在战争中多次受伤必须大修而不得不进行的,它和鹰号几乎同期开始,都装备长版本的弹射器,因这两艘军舰甲板布局和长度宽度尺度不同,两艘军舰装备的4条弹射器长度互不相同,零件也不通用,性能也各有差异,而建造未完成就直接改为现代化设计的皇家方舟号则直接使用了第二代的蒸汽弹射器。
英国的非标准化导致海军操作的复杂性大大增加了,同一架飞机在不同的军舰上服役必须单独出具飞行手册,军舰的水手们也必须牢牢记住各自军舰的关键性参数,有些舰艇指挥官为了避免犯错甚至始终都不使用飞机的极限性能,让飞机少装200千克燃料或者少挂一颗炸弹能够相当大程度的避免事故的发生。美国人的情况稍微好一些,美国人在战争末期建造了20几艘埃塞克斯级大型舰队航母,还建造了更大型的中途岛级航母。美国人的改装因为埃塞克斯级的批量效应,标准化工作还算不错,但是蒸汽弹射器、斜角甲板等改进项目费用非常高,美国海军也没有足够的预算将所有的航母改装完成。他们将一部分航母转为反潜航母或者多用途支援舰,继续使用老的液压弹射器,使用直升机和帮助海军陆战队运送各类车辆。改进工作不继续进行下去还有一些别的理由:尽管C-11型弹射器比英国原型功率更大,但是美国海军已经不满足其性能的限制了,海军发展计划中的A-5攻击机和F-4战斗机都是双发重型飞机,设计中的超级航母美国号拥有更大的排水量和甲板尺寸,更强力的弹射器在准备中;军舰现代化改进的船厂建造周期最快也要1年半,而那个时代的技术换代只需要3-5年,几艘军舰排队在船厂等待改进,花费巨资现代化改进的军舰有可能还没出厂就面临淘汰。
弹射器开口汽缸结构示意图。
由于C-11蒸汽弹射器是大洋彼岸的舶来品,美国海军一直对其结构和性能感到不满,认为英国人设计得太小气。美国从1948年起也在探索类似结构的弹射器,只不过美国人把注意力放在火药弹射方面,火药弹射器曾经在二战中开发过轻型弹射器,体积小重量轻,操作人员少,美国一直对这项技术报以厚望。但是火药弹射器大型化的道路并不容易实现,美国历时15年,花费2000多万美金的研制最终还是宣布失败,但是失败的项目并没有以结束告终,蒸汽弹射器引进以后,美国需要一个研发团队开发后续的新一代弹射器,虽然火药弹射器研制失败,但两者间有大量的技术可以相互借鉴。
事实证明这是可行的,设计小组用原来火药弹射器的一些部件和设计参数,成功地将C-11型弹射器转化为C-7型弹射器。C-7型弹射器可以算美国自行开发设计的第一款弹射器,这一型号在C-11的基础上放大了部件尺度,气缸直径提高到18英寸,新设计的饱和蒸汽蓄压筒代替了原有的过热蒸汽蓄压筒,同样体积下饱和蒸汽蓄压筒充气时压力下降幅度仅为过热蒸汽的1/3,而提供的弹射功率则比以前大了45%。c-7弹射器进一步延长了弹射冲程的长度,全长达到81.4米,动力冲程达到77.1米。
C-7是第二代弹射器,它吸收了第一代弹射器的设计要素,增加了动力冲程,可以使用较大较重的高速飞机。C-7弹射器主要针对新建造的弗莱斯特级航母,这一级三艘航母主动力设计有着天壤之别。CV-59福莱斯特号采用的蒸汽系统是美国第二次世界大战期间制定的舰队标准蒸汽系统,工作压力大约4.5Mpa,提供蒸汽弹射器的蒸汽压力仅能达到38.7千克/c㎡,而战后美国航母设计对这种能级水平的锅炉和蒸汽轮机作了新的提升,后续的CV-60萨拉托加号、CV-61突击者号采用了新的动力系统,这套系统蒸汽压力达到8.45Mpa,提供蒸汽弹射器的压力可达77千克/c㎡。新动力系统几乎将蒸汽压力提高了整整一倍,这为C-7型弹射器带来了截然不同的两种表现,在福莱斯特号上,C-7型弹射器采用专用大流径的变速率压力阀,可以将26吨重的飞机推到125节,而萨拉托加号和突击者号上的C-7弹射器则可以把同样重量的飞机推到140节。
在美国改进蒸汽弹射器的同时,英国也没有放弃对蒸汽弹射器的研究,皇家方舟号的建造走走停停,不断修改,英国人干脆为其直接安装了第二代蒸汽弹射器BS-5型。BS-5型弹射器是BS-4的放大型,它较为简单的放大了弹射器的动力冲程,也将过热蒸汽的蓄压器更换为饱和蒸汽蓄压器;改进了蒸汽循环系统,以往弹射结束时蒸汽通过泻压阀大多排放到冷凝器或者大气中去了,BS-5则采用了高压回力式机构,可以允许弹射器内充满的蒸汽重新回到主蒸汽系统,能够回收部分蒸汽有助于减少弹射器的蒸汽消耗量,减少对淡水的需求。BS-5型从1960年研制完成,1964年用于胜利号的现代改进。1970年,为了适应美国F-4K飞机的需求,皇家方舟号安装了改进型的BS-5A蒸汽弹射器。1957年和1960年,BS-5型弹射器销售给法国,分别安装在法国航空母舰克莱蒙梭号和福熙号上。下表可见美英第二代弹射器的性能。
英国BS-5 英国BS-5A 美国C-7 美国C-7-1
生产厂商 米切尔?布朗 米切尔?布朗 西屋 西屋
全长 61米 81.74米 81.4米 81.4米
动力冲程 46.1米 61米 77.1米 77.1米
蒸汽压力 38.9千克/c㎡ 38.9千克/c㎡ 38.7千克/c㎡ 77.1千克/c㎡
速度上限 15吨/150节 16.21吨/150节 26吨/125节 28吨/138节或22.4吨/155节
重量上限 22.7吨/91节 22.7吨/105节 37吨/94节 45.4吨/91节
使用年限 1958年 1970年 1955年 1956年
使用军舰 鹰号,皇家方舟号,克莱蒙梭号,福熙号 皇家方舟号 AVT-59福莱斯特号
CV-60萨拉多加号
CV-61突击者号
蒸汽弹射器与飞机的影响
第二代蒸汽弹射器尽管性能比第一代蒸汽弹射器有了巨大的提升,但是海军对飞机的性能提升速度远远超过弹射器的进步速度,这一期间,主力舰载战斗机和主力舰载攻击机的发展故事是非常值得注意的。
美国在年间将航母上飞机分为防空战斗机、制空战斗机、全天候攻击机和轻型攻击机,另外还有部分辅助飞机。防空战斗机主要担负远程巡逻、伴随护航、远程警戒、拦截等航母防空圈外的任务,它们通常是双发的大型飞机,装备有完善的电子设备和拦截空空导弹;制空战斗机则是一些重量较轻、较为简易的单发战斗机,它们主要负责提供航母200千米圈内的制空权争夺,较为机动灵活,携带灵巧的近距导弹;全天候攻击机主要承担复杂气候下的远程攻击任务,有完善的导航和地形跟踪雷达,能发射各类导弹和炸弹,有完善强大的电子自卫系统;轻型攻击机则较为简单,拥有基本的电子设备和系统,价格低廉、载弹量大,主要用于执行较为危险的近距支援和战场遮断任务,也可以在全天候攻击机的编队指挥下执行部分远程攻击任务。在60年代初期,美国航母上的主力战斗机是新发展而来的F-4鬼怪II型,主力攻击机是被寄予厚望的A-5型,这两个型号的飞机在设计时都分别遇到弹射器瓶颈和拦阻瓶颈。
首先是麦克唐纳的F-4H-1型战斗机,这是海军第一次发展的超音速双发大型舰载战斗机,安装有美国最新的电子科技,有完善的雷达和超视距拦截导弹,是美国最先进最新锐的战斗机,它在试飞中成功飞出2.34马赫的速度,一举打破空军把持的多项速度世界记录。F-4H-1一共有5架原型机,前四架主要是实验飞机的飞行性能、电子性能、武器系统性能,在试飞中F-4H-1表现出色,1960年起开始在最新的航母突击者号上进行最后的舰载相容性试验。试飞中发现,在设计的飞机最大起飞重量22.387吨时,飞机离甲板速度必须达到158.8节,以突击者号的C-7-1弹射器的能力,只需要不到5节的甲板风就能满足起飞条件;但是对于那些较早期的航母,比如弗莱克斯号、中途岛号等,这个速度就是不可接受的,它们需要达到至少35节甲板风才能让飞机达到如此的性能。麦克唐纳公司在第五架原型机上增加了一套吹气增升技术,这套系统极大的提升了F-4H-1型飞机的起飞和降落性能,在上述22.387吨的起飞重量时,吹气机翼成功地将起飞速度从158.8节降低到140节,这个速度对于中途岛号这样较老的军舰是可以限制在25节以下甲板风应用的;对于新一代的福莱斯特级航母时,最大起飞重量被提高到24吨以上,作战性能大大增强。
A-5民团团员攻击机。
无独有偶,新一代的超音速全天候攻击机A-5民团团员也遇到类似的情况。A-5是当时航母上最大最重的超音速飞机,它也用了F-4采纳的附面层吹除增升技术,使用与F-4同样的J79-GE-P8型涡轮喷气发动机,在起飞重量为25.6吨时,需要136节的起飞速度。尽管起飞速度满足C-11和C-7弹射器的要求,但是由于飞机的降落速度过大,超出埃塞克斯级航母的跑道许可上限,A-5攻击机只能在CV-41中途岛级以后的大型航母上使用。越南战争中,这种复杂的超音速飞机并未能表现出超越亚音速攻击机A-6的性能特点,并且飞机本身也有许多问题,所以很快就停产,失去主力位置。A-6攻击机拥有更优越的起降性能,起飞重量24.4吨时起飞速度仅仅为109节,最大起飞重量约28吨,可以被当时所有的现役航母使用。
最典型的事例应该要算英国皇家海军的舰载机的故事,英国皇家海军和美国海军不同,他们拥有一系列大小不等的航空母舰,最小的竞技神号排水量仅有2.8万吨,最大的皇家方舟号也只有5.8万吨。英国航母最大的特点是舰长短,特别是起飞区尤其短,同时代的航母中,英国的弹射器总是比美国弹射器短至少1/4以上。英国皇家海军要选择新一代舰载飞机是非常困难的,它们必须照顾最小的航母的起飞条件,这无形中为舰载机套上了一个非常沉重的枷锁。
英国布莱克本公司研制的掠夺者攻击机。
吹气襟翼系统在机翼上留下的痕迹。
在发展攻击机时,布莱克本的掠夺者是一种类似于美国A-6攻击机的全天候高亚音速舰载攻击机,飞机的大小、重量级别、作战任务包线等都基本相同,只是英国人的设计工作开展更早。为了能在2.8万吨的轻型航母竞技神号上也能正常使用,掠夺者罕见的在这个级别的飞机上采用了附面层吹除增升技术,极大地缩短了起飞距离,采用这项技术让掠夺者比A-6空重重了大约2吨。通常在陆地机场起飞时,掠夺者22.7吨时的起飞速度大约为144节,采用了吹气机翼时起飞速度大约为122节,这个速度不足以被那些轻型航母上的BS-4型弹射器推动。因此,英国海军采用了更极端的手段,他们让掠夺者在起飞时前轮离开甲板翘向天空,在机尾设了一个滑橇,飞机以屁股坐地的望天姿态形成一个巨大的11度迎角,借助附面层吹除技术,掠夺者可以在这样大的迎角下安全起飞,离开甲板的速度仅有102节。这样设计的掠夺者最终成为英国皇家海军新一代主力攻击机,它们坚固耐用,直到1990年的海湾战争中仍然可以承担大量的低空突袭任务,是一种非常优异的大型攻击机,英国人付出巨大的努力后让舰队中四艘航母可以搭载总数大约100架的大型现代化攻击机。
但是英国人短小的弹射器带来的故事还没有结束。60年代末,英国国内几乎所有自行开发飞机的计划都被工党政府放弃,英国皇家海军这个时候还没有一种超音速战斗机,这在2马赫普及,3马赫都出现的年份显得过于陈旧。英国海军和空军选择了美国的F-4鬼怪式飞机作为新一代的舰载主力战斗机和攻击机,这种飞机在越南战争中表现相当不错,是西方世界最强大最先进的战斗机了,美国空军和海军同时使用这种飞机。但是英国海军很快就遇到麻烦,鬼怪战斗机起飞降落速度太快,最新一代的英国弹射器也达不到将其弹射升空的作用,在掠夺者上采用的吹气机翼技术F-4本身就已经采用,必须要使用更新的手段才有可能让飞机有可能使用。
受此限制,英国海军放弃了在轻型航母上使用重型飞机的幻想,竞技神号上掠夺者费尽心思的精巧设计一共也只装备了7架,半人马座级航母仅仅剩下竞技神一艘,而5万吨的大型航母还有三艘。英国人放弃了竞技神、半人马座号这两艘轻型航母,考虑到皇家方舟号是最新的设备,弹射器功率最强,新飞机被要求至少要能在皇家方舟号上正常使用。这是一个相当困难的技术挑战,美国麦克唐纳公司预先认识到这个问题的严重,他们在送呈英国国防部的设计方案中建议海军型的飞机必须采用更大推力的发动机,美国当时没有合适的发动机,J-79的新型号工作一直不够稳定,他们希望可以使用英国罗?罗公司的斯贝发动机作为参考的对象;斯贝发动机无加力型号这个时期刚刚被引入美国,在A-7飞机上表现出色。但是海军需要飞机数量并不多,专门为海军的飞机换发代价非常高昂,英国国防部建议空军和海军采购的鬼怪飞机都更换罗?罗的发动机,以便于后勤支持和保养,同时也为英国脆弱的国防工业带来一些采购份额。
更换了罗伊斯?罗尔斯Mk201斯贝涡轮风扇发动机的F-4K推力从2×7280千克提高到2×9320千克,增加的推力可以增加飞机的推重比,提高加速能力,减小对弹射器的依赖。但是推力提升了28%还是不够用,英国的弹射器实在是太短了,飞机的推力没有足够的时间加速飞机,英国人只好再次回到掠夺者的设计思路上去。F-4K的前起落架被加长了40英寸,起飞时前起落架升起,可以让机头高高昂起,飞机被固定在9度迎角;这个姿态可以利用更大的机翼升力,并且从发动机推力矢量中获取总推力的16%作为垂直推力分量,起到降低飞机起飞速度的作用。在吹气增升、大推力发动机、固定初始迎角这三管齐下的帮助下,F-4K战斗机才获得登上英国航母的通行证。
F-4K屡经艰难的努力,最终只采购了29架,没有达到最初计划的110架的订货数量,这是因为这些飞机只能在皇家方舟号上使用,胜利号与鹰号现有的弹射器和拦阻器功率都偏小,要实现换代的目的必须对这两艘航母做耗资巨大的现代化改进,整个飞行甲板几乎需要全部更换,改装价格接近建造一艘全新的大型航母。同样的痛苦在美国中途岛级上也已经上演,但是英国没有象美国那样宽裕的财政状况,国力不允许这样的改进继续,胜利号和鹰号很无奈的相继退役。鬼怪飞机在英国航母上工作到1978年,军费进一步削减的英国在这一年放弃发展常规航母,伟大的现代航母创始国无奈的结束了常规航母的旅程。
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第三代蒸汽弹射器
现在只剩下美国人还在努力了,经过第一代和第二代蒸汽弹射器的应用,以及第一代和第二代超音速舰载机的设计,美国人逐渐掌握了弹射器、拦阻器、舰载机这三者间相互制约的设计关系;通过对英国弹射器原形进行放大、提高工作压力、改进输出等方面的一系列工作,美国花费了10年的时间学习和改进,他们开始根据需要设计自己真正需要的、完全属于美国人的蒸汽弹射器了。这一次,弹射器不再是孤立的单纯的蒸汽机械工业的设计,而是按照未来海军舰载机规划技术研究的基础进行的。
美国为了防御苏联的远程反舰导弹发展了大型的防空拦截系统,要求在更远的距离停留更长的时间,这套系统需要比F-4还要庞大的机体才有可能实现。空气动力学的进步发展出变后掠翼技术,这对海军是非常有价值的,变后掠翼可以在起飞降落时让飞机象平直机翼的亚音速飞机那样拥有很低的可用速度,而又能在高速飞行时提供超音速飞行必须的小阻力;最为美妙的是,变后掠翼可以提供飞机远超任何超音速飞机的巨大的巡航升阻比,采用这项技术的飞机可以飞的更远,在天空巡逻时间更长,这些都是海军急需的。因此海军未来主力战斗机定位在采用变后掠翼的F-111B战斗轰炸机上,这种飞机既能携带大型远程拦截导弹进行防空拦截,又能携带炸弹进行超低空轰炸。
F-111战斗轰炸机。
美国海军要求,基于航母战斗机最大化的要求,以升降机一次升降两架执行防空任务的飞机和其武器设备为上限,升降机最大举升重量为45吨,武器设备大约每架飞机2吨,飞机空重不得超过20吨;海军飞机必须有携带全部导弹装备返回的能力,并且保留30分钟余油,这种情况下降落重量将达到23.3吨;使用新设计的Mk-7-Ⅲ型制式拦阻器时,进场速度必须小于132节,最大起飞重量不大于当前弹射器上限的31.78吨,起飞速度不大于135节。基于这个设计条件,海军对第三代蒸汽弹射器提出设计指标,首先扩大弹射器的性能范围,弹射输出速度可以从90节到165节,弹射重量也可以从15吨到45吨,具体的性能要求为长度最短的弹射器在弹射重量为35.4吨时不小于125节。
C-13弹射器的弹射气缸。
C-13型弹射器的开发相当顺利,1957年开始设计,1959年第一台工程型号出现,1960年就安装在CV-63小鹰号上。C-13弹射器与之前承袭英国式弹射器不同的地方在于采用了一套新颖的牵引系统,原来的弹射器是用一根钢索连接飞机粗壮的主起落架,然后勾在弹射器挂钩上,弹射时弹射器滑车通过挂钩钢索拖动飞机,跑道末端弹射器减速后钢索自动从飞机上挂钩脱落;许多航母在甲板末端设计一个尖角挂有网兜,用于回收钢索,法国航母则干脆弹一次扔一根,当作纯消耗品。钢索挂钩牵引系统结构简单,对飞机无特殊要求,但是起飞前操作速度较慢,需要三个以上操作人员处理。由于不同飞机的主轮距与重心设计各有不同,航母上的钢索需要专门对应各自型号的飞机,操作上容易出现失误,并且钢索的使用和维护容易污染甲板。使用钢索牵引的弹射器弹射一架飞机最快需要大约2分钟,而再次弹射的能力不小于3分半钟,越南战争期间,福莱斯特号用四台弹射器连续出动,最高的单波次出动记录也仅仅达到28架次/30分钟。
C-13型弹射器创造性的采用了新的牵引系统,它需要在前起落架上设计一个牵引杆,飞机起飞前牵引到滑车处,牵引杆扣上滑车,用一个对角度敏感的单向易断螺栓半自动扣死牵引杆;弹射滑跑到减速段,飞机向前的速度大于弹射器的滑车速度时,易断螺栓受力由轴向拉力变为法向剪切力,螺栓立刻断开,牵引钩和滑车脱离,飞机起飞。前轮牵引式弹射技术最大的好处是统一了弹射连接件的规格,缩短了起飞前的准备时间,C-13弹射器最快可以在滑车就位的情况下在一分钟以内完成弹射出动。这项技术对舰载机有些要求,需要加强前起落架并安装牵引钩,适度加强前起落架和机身连接处的强度。由于需要对飞机进行结构改进,现役飞机许多都比较难以实现直接应用,因此C-13弹射器保留传统的钢索弹射牵引能力,许多航母在90年代初期还保留着钢索牵引弹射器的末端冲角的特征。C-13出动速度方面的优势很快在越战后期得到体现,小鹰号在一次出动中以17分钟成功的起飞了31架作战飞机。
C-13一共设计了两种型号,基准型用于安装在长度较短的斜角甲板,或用于替代较早期航母上安装的C-11-1或C-7弹射器,较长的型号是美国海军新设计航母的标准制式弹射器,可以提供更强的加速能力,以满足新一代设计的作战飞机重量上升的要求。英国在1966年也开始考虑设计下一代航母,到1968年起已经明确未来和美国下一代舰载机绑在一起。看到美国发展的C-13弹射器,英国也为下一代航母CVA-01发展新一代的蒸汽弹射器BS-6,仍然由米切尔?布朗公司设计制造,吸收了美国C-13蒸汽弹射器前轮牵引的设计特点,长度与标准型的C-13基本相似,目标是使用美国新一代舰载机F-111B,英国定制的型号同样采用罗?罗公司的斯贝MK202发动机,称为F-111K。下面列表可以看到第三代蒸汽弹射器的性能参数:
英国BS-6 美国C-13 美国C-13-1
生产厂商 米切尔?布朗 西屋 西屋
全长 94.55米 94.55米 100米
动力冲程 76.25米 76.25米 84.5米
蒸汽压力 77.1千克/c㎡ 77.1千克/c㎡ 61千克/c㎡
速度上限 18吨/150节 22.7吨/155节 22.7吨/148节
重量上限 32.41吨/100节 33.75吨/120节 33.75吨/108节
使用年限 1972年 1960年 1967年
使用军舰 英国CVA-01伊丽莎白号 CV-63小鹰号
CV-65企业号
第三代弹射器获得了巨大成功,它很长时间都是美国现役航母中的绝对主力,它让大多数舰载机起飞变得很轻松,能让一些老飞机,比如F-4B以更大的起飞重量起飞,A-6也从中获得利益,它的有效起飞载荷足足比设计之初增加了2吨,极大地提高了它的性能。但是在重型飞机方面,第三代弹射器还是遇到一些麻烦和限制。
首先是美国海军和空军联合研制的下一代舰载战斗机F-111B,这种飞机在原型机阶段空重就超过22.9吨,携带6发不死鸟导弹和机内满油时重量接近34吨,携带炸弹时重量可以超过37吨,这么庞大沉重的飞机航母上是很难承受的。进一步研究后发现,如果安装完所有的海军设备,飞机重量还会进一步上升,即便是经过各种减重手段飞机还是比设计要求重了2吨,航母上只有最新的C-13弹射器能够勉强使用。海军放弃了这种全能战斗轰炸机的设计,转而发展专门的防空系统,攻击系统仍然由性能获得提升的A-6入侵者执行。新发展的系统仍然基于F-111的技术条件,比如普惠的TF-30涡轮风扇发动机、变后掠翼技术等等。
F-14是一款完全从F-111失败阴影中走出来的战斗机,它是第一种服役的第三代战斗机,庞大强劲而又极度灵活,拥有超越时代的远程探测雷达和超远程拦截导弹;它是一种异常梦幻的飞机,从1969年到2007年一共服役了近35年,直到退役时仍然有大量的海军军官和将军们认为它是最棒的飞机,到目前为止,还没有那种舰载机能够在防空性能上超越F-14雄猫。F-14飞机设计时C-13弹射器已经服役多年,飞机设计师有足够的经验有针对性地设计飞机的尺度和重量,最重的雄猫也能够在蒸汽压力较低的企业号上正常使用。拥有C-13以后海军的一些新飞机可以不用再考虑特别的升力技术了,比如F-4使用的复杂的吹气机翼技术,还有笨重的变后掠翼技术。
F/A-18大黄蜂战斗机是美国海军的一个尝试,这种飞机集中了轻巧灵活的狗斗战斗机的所有特质,但同时又能执行复杂的全天候高精确攻击,使用80年代最新的电子技术和空气动力学,这种飞机成为一种全能战士。大黄蜂战斗机虽然按照海军舰载机那样设计了许多低速使用的设备,比如全展的大型襟翼,但是并未刻意去要求飞机作特别的手段获得低速飞行性能,甚至因为中等迎角飞行容易出现方向稳定性变差的趋势而在起飞降落时禁用了一些可用的迎角状态。
F/A-18也是一种按照航母工作上限设计的飞机,它的降落速度在美国海军的舰载机中是最快的,进场速度基本在145节,这个性能指标曾经被国会专门报告批评,认为海军刻意调整最初设计指标125节至145节,有舞弊行为。实际上F/A-18的确有能力把速度降低到125节进场,但这个时候的迎角会让降落的成功率下降大约4%,特别是天气条件不好、有侧风或阵风时,这个成功率还要进一步下降,最高时可达到约17%。美国海军的工程师认为,既然航母上的设备有能力允许飞机以更快的速度着陆拦截,为什么非要去刻意降低飞行速度呢?同样的理由也出现在起飞时的性能要求,大黄蜂的起飞速度远高于F-14雄猫,F/A-18的起飞性能非常接近正常的陆基飞机,它在22.7吨的最大起飞重量时大约需要165节的速度,约305千米/小时。
F/A-18的设计是美国海军自1950年喷气技术上舰以来首次不用刻意增强飞机起飞降落能力的舰载机,没有苛刻的条件限制,大黄蜂变得简单、坚固而且异常灵活,特别是飞机上没有复杂的机械结构,没有复杂的发动机放气装备,没有大量的贵重金属,加上一些特别的可靠性和可维护性设计,它给美国海军带来了大约只有现役其它战斗机2%的维护工时和飞行小时维护小时数,全能的飞机比专一用途的飞机更能提高航母在有限飞机携带数量下的战斗力。因此,美国海军开始有了一种新的设计思路,不再刻意去增加飞机的最大起飞重量,避免需要采用代价较高的技术来实现起飞和降落的低速要求,它们在拦阻器和弹射器的性能中不再取极值,而改用综合分析以后的综合最优化值。
新时代弹射技术的发展
80年代美国海军还是有两件很惨痛的挫败事件,一个是寄予厚望的NATF只进行了方案研究,新的飞行平台和空军要求的性能大相径庭,海军既需要超音速巡航,又特别需要低速巡航的能力,这是ATF计划所不能包含的。海军的研究发现,以YF-119和YF-120发动机平台的海军飞机都会比F-14更大更重,在航母上操作会更加困难,起飞降落要求极为苛刻,比如需要使用变后掠翼这一类笨重的技术才有可能勉强满足起飞降落要求。这些复杂的情况需要比空军更多的经费去发展,显然这是不可能的,ATF的费用已经让国会非常不满,那些议员不允许再来这么一个费用黑洞。
另一件事则是最重要的项目A-12复仇者攻击机的超重,这是海军飞机屡见不鲜的毛病了,海军提出超高难度的指标,飞机制造商则只能贴着允许重量的上限设计飞机。这又是一个空军海军都参与的项目,结果在不成熟的复合材料技术面前,不可控因素出现,再度以超重2吨以上的结局收场。这一次,空军吸取F-111捡破烂的教训,果断地将海军早早撇到一边,悄悄地发展自己的性能差得多的F-117。A-12的失败让海军在未来30年以内竟然要使用70年代技术水平的老爷装备,结果海军果然在90年代末被空军拉开巨大的技术水平差距,重新回到朝鲜战争时空军海军装备技术差距的窘迫环境。
在尼米兹级建造以后,1975年美国海军开始下一代CVNX研究;与此同步,基本构件的研究也正式展开,新一代弹射器也在计划之内。当前正在使用的C-13弹射器结构合理,功率大,气缸长度接近90米,已经接近蒸汽膨胀的极限了。科学家发现,蒸汽弹射器弹射过程中受一个蒸汽膨胀率系数随体积增大而快速下降的立方函数的关系,即便是保持恒压充气,弹射初期推动力最大,加速度可以达到5G以上;而到了弹射末端,蒸汽膨胀的速度与正在活动的活塞速度较为接近,还必须加速之前充入弹射器的数百公斤蒸汽,推力急速降低,加速度不到2G。新一代弹射器为了提高输出末速度,必须想办法提高已经达到机械和热动力设计极限的技术,改进结构。
设计人员可选择的手段并不多,要么使用温度压力更高的蒸汽,这要求整个舰队更更换新的蒸汽系统设计标准,全面更换整个海军舰队的蒸汽动力系统,很显然这是不现实的。在美国海军的序列中,从二战期间蒸汽系统压力4.5MPa转换到60年代的新标准8.45MPa花费了巨大的代价,现役航母中较老的中途岛级的三艘航母,还有福莱斯特号,以及核动力的企业号蒸汽压力都没有达到标准。尽管采用了比标准型号弹射器大一倍以上的蓄压罐和大直径变速率压力阀,这些军舰弹射器输出功率仍然比标准的航母平台都要小,中途岛级不能使用最新的F-14战斗机,而企业号和福莱斯特号则有起飞重量限制,这无形中影响了航母舰队的战斗力,还影响研制新一代战斗机的战术指标。
如果不能增加蒸汽的压力,那么只有让更多的蒸汽参与膨胀做功,这样需要放大蒸汽弹射器。从蒸汽弹射器正式应用起,弹射器做功的C型开槽气缸规格和活塞以及闭气机构的参数都基本固定,看来只有放大弹射器的尺度、增加气缸容量才能提高蒸汽做功的潜力了。新设计的蒸汽弹射器耗费了4年时间,加上前期验证和试验总共用了接近10年时间。新弹射器基于C-13-1型弹射器放大气缸直径而成,气缸直径从18英寸提高到21英寸,气缸容积提高了38%。新设计的蒸汽弹射器被命名为C-13-2,表明这条弹射器基于C-13弹射器的技术,但这个型号实际上是全新开发的,几乎没有零件可以和C-13-0和C-13-1通用。C-13-2弹射器是目前为止航母上最大的机械部件了,一台弹射器不算连接的蒸汽管路就重达550吨,需要1000立方米的安装空间,生产一台弹射器需要一年半的时间,尼米兹级航母为4台弹射器总共付出约2300吨的结构重量和大约17公里长的高压蒸汽和水循环管路的代价。C-13-2弹射器于1980年研制成功,装备了CV-72阿伯拉罕?林肯号。第四代蒸汽弹射器C-13-2的性能与前系列各型号的对比如下表:
参数\型号 C-11/
C-11-1 C-7 C-13 C-13-1 C-13-2
冲程(米) 64.36 77.17 76.25 94.5 93.64
轨道长度(米) 68.63 84.18 80.83 99.13 99.13
活塞与牵引器重量(公斤) 83
气缸直径(毫米) 457.2 457.2 457.2 457.2 533.4
冲程总容积(升)
正在维护中的美军航母蒸汽弹射器。
C-13-2弹射器增大的缸径为弹射能量输出带来明显的提升,C-13输出动能达到84兆焦,而C-13-2提高到134兆焦。大排量带来加速度变化更加平稳的优点,最大过载峰值通过全新设计的变速率阀可以控制到小于5G,比C-13常常超过6G优越许多;人体在5-6G间有一个耐受极限,在5G以内人体感受是压力大但是可以接受,而超过5G则需要全力对抗,并且会出现一些G过载意识影响,新弹射器无疑提高了弹射起飞的安全度。作为第四代弹射器,C-13-2弹射周期变得更短,从60秒提高到45秒,再弹射间隔从80秒提高到60秒。以F-14最大起飞重量34吨来说,原C-13弹射器仅能推送到120节,而C-13-2则可以推送到140节。
有了强大的新弹射器,美国海军仍然没有能保留下超重危机中的A-12复仇者隐身攻击机,但海军不能在2000年以后还在使用越南战争时就开始服役的A-6攻击机和F-14战斗机了,很多飞行员已经不能容忍这些与他们爷爷同年的老古董,美国海军需要发展一种实用的新飞机来过渡,这就是F/A-18E/F超级大黄蜂发展计划。
超级大黄蜂的设计参数的确定非常有趣,它基于全新一代的弹射器与拦阻器的参数中选取了一个新的平衡值,虽然有很高的航程要求,也有很大的载弹量要求,但新飞机并没有象F-14那样成为一种重型飞机,海军更看重从大黄蜂设计中获得的全能通用、维护简单、维护时间少、出动率高的实际战斗力。在1990年的海湾战争中,林肯号上的F/A-18一次出航任务中因故障未能出动的飞机架次数仅有F-14的1/2300,A-6的1/560,只使用F/A-18的中途岛号和珊瑚海号整个任务期间出动飞机总架次数比那些大得多的航母还要多30%,这是隐形的战斗力提升。
美国航母飞行甲板布局示意图。
超级大黄蜂需要维持这样的隐形的高效率,它选择了一个有趣的取值。超级大黄蜂最大起飞重量只达到30吨,比起F-14的34吨小了4吨,恰好它们两的空重差也有4吨,因此,超级大黄蜂实际上和F-14有同样的载荷重量。但这4吨重量差对于弹射器差别就很大了,最新的C-13-2弹射器弹射34吨F-14时只能推送到140节,但是弹29.8吨的超级大黄蜂则能推送到165节,这25节的速度差对飞机来说那是翻天覆地的变化。如果要采用空气动力技术来弥补这25节的速度差,飞机必须采用变后掠翼,或者大30%以上的机翼,或者用复杂的附面层吹除等技术,这些手段都会让飞机变得更加复杂和笨重,进一步恶化起飞降落性能。
尽管超级大黄蜂是专门设计的舰载机,它仅仅为降落速度设计了与陆基飞机不同的全展襟翼,没有再采纳别的增升技术就满足了起飞和降落的双重需求。超级大黄蜂对于美国海军来说是种很重要的标志性飞机,它一统了美国航母上各种不同类型的作战飞机,全能多用途大运载量的超级大黄蜂能够体现航母最高的作战效能,尼米兹级航母上装备50架超级大黄蜂时作战效能比之前使用各类作战飞机混编时80架还要高;而且使用费用大大降低,研制费用和采购费用都相当的低廉,成为美国海军新一代舰载机的明星。并且它的优异性能令空军在阔别深恶痛绝的“盐水鸡”近30年以后再度采购了超级大黄蜂平台(F/A-18G咆哮者),这是海军的重大胜利。
还有一种第四代蒸汽弹射器,它的数据列表算不上什么高性能的东西,但是它却是也代表着当今最先进的弹射器技术,为它搭配的舰载机也有相当有趣的故事,这就是法国夏尔?戴高乐号航母上使用的C-13-3型弹射器,这是一款基于C-13-2弹射器的轻量化低压短冲程版本的弹射器。法国在80年代决定建造一艘核动力的中型航母,它们沿袭克莱蒙梭级航母的设计,采用两条蒸汽弹射器和拦阻器的常规布局。
法国的航母设计展现了另一种各类困难折中解决的曲折路线。首先法国航母建造数量很少,不能为航母发展一种专用的核反应堆,它采用了两座其战略核潜艇凯旋级的K-15反应堆。核潜艇的反应堆因为控制噪音的要求,一般不会选择特别高的蒸汽压力和循环参数,戴高乐航母的蒸汽压力仅仅和上一代克莱蒙梭级持平,约为4.32MPa;主动力系统蒸汽压力过低,这对蒸汽弹射器是一个严重的影响,尽管可以采用大直径的变速率阀和大体积的蓄压罐,也弥补不多。更糟糕的是法国航母限定在4万吨左右的排水量,而传统的C-13弹射器设计是按照美国排水量9万吨级的航母尺度而来,没办法采用。英国的弹射器自1970年以后就没有再继续发展和建造,能采购的只有美国的C-13。
西屋公司接受了法国的要求,他们简单的以C-13-2按照法国人的要求截短了气缸,将蓄压储气罐的容积增加了55%,形成了C-13-3。由于蒸汽压力降低了一半,且弹射冲程从93.64缩短到75米,全长缩短到91米,C-13-3输出动能仅达到标准C-13mod0的85%,最大弹射重量仅有32吨/102节的水平,弹射20吨时可提供155节,24.5吨时可提供140节。美国人很干脆的交出了成品,但拒绝再为法国进一步优化,现在轮到法国人挠头了。
法国阵风M舰载战斗机。
戴高乐原配战斗机是全能的阵风M,这种鸭式无尾布局的飞机本身低速飞行性能异常出色,但是法国的飞机发动机推力较小,阵风M的任务载重逐年在增加,飞机起飞重量从原来计划的22.7吨增加到24.5吨,远期将接近27吨的水平;显然,140节的起飞速度还不能安全的起飞满载的阵风战斗机,满载的情况下,阵风最少也需要大于153节的起飞速度,达到158节才算比较安全。法国人怎么办?
应该说,法国DCN对于戴高乐的构思是相当精巧和细致的,他们没有去过度要求飞机改进,而是仅仅在飞机起落架上做了点文章。首先是法国人让飞机起飞时有一个大约2-3度的固定迎角,这可以使飞机起飞速度减小至少3节;其次阵风的前起落架采用了一个突伸的起落架中柱,可以在起飞离甲板时额外给予飞机一个6度的迎角,这大约可以降低起飞速度10节;弹射器上也被加上了一个精巧的楔形块体,位于弹射器冲程结束端,它可以将即将离开甲板的飞机前轮抬起一点高度,进一步增加飞机抬头趋势,这个小小的楔形块体大约相当于2度的斜板跳板,能够降低起飞速度大约6节。凭借达索出色的飞控技术,阵风飞机可以稳定安全的从美国海军禁忌的迎角角度中榨取飞机的升力潜力,同时也为此付出延迟6年装备的巨大代价。
进入21世纪,美国开始关注更先进的电磁弹射器。蒸汽技术在C-13-2上已经被应用到极限,没有办法再提高了,电磁技术提供了这个可能,2012年的CV-78航母上将开始全新的时代。同时,新弹射器的确定也标志着美国海军下一代作战飞机的设计范围定型。综合蒸汽弹射器50年来的4代发展,我们发现美国、英国、法国的常规航母每一代作战飞机都与其对应的弹射器紧密相关,新型号弹射器的确定和装舰往往才是新一代作战飞机设计的开始;而新一代的作战飞机除必须满足苛刻的战术性能要求外,其基本构型和基本性能都受到弹射器的严重制约,超重者死,这是舰载机永远不变的法则。
弹射起飞中的F-14战斗机,可见到蒸汽弹射器泄漏的大量水蒸气。
研制蒸汽弹射器也许并不算很困难,苏联在1978年就开始制造了两条实验性的蒸汽弹射器,但是要研发和制造出达到美国第四代水平的蒸汽弹射器就非常不容易了。从1948年开始,美国在蒸汽弹射器的研制上前后已经投入大约60亿美金的研究费用,一条最新的C-13-2蒸汽弹射器采购价格大约7700万美金,比采购一套蒸汽锅炉和蒸汽轮机都要昂贵。以苏联的经验来看,一个没有发展过弹射器的国家至少需要投入大约30亿美金和5年左右的时间才有可能发展出大约相当于第三代的蒸汽弹射器,同时至少还需要投入大约120亿美金左右用于研发和更换海军现有的高压力蒸汽动力系统。
苏联放弃发展蒸汽弹射器还有一个原因:蒸汽弹射器的开发周期较长,对舰载机的制约非常严重,只能根据弹射器的性能去设计飞机,而不能根据飞机的性能去制造弹射器,这在1980年的苏联也是不可能的。可以预见,鉴于美国式的常规航母需要成规模的军舰阵容和成批量的飞机采购和研制,弹射器技术在很长的一段时间内还将掌握在美国手中。一艘使用弹射器的常规航母研制和全寿命费用超过80亿美金,只有当某一国家海军军费每年能超过200亿美金,达到美国海军每年军费的10%时,才有可能象美国那样开始考虑发展并装备一到两艘常规航母
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新曙光—斜板助力起飞技术
斜板起飞技术并不是一个新鲜的东西,冬季运动中的高台滑雪项目就是一个典型的斜板跳跃的例子:人体凭借20米左右的助跑加速,冲过一块斜板,运动好手可以跳跃出100多米的距离。英国的航空工程师泰勒想到:人类不借助工具最多也就能跳10米以内,借助斜板这种固定工具,仅凭有限的速度就能跳出10倍的距离,那么别的东西呢?泰勒又随兴参观了美国人盛行的暴力飞车,在60年代,美国颓废青年最喜欢的具有冒险性的娱乐就是驾车挑战飞跃多少辆并排汽车的记录,一辆经过100-400码加速的轿车通过一个斜板,很轻松的就能飞出5、60米,比较刺激的表演甚至能飞越100多米。汽车的速度并不快,这种不会飞的家伙凭借100-130千米/小时的速度就可以在天空中短暂的飞翔,飞行距离甚至于可以和莱特的飞行者一号相比。这位研究航母的海军工程师突然想到,飞机遇到这种斜板会怎么样?
2009年,在美国的南加利福利亚州的一个赛车公园,斯巴鲁车队的一名队员驾驶汽车飞跃了宽达52米的一道鸿沟,这种新闻即使不是军事爱好者也应该看过很多,我国的新闻联播里都不吝拿出几分钟来进行转播。
航空母舰的飞行甲板长度一般只有250-330米,起飞跑道长度不过70-160米,通过滑跃方式在空中继续获得50-100米的加速距离,这必然对舰载机的起飞能力有很大帮助。从简单的逻辑思维上,这种起飞方式就比通过弹射器增加初始加速度要聪明得多,因为这是在充分利用舰载机本身的起飞加速能力,对现有资源实行更好的配置;弹射起飞则应归属于暴力美学的范畴,强顶硬上的思维在这里表现的一览无余。
泰勒动笔画出一条条虚拟的轨迹,标出飞跃物的受力状况加以分析。滑雪运动员的高台跳跃和汽车飞跨的动作都是利用运动力学中基本抛物运动的原理,只需要物体有一个初始的速度和一个初始的角度,不考虑阻力升力这类影响的话,就只有重力和速度的函数关系;假设一个120千米/小时的车辆以20度的斜角作抛物运动的话,它可以在空中停留2.46秒,飞行78米距离。有点意思,但这还没有解决美国飞车运动上百米的记录。泰勒观察了飞车录像的整个过程,他发现在他的计算中漏掉一个高度差的问题,美国飞车表演中斜板是平地搭设,斜板出口一般有大约3米左右的高度,他在计算式中增加了这个高度数值,很有趣的结果出现了,物体飞行距离可以增加到120米。
真是意想不到的结果啊,牛顿的物理公式告诉我们,只要汽车速度达到那么快,而且有个20度的斜板,不管你是英雄还是小孩,都能创造那种惊险的飞行距离。那么这个斜板对飞机有什么用呢,泰勒开始设想如果在起飞时飞行跑道上有一个斜板会怎么样?
当飞机滑跑速度没有达到起飞速度时,它很像一辆汽车,既然汽车可以凭借惯性在空中飞行那么长的距离,没有达到滑跑速度的飞机也应该可以。是不是可以这样认为:飞机在出现抛物的惯性飞行过程中时喷气发动机还在工作,飞机仍然在加速中,假设飞机滑跑到一个刚好合适的速度时通过斜板,这个时候抛物的惯性法则带来的空中飞行的距离恰好够飞机加速到起飞的速度,那么飞机就可以不用再次着地就能起飞,这似乎可以等同于飞机通过斜板缩短了起飞距离。
能够应用在飞机上,泰勒中尉顿时萌发了兴趣。简单的物理分析似乎表明可以缩短飞机的滑跑距离,如果速度120千米/小时的汽车都能在天空中飞120米的话,那么滑跑速度快得多地飞机应该能抛出更远的空中距离;能够缩短数百米滑跑距离啊!这可是个伟大的发现。兴奋的海军工程师开始在纸上展开更加复杂和实际的理论计算,这一次他需要考虑滑行的摩擦阻力造成加速度的减少,也需要考虑飞机滑上斜板时微小的加速降低,还有空气阻力的影响等等。由于泰勒不清楚飞机的空气动力学的一些计算参数,暂时不考虑由于斜板带来迎角引起的机翼空气动力的增量,单纯从运动力学方面进行数学分析。
飞机在滑跑阶段升力的增加与速度的增加成平方关系,泰勒以美国当时最新的F-4B鬼怪式战斗机为例分析,鬼怪飞机在起飞重量5万磅(22.7吨)时推重比为0.68,起飞滑跑距离1670米,起飞速度95米/秒;假设斜板出口角度为20度、高3米,仅凭速度产生的惯性抛物运动就可以让飞机只滑跑大约55%的距离就离开地面,并且在抛物运动轨迹线落地前达到起飞速度。
这是一个了不起的发现,虽然只是基于400年前牛顿简单的运动物理法则。1966年,泰勒中尉把这篇论文发表在英国皇家海军工程年会文集中,受到英国海军的高度重视,敏感的英国人还没有意识到这个技术有多大前景,但是缩短接近一半的起飞距离对于遭受攻击的机场或者前线野战机场意义非凡。英国皇家海军于1967年颁发了一个三级卓越服务勋章给泰勒中尉,并拨发大约7.5万英镑的研究经费,希望能综合航空设计工程师完成对斜板起飞技术关于斜板角度与飞机起飞重量、推力、升力技术等方面的理论研究。
飞机设计人员的加入可以解释和分析飞机在低于起飞速度时的空中惯性飞行中的受力状况,并且能够更加准确的计算出飞机在空中的加速与重力和升力之间的加速度关系。航空工程师对泰勒的计算有抵触情绪,没有哪一个飞机设计师愿意让飞机在空中有不受控制的时刻,哪怕只有短短几秒钟。斜板导致的抛物贯性飞行轨迹还带来复杂的飞机迎角问题,当时的战斗机为了避免失速都有一个迎角限制,平直机翼的飞机很多都小于20度,而后掠翼的战斗机也大约不超过22度,泰勒设想的20度斜板有可能为飞机带来超过飞机失速迎角的情况。再加上速度过低、时间过短,飞机没有足够的时间操纵和响应,在飞机设计师看来,这是个相当糟糕和愚蠢的主意,一切必须从头来过,从很小的角度开始研究和计算,以飞机可以承受的迎角范围以内来分析才是现实。
理论研究基本基于飞机在限定迎角下升力线型规律的范围,从3度开始,每3度为一个步进,研究上限设定在21度。研究中发现,斜板起飞状态时并不仅仅是惯性原理在起作用,斜板赋予飞机的固定初始迎角也能发挥巨大的作用。通常飞机起飞时,飞机的升力随速度的增加成平方关系增加,同时升力也与迎角的增加成正比,较大的迎角还带来一个发动机推力矢量的效果;比如飞机处于12度迎角时,飞机发动机的推力有20%的垂直方向分量可以作为动力升力,当飞机推重比较高时,推力矢量的效果和迎角升力的效果可以让飞机在离开斜板时实际上就达到升力与重力平衡,直接达到起飞速度,这个做法很安全,且符合飞机设计人员的安全设计习惯。
提高飞机初始迎角相当于挖掘飞机的升力潜力,这个做法也是很有效的,但是不好的地方在于这会让飞机非常接近失速极限,仍然是不够安全的;航空工程师的计算表明,在推重比为0.8时,单纯从升力安全的角度来说斜板可以缩短大约38%的滑跑距离。经过2年的反复推敲和计算,泰勒认为可以综合考虑惯性滑行和飞机升力效果叠加的效应,1970年,泰勒提交了斜板滑跑起飞技术的研究报告,理论研究和数学仿真的结果显示出令人惊异的结果:推重比0.6的飞机滑跑距离仅为正常滑跑距离的36%,推重比0.8的飞机滑跑距离仅有33%,推重比大于1的仅有27%。这份报告震惊了英国海军部,他们没有想到过一个简单的固定装置能够达到如此惊人的效果。这份报告同时提交了英国皇家航空研究学会,同样受到空军的重视,这项技术对海岛机场,野战机场和战时损毁机场的重新修复有非常重要的意义。
在航母斜板跑道上滑跃起飞。
身为目前世界上唯一一种短距起飞/垂直降落的战斗机,鹞式在过去30多年的时间里已经充分验证了斜板起飞技术的可靠性与优越性,而它所表现出来的强大攻击能力也稳稳的压倒装备美制A-4攻击机、使用弹射起飞方式的澳大利亚墨尔本号航空母舰,使得无敌号在两艘航母排水量相当的情况下拥有更大的武器投放量。
1971年9月,英国国防部下令空军海军组成联合研究小组,对斜板起飞技术进行实机飞行试验。考虑到斜板技术前期研究提出的飞机在较大角度斜板上起飞时迎角过大,可能会引起失速或不可控因素的问题,英国空军决定调集一架具有垂直起飞能力的鹞式战斗机参与测试,这种飞机有动力控制手段,即便滑跃起飞失败也可以凭借发动机推力转向安全的着陆。英国人在距离普斯茅斯30公里的一个军用机场开始为期7个月的飞行试验,试验中使用了3个斜板台,都采用近似曲率斜线,一个6度角、一个9度角、一个12度角,飞机则使用P1127原型机,这架飞机完成所有的试验任务后还有机体剩余寿命,上面安装了齐备的测试设备,不用改装现役飞机。
鹞式飞机采用渐进法试飞,每一次试飞前都先称重并做一次正常起飞,作为测试的参考基准。斜板从角度最小的6度斜板开始,先以比计算起飞距离大50%的距离开始滑跑,记录离开甲板的速度,飞机上有记录过载变化的记录器,机场设定了轨迹录像机。为了安全起见,要求起飞过程中不允许出现飞机轨迹下降,飞行试验的下限为飞机轨迹下降幅度超过5米,每一次步进调整速度以10千米/小时为一阶。鹞式飞机大约进行了220次起降,载重从垂直起飞重量到正常起飞重量、最大起飞重量,试飞有效的证明理论计算的有效性。
英国无敌级航空母舰。
无敌级全长206.6米,宽27.7米,标准排水量16000吨,满载排水量20300吨,双轴双桨,最大航速28节,18节时续航力7000海里,全舰编制人员1051名,其中舰员685人,航空人员366人。其飞行甲板长168米,宽32米,飞行甲板下面设有7层甲板,中部设有机库和4个机舱。机库高7.6米,可容纳20架飞机,两端各有一部升降机。防空武器为舰首的1座双联装“海标枪”中程舰空导弹发射架。
一些杂志和网络对苏联人建造的基辅级重型载机巡洋舰屡次大肆批评,其中流传颇广的一个谣言便是苏联人上了美国的当:美国人鼓吹建造轻型航母,苏联人没有能力辨认这其中的道理,导致自己跟着发展了基辅级,而美国却继续建造尼米兹级重型航母。
说实话,这个谣言令人不由得想起那个经济学家吃狗屎的笑话,在不懂经济学基本概念的人眼里,GDP的创造似乎是那么容易的一件事情;可是这些人却不能想一想,如果有买有卖便有GDP,那么日成交量成百上千亿的股市怎么算,每年光它就创造十几万亿的GDP吗?那中国的GDP总量又是多少呢?
如果说美国人“制海舰”概念真的是一个战略欺骗的成功案例,那么他们所骗到的其实是英国人。无敌级航母的建造时间(1973年7月开工,1980年7月服役)与基辅级(基辅号日开工,日下水,日服役,)在一个时间段,而其排水量只有后者的一半,更接近于美国人“制海舰”的概念。甚至美国人自己都上了这个当,他们建造的两栖攻击舰完全符合制海舰的定义,只要搭载AV-8战斗机,那么它就是一艘中型航母。
由于不允许飞机轨迹出现下降,斜板对于滑跑距离的缩减作用没有泰勒报告中那么大,但是飞机的升力表现出来的效率又比设想计算中的效果更理想,主要原因是飞机离开斜板以后的真实迎角实际上大于计算中采用的斜板迎角,比如12度斜板滑跑离开斜板时,飞机真实迎角达到18度,升力大了约12%。飞机在离开斜板后的姿态也比最初预期的担心要好,飞机离开甲板时的速度虽然有时低于失速速度,但舵面还是可以维持飞机的姿态不发生明显变化,舵效响应在离开斜板后1.5秒后开始有明显反馈,5秒以后基本正常。飞机滑跃后,出现不上升不下降的拐点高度大约25-30米,实现时间大约23秒,飞机通过斜板时起落架过载小于2G,滑跑距离可以缩短约35-45%。
根据试飞的试验数据,海军1973年设计建造了第一艘滑跃起飞、垂直降落的新型航空母舰无敌号,首次采用了9度斜板,使用由P1127进化而来的FG?R1海鹞战斗机,开创了一种崭新的航母类型。从此,斜板起飞技术第一次暴露在世人面前,并引起了广泛的关注和兴趣。
美国第一时间通过信息交换共享获取了英国的研究成果,并在1975年开始的CVNX航母研究中引用英国研究数据。CVNX未来航母研究计划是美国为了探索尼米兹级后下一代航空母舰发展的预先性研究,分为轻型、中型、重型等不同的排水量研究了15个不同取值的船体水线性能,设计了弹射起飞/拦阻降落CTOL、斜板短距起飞/拦阻降落STOL、斜板短距起飞/垂直降落S/VTOL三种航母模式50种布局方案,方案中又分为采用现有技术构成的保守布局与采用最新的设计思想和一切已知新技术的前瞻性布局。CVNX中创新设计非常多,几乎涵盖了自1950以后到1985年间所有能够想得到的方案,许多设计在多年以后不断被一些人重复并号称是首次设计;由于保密原因,外界到1985年美国公开部分资料后才了解这个庞大的计划和许多思想的火花,许多关于STOL的设计与参数到现在仍然处于高度保密中。
1985年,美国海军工程师学会关于未来航母的年会中,海军实验工程中心发表了一篇关于斜板滑跃起飞的重要论文,这篇东西首次披露了美国海军在年间,为CVNX航母研究计划验证(Ski-jump)斜板滑跃起飞技术的情况,参与的飞机几乎涵盖海军现役主要具有代表性的飞机,有主力战斗机F-14A、F/A-18A,还有教练机T-2C,共计飞行231架次,原计划飞行的A-6E和S-3则只在NASA进行了仿真模拟。
美国海军F/A-18C战斗攻击机。
F/A-18C战斗攻击机装2台F-404-GE-402涡扇发动机,最大加力推力16.1吨,起飞推重比为0.76时的起飞重量是21.2吨,仅比最大起飞重量少2.2吨。F/A-18C空重11.2吨,在这个重量下,内油全满时可以携带2吨武器。可以弹射大黄蜂的C-7型弹射器全长81.4米,看着比大黄蜂用9度斜板117米的起飞距离要优越很多,但是这种单纯的数字比较是不全面的。
首先弹射器本身对航母是一个很大的负担,4台蒸汽弹射器总重超过2000吨,航母甲板要弥补这种纵向大开口造成的结构强度下降也需要额外的重量,支撑安装在斜角甲板的这些重量同样需要更高的结构强度——也就是更多的重量。而斜板航母呢,这些统统都不需要,和尼米兹比起来可以节省大约4000吨的重量。
其次弹射的出动速度较慢,即使是采用前轮牵引弹射的飞机也需要等待弹射器再次准备好才能出动,而滑跃飞机只要等挡焰板放下就好。而且蒸汽弹射器连续弹射需要消耗大量的蒸汽,不幸的是,推动航母前进的涡轮机也需要,因此30节的尼米兹在连续弹射8架飞机后速度会下降到22节,且需要间隔一段时间才能再开始弹射。既然出动速度慢,那么早期弹射升空的飞机就需要在天上等待更长的时间,也就是要消耗更多的燃油,着同样是需要算入起飞重量中的。而且防空作战需要的就是紧急出动速度,这比飞机的起飞重量更加重要。
第三,美国人、苏联人和英国人已经验证了滑跃起飞技术的可行性,现有的舰载机几乎都可以使用这项技术,这对于后进国家来说是很有利的,因为他们不再需要自己投资几十亿美元研究蒸汽弹射器,可以缩短研制航母所需要的时间。
美国海军仿照英国设计的6度与9度斜角甲板,长34.2米宽18.7米,实验飞机都采用英国试验的方式,每次试飞前先做一次标准跑道滑跑起飞。为了确保实验安全,飞机只采用97%的转速,保留部分推力用于突发状况的应急;飞机试验模拟了不同推重比状态的飞机构型,最低的推重比达0.31,最大推重比达到0.76。试飞获得一系列数据,确认了斜板对缩短起飞距离的贡献和安全性,验证了起飞距离随斜角增加缩短的趋势,比如推重比为0.5时,9度斜板比6度斜板滑跑距离少14%;推重比为0.76时,9度斜板比6度斜板滑跑距离少1/3。同时试验也验证了斜板起飞技术对比常规滑跑起飞距离的缩短效率,以9度斜板为例,当推重比为0.42时,滑跑距离降低36%,当推重比为0.5时,滑跑距离降低52%,当推重比为0.67时,滑跑距离降低66%。在试飞中,推重比较强的飞机表现出异常出色的起飞能力,比如F/A-18A大黄蜂战斗攻击机,在起飞推重比为0.76时,以9度斜板成功实现起飞距离117米的成绩;而推重比较小的低速低翼载飞机(模拟预警、反潜、运输等平台)T-2C也取得不错的成绩,推重比为0.5时起飞距离仅114米,推重比为0.42时也小于190米。F-14A的试验考虑到这种飞机的发动机稳定性较差,且推力余度较小,因此为了确保单发起飞安全,仅采用97%转速的军用推力起飞,模拟翼载荷较大的高速飞机,在推重比为0.42时仅减少滑跑距离36%,仍有381米。
美国海军的试验充分验证了英国提供的技术资料的合理性,并且验证了不同的常规固定翼飞机在斜板技术上获得的增益,同时证明了常规飞机的确可以正常利用斜板起飞技术。在试验报告中,美国海军试验中心指出,考虑到斜板起飞会对前起落架滑跑时支撑形成额外的重力过载,因此试验未采纳12度和15度斜板,但NASA的模拟计算表明,常规飞机利用斜板起飞最佳效率角度应该在12-18度之间。美国海军的试验主要是为了研究前期CVNX设计中多款涉及到使用斜板起飞技术的航母方案的论证,在那些选择了Ski-jump斜板滑跃起飞模式的航母方案中,都采用了9度的斜板角。
前苏联在70年代末开始发展航空母舰技术,最初苏联人决定跟踪美国航母发展的路线前进,但是政治意识和军事理念上有所不同;苏联一直认为航母是攻击性武器,而苏联的战略发展虽然是积极的进攻型,但从其国防思想来说,始终都是把自己放在防御的地位,苏联发展航母是作为防空武器出现的,因此在发展弹射器的问题上技术学派支持而政治派反对。1978年,第涅伯工厂开始试制苏联第一台蒸汽弹射器,这台弹射器仿制美国C-13-1型,1980年被安装到乌克兰基辅南部270千米的尼基塔机场。这台弹射器是试验性质,仅提供弹射器原理机的演示和尝试,大约试验了20-28次以后,苏联设计师摸索了弹射器的充放气、活塞停止与回位。
根据试验中获得的经验和教训,苏联正式设计了第一代蒸汽弹射器,设计目标是37吨/100节,但是由于苏联政治局CW乌斯季诺夫的坚决反对,工程型号的弹射器在1982年冻结。1988年因新一代航母设计中,戈尔巴乔夫主持的苏共中央政治局并不特别排斥学习美国的方式,弹射器项目重新开始;原定1990年起建造两条陆地的工程弹射器,用于试验和训练,但1989年后项目没有获得任何拨款,实际完全停止,苏联解体后这个项目自然消失。
弹射器的路走不通不等于让苏联设计师放弃了航母发展的道路。苏联和中国体制很类似,有人专门搜集各类科技情报,1973年英国无敌级航母建造是苏联高度关注的目标之一,普斯茅斯的试验也没有完全避开苏联敏锐的嗅觉。当无敌级航母正式出现在媒体中时,苏联专门组织航空航海的技术专家们分析这种新的技术,其中主要的任务由中央流体动力研究院承担。1980年,正是中央流体研究院建议如果不能走弹射器的路线那么可以考虑斜板起飞技术,同样可以实现飞机从短小的军舰甲板上起飞的目的;于是苏联在1982年建造了两个斜角装置,一个倾角12度,一个为14.5度,分别命名为尼基塔一号和尼基塔二号。
苏联陆地斜板起飞装置。
苏联动用了当时有希望发展成舰载机的米格-23LL、米格-29A、苏-24、苏-25,以及还是原型机的T-10-2投入到飞行试验。由于一开始就由航空设计师们来考虑斜板起飞技术的应用,考虑到斜板在理论计算中对应滑跑距离的缩减效应和高推重比时的高效能,苏联设计师选择了那些推重比较大、短距起飞效果较好的飞机来进行试验。到了1982年,苏共中央政治局已经明确通过研发米格-29K和苏-27K舰载机的许可,允许两个设计局就舰载机研究展开一系列飞行试验。1984年,苏霍伊设计局取得阶段性成果,一架重量为19.8吨的T-10-2飞机以178千米/小时的速度成功地从尼基塔一号上起飞。该机是一架已经被放弃的苏-27原形机,西蒙诺夫正紧锣密鼓的研发几乎是全新的飞机,T-10-2被认为性能偏低,不能满足设计要求,用来做舰载机试验都属于废物利用,它的机体结构还有200小时以上的寿命,用来进行前期的试飞还是不错;当这架飞机飞行寿命终结时,被装填上水泥块充当拦阻研究的飞机。
当时苏联有三种钦定的舰载机,首先是被作为第一号候选,寄予厚望的雅克-141垂直起降战斗机,它1982年完成了首次飞行,是在苏联掌握斜板起飞技术以前设计的飞机,小雅科福列夫还是把飞机定位在传统垂直起降的应用范畴。而在这个时期,英国人已经开始设计第二代鹞式战斗机了,他们从斜板技术上榨取了更多的性能,比如英国的GR7鹞Ⅱ空重7000kg,正常的垂直起降重量才达到7700KG,最大也不超过8700kg,仅能携带返回载荷1吨左右;实际上这个1吨也很勉强,在海湾的高温天气下,鹞式飞机把许多昂贵的激光制导炸弹和小牛导弹扔在航母周围的海里,减轻了重量才得以安全降落。
雅克-141设计构架抛弃了鹞那样在老一套结构上的挖潜,采用强劲的新发动机平台。雅克-141空重仅有11吨,而垂直起降能力有15.8吨,可以携带4吨以上的载荷,这个指标已经超过美国JSF项目中对垂直起降型号2吨要求的1倍。雅克-141所不足的是没能围绕斜板技术进行优化,GR7鹞Ⅱ飞机最大起飞重量达到14吨,是空重的一倍,而雅克-141按照老式的动力倾斜短距起飞模式通常才17.7吨,极限仅为19吨。尽管雅克-141也在尼基塔进行了飞行试验,仅仅利用110米的跑道就能达到21吨的最大起飞重量,可惜的是由于结构方面的原因,雅克-141并不能以19.5吨以上的重量使用。
米格-29K战斗机。
米格-29自诞生以来一直背负着短腿的恶名,甚至被自己的飞行员调侃为“没有一架米格飞机能够飞到第涅伯河的中央”(说这话的人很不厚道的忘了米格-25的存在),但是且不说苏联防空作战体系下前线战斗机的任务环境与作战模式对航程的要求,仅仅作为作为舰载机而言,它其实并不是最短腿的一个。美国的F-8U舰载战斗机转场航程是2250千米,米格-29A好歹也有内油航程1430千米、转场航程2600千米的数据,而且舰载的米格-29K还取消了辅助进气道、增加了内部燃油容量。
米格-29K战斗机是一种很有希望的飞机,它在第一次亮相的巴黎航展上,仅仅滑跑了230米就飞上天空,据称这种飞机在最大起飞重量时起飞滑跑距离也只有300多米。按照设想,米格-29K类似于美国航母上的轻型战斗机,专门提供舰队150千米防空圈的防空任务,这与米格-29的前线战斗机身份相匹配。米格-29K被要求最大起飞重量时都必须在110米的位置完成起飞,苏联设计的航母有两个这种起飞点,起飞点后有较大面积的空间用于摆放高密度的需要立刻投入空战的飞机;使用110米起飞跑道,库兹涅佐夫号有能力在5分钟内出动12架米格-29战斗机参与紧急的空战,这个能力比尼米兹级的4台c-13-1蒸汽弹射器加起来还要快。米格-29K空重12吨,最大起飞重量17.7吨(试飞最大值,计划达到19到21吨),为了实现110米起飞的苛刻要求,米格设计局计划采用一些先进的技术来武装飞机,其中最重要的一项就是发动机可以专门提供大约15秒的92.1kn的推力,RD-33K发动机标准推力仅有86.3kn;这项起飞推力的提供并不简单,米格-29K到1992年都还没彻底准备好。
作为滑跃起飞/拦阻降落唯一的胜利者,苏-33战斗机由苏-35战斗机平行衍生而来,但是雷达等战斗武器还维持在苏-27的水平上。苏-33飞机最令人惊奇的起飞性能是在110米短起飞点上以31.8吨的重量起飞,飞机离开甲板时速度仅达到105千米/小时,借助军舰提供的32节(58千米/小时)甲板风,飞机划过高度大约30米的拐点后向下降低了约25米,然后恢复平飞一小段后直冲天空;这次试验不属于俄罗斯海军舰载机操作手册许可的范围,它由功勋飞行员普加乔夫创造,揭示了飞机和斜板间的潜力。尽管飞机出现了高度降低,但实际上飞机改出的高度还高于航母甲板,但是这只能是技术高超的飞行员的冒险者游戏。通常的飞行中必须有个手段让飞行员自己判断飞机是否会一直下坠掉到海里,苏-33的起飞自动驾驶程序中,当加速计显示法向过载降低到0时就会开始倒数读秒,提醒飞行员跳伞的最后时间,通常系统只会给出5秒的倒数,如果飞机在5秒内还没有让加速计恢复到起始点,那么倒数完成飞行员就必须跳伞。普加乔夫的飞行是系统所不允许的,它的下坠大约持续了接近15秒,飞机平滑的向前飞行,缓慢的降低高度,改出点距离海面还有接近12米。
中国空军歼-7战斗机。
虽然中国航空业的技术水平确实远远落后于先进发达国家,现在也还存在着很多的问题,但是航空人开拓进取的精神从来没有改变过。就航母而言,不管是弹射还是滑跃,中国航空业都提前进行了研究和试验,只是受经费所限,所以很多工作无法大规模展开。如果建国以来对航空的投入能与航天持平,那么中国航空的发展水平不止于此。
斜板的理论研究和试验在80-90年代达到高

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