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【三海一核】哈尔滨工程大学
【装备】航母舰载机起降方式及利弊分析
15-12-19 作者:张正骞   编辑:张正骞

编者按:舰载机作为航母的最重要作战武器平台,其起飞与降落方式不仅影响到舰载机性能的发挥,而且还会影响到舰载机的起降效率和安全。起降方式是各国航母装备发展索要解决的重要环节。

目前,航母舰载机主要的其得方式是弹射起飞和滑跃起飞这两种方式。

弹射起飞利弊分析

弹射起飞时利用航母飞行甲板上设置的弹射装置,在一定的行程内对舰载机施加外力,使其加速离舰升空。目前世界各航空母舰拥有国中,真正使用弹射器弹射舰载机离舰的只有美国和法国。

弹射起飞方式是伴随喷气式飞机快速发展和各项技术的提高才得以在航母上应用的。战后,随着喷气式舰载机陆续搭载上舰,且飞行速度不断加大,飞行甲板跑道长度也相应加长。一般,喷气式舰载机起飞时,速度要达到350千米/小时以上才能拔地而起;而以当时舰载机的重量和发动机功率来计算,至少需要滑跑1000米以上距离才能实现。这一点对于航母就很难做到,因为即使当今吨位最大的“尼米兹”级航空母舰,其飞行甲板长度也不过330余米。

为了能够在这有限的距离内保证喷气式舰载机在航母上起飞升空,1950年,英国率先研制出一型弹射力较强的蒸汽弹射器。这项技术经改进后被美国的“福莱斯特”级航母装设使用,该航母装设4部蒸汽弹射器,具备了在60分钟内起飞40架舰载机的能力。

“海鹞”采用的垂直降落方式安全性较好

如今,满载排水量超过9万多吨的美国“尼米兹”级核动力航母,以及满载排水量约4万吨的法国“戴高乐”号核动力航母的舰载机都采用蒸汽弹射起飞技术。这项起飞技术具有弹射能量大,加速性能好,能在几十米的距离内,把舰载机的速度由零加速到离舰速度(约200-300千米/小时)。美现役“尼米兹”级航母上的C13-1型蒸汽弹射器的冲程达到94.6米,可将36.3吨重的舰载机以339千米/小时的高速弹射出去,足以满足现代舰载机的起飞要求。

当然,使用蒸汽弹射器起飞也有不少缺点:一是弹射器占据空间较大,如美国“尼米兹”级航母在飞行甲板上设有4座各长94.5米的C13-1型蒸汽弹射器。其中,两部设在舰首,在飞行甲板起飞区的前端,两部设在航母甲板左侧中前端;4座弹射器占据航母的前部和左侧的中前部很大面积。此外,在甲板下方还设有弹射蒸汽储气罐、弹射器管路舱等设施。

二是弹射器建造技术难度大,造价较高,战时受损难以修复。蒸汽弹射器由于在工作时处于高温、高压、高负荷的环境中,必须保持良好的密封状态。如果蒸汽大量泄露,不但会降低弹射效率,甚至还将产生更严重的后果。因此,对蒸汽弹射器部件加工精度和维护使用的要求都很高,这必然会增加其生产和使用成本。而且在作战中一旦被导弹或炸弹击中破坏,很难修复,舰载机哪怕全部完好无损,也都不能起飞作战。

三是需自制淡水。蒸汽弹射器除了要在舱内留出设备位置外,还需要大水箱来存放淡水,弹射l架中型战斗机,大约要消耗1吨淡水。如此一来,整个航母的尺寸和吨位就不得不加大,蒸汽弹射器也因此只能用于大中型航母。目前,解决航母所需淡水的最佳途径,是利用核动力装置制造淡水。4部蒸汽弹射器每天要消耗淡水320余吨,而1艘大型核动力航母每天可自产淡水3000吨左右。

四是能耗高。众所周知,蒸汽机的热效率是比较低的。为了将淡水烧成蒸汽,必须耗费大量的能源,要为贮存燃料留出额外的空间。如果直接从舰上的动力装置(如核动力装置)中引出热能,用于航行的功率就要大大降低,舰速会相应减小。而在飞机起飞和降落时,正需要航母以较高的航速逆风前进(一般要求航速在30节左右),减小航速自然对起降不利。

五是为了适应弹射起飞的要求,飞机结构要做相应的加强,使得空机重量有较大增加。例如,F/A—18的舰载型比陆上型F-18L的空机重量超出近3000公斤,几乎占起飞总重的20%;不仅空机重量大,而且造价也大为提高。

为适应弹射起飞的要求,飞机结构要做相应的加强

时至今日,只有美国全面掌握了蒸汽弹射器技术,连法国的“戴高乐”号核动力航母也采用美国的蒸汽弹射技术。俄罗斯、英国、意大利和西班牙等国由于技术限制,无法研制真正在技术和工艺上过关的蒸汽弹射器,所以只能在本国航母上采用上翘甲板(即把甲板尽头做成斜坡上翘,舰载机起飞后沿着上翘的斜坡冲出甲板,形成斜抛运动),作战效率远不如蒸汽弹射器。美国虽然在蒸汽弹射器领域独领风骚,但蒸汽弹射器固有的缺点决定了它要被更新的技术取代。

在工作原理上,蒸汽弹射器是以高压蒸汽推动活塞带动弹射轨道上的滑块,把与之相连的舰载机弹射出去的。它体积庞大,工作时要消耗大量蒸汽,功率浪费严重,只有约6%的蒸汽被利用。为制造和输送蒸汽,航母要备有海水淡化装置、大型锅炉和无数管线,工作维护量惊人。它的最大缺陷在于因为弹射功率太大而无法发射无人机,现役的无人机因为重量轻,在弹射时机体会被加速度扯碎。

滑跃起飞利弊分析

滑跃起飞是在航母飞行甲板的前端安装一块上翘的斜板,为飞机离舰时提供一个额外增加的升力;同时与机上发动机较大推力所产生的升力迭加,以防止舰载机脱舰的瞬间出现过多的下沉。

目前,除美、法两国航母舰载机采用弹射起飞方式外,其余拥有航母的7个国家几乎无一例外都运用的是滑跃起飞方式。

20世纪80年代初中期服役的英国皇家海军“无敌”级航母(满载排水量20300吨),将舰首部长27米的前端做成上翘的曲面。最初,“无敌”号和“卓越”号的上翘角为7度,而“皇家方舟”号为12度。在滑跑距离不变的情况下,“海鹞”舰载机通过滑跃甲板可使飞机载重增加20%;也就是说,如果通过滑跃甲板滑跑180米,机上可多携带1.2吨的燃油或武器。在载重量不变的情况下,可使滑跑距离减少60%。不仅如此,通过滑跃甲板起飞的舰载机相对而言更安全、更可靠。它不会出现平直甲板短距起飞时,升力稍有不足时,舰载机就会因重量太重而坠沉入海的现象。

弹射起飞方式的效率远比滑跃起飞高,推重比不高的固定翼舰载机也能起飞

继英国“无敌”级航母之后,1985年意大利海军也服役了装设6.5度的滑跃甲板“加里波第”号航空母舰。1988年入役的西班牙“阿斯图里亚斯亲王”号装有12度的滑跃甲板。改装的印度“维拉特”号航空母舰也装有12度的滑橇甲板。1997年服役的泰国“差克里·纳吕贝特”号同样装有12度的滑跃甲板。

在滑跃甲板运用中,最引人注目的是1985年12月下水、1991年1月正式服役的苏联“库兹涅佐夫”号大型航母,它在舰首配置了向上翘起的滑跃式飞行甲板,从而成为世界上第一个不装弹射器而采用滑跃方式解决常规喷气式战斗机在航母上起飞问题的国家。即使较大吨位的米格-29(最大起飞重量19.7吨)、苏-25k(最大起飞重量16吨)和苏-33(最大起飞重量33吨)都能顺利地从“库兹涅佐夫”号航空母舰上滑跑起飞。

图为苏33舰载战斗机从“库兹涅佐夫”号航母滑跃起飞

航母舰载机滑跃方式起飞,对正常飞行无损害,又可以在离舰后的瞬间达到足够大的安全迎角,对快速滑行时的安全性也无妨碍。除了对舰载机有利以外,对航空母舰也有利;相比弹射器,滑跃甲板没有任何运动部分,结构十分简单,建造所消耗的材料、动力和劳动工时都不多,对零件精确度的要求和装配精度的要求也不高,且工作时不消耗能量,被炸坏以后也很容易修复,造价自然也不高,建造周期也很短。这样,传统固定翼飞机也摆脱了弹射器的束缚,飞机和飞行员再也不用承受弹射起飞时那4-5倍于飞机重量的纵向过载了;飞机的结构重量可以大为减轻,飞行员在航空母舰上活动的能力大大增强。

特别值得提出的是,在风浪引起航空母舰摇摆的某些情况下,比如航空母舰向前倾斜时,可能超过弹射起飞的允许范围,强行弹射离舰的飞机,在下沉运动中,有可能坠入大海,因而应禁止起飞;当然,此时飞机也就无法升空作战。而用滑跃甲板起飞,离舰后飞机虽也有下沉运动,但轨迹始终在海面以上,不存在坠海的危险,仍然能起飞作战。

可以说,采用滑跃起飞,仍是当今中小型航母舰载机的重要选择。不过,滑跃起飞与生俱来的缺点也不少:一是推重比不高的固定翼舰载机无法采用滑橇起飞方式,如预警机、反潜飞机等。为了弥补航母无法起降固定翼预警机的弊端,英国“无敌”级航母只好使用“海王”直升机作为空中早期预警机,是追不得已做出的选择。滑跃式起飞中舰载机发动机推重比大,会耗费大量燃料(最高可达容量的1/3),使作战半径缩小。一般不用于起飞大型飞机:如预警机,运输机等。

二是使用滑跃起飞的舰载机需要较大面积的干净甲板,这样就会造成航母上层甲板停机位的减少,大部分舰载机不得不放在下层机库内;而机库的容量是有限的,且上下运送飞机多有不便。

三是滑跃起飞所需的跑道长度要大于弹射起飞的长度一一除非舰载机本身具备较好的短距起降能力。起飞时需要甲板面积大,滑跃需要较长跑道,甲板面积要大过相同战力的弹射式。但这还不是最严重的,最严重的是飞机起飞偏航问题。因为滑跃起飞飞机是自由的,不象弹射起飞那样锁死在弹射器上,又都是双发飞机,两发动机微小推力差引起滑行偏航,虽然还能起飞,但跑道宽度就要求大了,更恶化了甲板条件。

四是舰载机在起飞过程中,起落架和机体的瞬间载荷及扭距会增大很多,因此要对受力部件重新设计,使之有所加强。对于垂直/短距起降舰载机,例如“海鹞”战斗机等虽然在绝大多数情况下会使用滑跃起飞的升空方式,但也不排除在一些特殊情况下,将使用从甲板上垂直拔起直接升空方式。当然,采用这种升空方式要求舰载机的燃油或弹药携载量将明显减少,并导致其战术技术性能有所降低,从而对执行作战任务产生相当的不利。

五是操作难度大,就操作难度来讲,弹射和滑跃两种起飞方式不具有可比性。因为其难度各有不同特点。在高海情的状况下,滑跃式甲板的颠簸可能导致舰载机在滑行时比弹射式更难以控制,可能发生偏航。而弹射式滑行是锁定的,不容易偏航(但是难度因飞行员而异,有的飞行员认为滑跃式飞行更加简单。)

降落方式比较分析

目前,世界各国航母舰载机的降落方式基本为两类:一类是着舰减速降落方式,美国现役12艘大型航母,法国“戴高乐”号核动力航母,以及俄罗斯“库兹涅佐夫”号航母上的舰载机均采用此类方式。

另一类就是垂直降落方式。各国中小型航母上搭载的垂直/短距起降飞机,如“海鹞”战斗机。这类舰载机着舰时不需要使用拦阻装置,通过采用喷口转向,使之垂直降落在甲板上。

着舰减速降落方式采用拦阻索装置和拦阻网装置。拦阻索装置在正常情况下是舰载机缩短着舰滑跑距离的装置;拦阻网是在舰载机处于危急情况下着舰时使用的应急设备。

歼-15舰载机采用拦阻索装置降落

拦阻索位于大型航母斜角甲板的中心线,一般情况下在距甲板尾端55-60米处起设置第一根拦阻索,然后每隔约14米即设置1根,一连设置4根(但按现在美国航母的发展趋势,将逐渐减为3根);每根钢索直径大约为3.5厘米,钢索离甲板的高度为35-50厘米,由弓形弹簧张起,且其两端通过滑轮与甲板下方的液压阻尼缓冲器相连。

固定翼舰载机降落前,在空中先放下起落架和襟翼,以实现减速与降低高度的目的。与此同时,还将舰载机尾钩放下。舰载机着舰后,仍以约200千米/小时的速度向前冲刺,通过伸出的尾钩,可钩住甲板上弓起的4根拦阻索中任何一根。钩住拦阻索的舰载机,带着巨大的能量继续向前滑跑;拦阻索两端连着的液压阻尼缓冲器带动了主活塞支柱,将制动液由液压作动筒挤压进蓄压器,使蓄压器内的空气被急剧压缩,从而产生阻尼力。拦阻索被拉得越长,蓄压器内的空气压力就越大,产生的阻尼力也将越人,从而使舰载机的速度迅速降低。一般,舰载机滑跑60-90米后,就能完全停在甲板上。

美国海军现役的MK-7型着舰减速装置,可将时速达195千米的重22.7吨的舰载机在92米内阻拦停住。

为了确保舰载机着舰安全,美国海军还配有菲涅尔透镜光学着舰系统。它能使驾驶员更好地知道它相对于正确的下滑航道的位置信息,便于安全降落。

此外,还配有增益目视舰载机回收系统,该系统是装在着舰系统两侧的两排灯阵,它对夜问着舰的安全性具有很大的作刚,能指示进场飞机的沉降率,进场飞机的精确位置由其跟踪探测系统给出。垂直绿色灯阵有两排,以向驾驶员显示其沉降率太低、太高或最佳。

“海鹞”垂直降落

如果舰载机因尾钩放不下来,或尾钩损伤,或舰载机受损,或燃油不多而又无法复飞等原因时,就需迫降;此时,需要临时架设拦阻网,以迫使舰载机减速停止下来。由于飞机上载有大量的航空汽油,发生火灾也是常有的事;而且一旦发生事故,后果极其可怕,往往出现机毁人亡。

弹射器对维护使用的要求很高要彻底解决安全降落问题,最好是垂直降落,所以,超短距起飞,垂直降落,已经成了当前航母舰载机在起降方面发展的基本趋势。

“海鹞”等垂直/短距起降飞机不需要拦阻索和拦阻网等助降设施,即可直接降落在飞行甲板上。通常“海鹞”战斗机垂直降落时所需的甲板面积直径约为20米。此时,航母不需要掉转船头或做其他机动动作,以保证“海鹞”战斗机迎风着舰。


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