舰载机新型起飞方式

2016-07-14 16:19:38 航空世界 2016年4期

海强

一年多前,曾有专家设想中国未来航母有可能采用弹射和滑跃两种起飞方式之外的第3种方式——滑弹结合,并说这是中国创新。其实,这种起飞方式早已有之,谈不上是创新。因此笔者在几个网站上发了一个名为“滑跃弹射是创新?第4种起飞方式才是最佳方式!”的贴子,点击率还不错,只是当时并未写出第4种起飞方式具体为何。该方式是在弹射与滑跃结合方式的基础上改进的一种起飞方式,个人认为某种程度上可算是创新,具有相当强实用性,也有相似的技术案例来支持。

到目前为止,舰载机从航母上的起飞方式有两种,一种是弹射起飞,一种是滑跃起飞,两种方式各有优势及缺点。有人提出喷气助推或火箭助推,其实这应该是属于弹射起飞一类,还有人说垂直起降也是一种起飞方式。实际上,判断起飞方式的标准应该与航母有关,而垂直起飞基本上与航母无关,不能算作是舰载机的起飞方式。因此,严格地说到目前为止只有两种起飞方式。那么,还有没有其他的起飞方式?

弹射起飞和滑跃起飞各有优缺点,因此早就有人设想将两者结合取长补短,形成滑跃+弹射的起飞方式。这种“混合起飞”方式也得到部分军事专家的认可,并被认为是解决舰载机起飞面临的弹射器沉重、滑跃起飞重量受限问题的最好解决办法。不过,将两种起飞方式结合在一起也会产生新的问题,例如,弹射器使用费用高的情况仍然存在,运行费用并不因为弹射功率的降低就能避免,这在讲究全寿命周期费用的今天是一个不得不考虑的大问题。

笔者在这里提出了一种新的舰载机起飞方式,名为“滑跑弹跳起飞”。顾名思义,就是舰载机先滑跑,然后借助可弹起的跳板向上弹跳起飞离舰。与现有的单纯滑跃起飞相比,舰载机可以从弹跳板的腾空升起中获得更多额外的动能,具有了目前人们所设想的滑弹结合起飞方式的优势,同时又能避开弹射器的结构沉重及增加维护的缺点,因此是取代滑弹结合起飞方式的最好选择。

一台C-12-1蒸汽弹射器的安装重量就达到520吨,即便是滑跃结合弹射,弹射器的重量预计将超过350吨。另外,滑跃起飞甲板本身的重量也不轻。英国“竟技神”号航母加装滑跃起飞甲板用了230吨钢材,俄罗斯“库兹涅佐夫”号的滑跃起飞甲板尺寸大,重量应在300吨以上。滑跑弹跳起飞与弹射和滑跃这两种起飞方式相比,完成弹射跳的气缸由于行程短,不需要开口,在结构及功率转换上要比弹射器优越得多,结构重量也可以控制在理想的状态下。在满足实现舰载机的重载安全起飞的要求后,弹跳部分甲板的结构重量只要用40吨钢材就足够了,而且此处的甲板在收起时还与弹射甲板一样,不会影响停机。

滑跑弹跳的起飞方式大致如下。舰载机先在起飞甲板上滑跑,当主起落架机轮全部压上位于甲板顶端的弹跳板时已经具有60米/秒滑跑速度,此时弹跳板在气动活塞的作用下“跳起”,对舰载机赋予垂直方向的向上加速,舰载机滑离/弹离这块甲板后就可获得7米/秒甚至更大的上抛速度。获得向上速度的舰载机,也就相当于是从滑跃甲板上起飞,让“平甲板”获得滑跃起飞效果。

也许有人会认为这样做是多此一举:获得与滑跃一样的效果,却要采用结构复杂的弹跳板是得不偿失。其实不然,滑跃起飞的舰载机在滑离跃飞甲时确实能获得向上的速度,但这也意味着,近30米的滑跃甲板对水平速度的提高帮助小了或几乎没有。根据能量守恒原则,舰载机在滑跃甲板上起飞,有相当大部分的动能转换成势能,而这些能量如果用来使机体加速,预计将增加约10米/秒的速度。不要小看这多出的10米/秒速度,气动力与速度的平方成正比。滑跃起飞的舰载机离舰速度少了这10米/秒,就意味着重载起飞能力的大幅度下降。如果采用滑跑弹跳起飞方式,则舰载机的离舰水平速度不受影响,向上的能量全部可以从弹跳板上获得,其效果相当于弹射加滑跃组合起飞方式,能够进一步提高舰载机的起飞重量。另外弹跳板的重量远要比滑跃甲板轻,而且不用时可以与整个飞行甲板保持水平,不会影响此处停放飞机。

由本页的示意图可以看出:弹跳板安装在6根摇臂上,由2个或4个气缸作动筒作动;完成弹跳过程后,由一根减速钢丝绳通过液压阻尼装置完成弹跳板的制动及恢复原位。可见这种起飞装置的结构并不复杂,但能起到弹射滑跃结合起飞方式的功能——在“弹射起飞距离”内让重载飞机安全地“滑跃起飞”,同时还能避开弹射器的维修及运行费用,可以说是个不错的选择。弹跳板可用轻质铝合金制造,根据英国“伊丽莎白女王”号航母的滑跃甲板尺寸,其宽度可保持在12米的程度上,长度有15米就足够了,这么大面积的甲板加上保持刚性的梁结构后,重量也不会超过25吨(参照美国航母上的升降机)。

对于初次看到这种起飞方式的人来说,可能担心弹跳板会不会过早起动,这样就会导致在弹跳板弹起时飞机还未滑跑到位,结果发生机体撞在跳板上的悲剧。可以说这种担心是非常自然的,但从经验及技术的角度看,可以采取多重保险措施,尽可能杜绝这类事故的发生。

弹跳板的升起时机取决于机轮是否完全压上甲板,可以采取重量、距离、光信号阻隔等多种手段防止甲板提前弹起,从而让弹跳板的弹起只能在舰载机机轮压上甲板后才发生。可以说这方面的自动控制技术已经到了“炉火纯青”非常保险的地步,应对“舰载机滑上弹跳板再弹起”的问题几乎没有技术上的障碍。

也许还有人担心这样的弹跳板会不会重量太大或能不能让起飞的飞机在板上获得7米/秒的向上速度。这个其实也用不着担心。美国空军在几十年前为了解决战斗机的短矩起飞问题,曾经研制过战斗机的弹跳起落架。其具体做法是为起落架增加一个高压气瓶,并在起落架支柱液压缓冲装置中适当加大气室。最后的结论是“与滑跃起飞效果相近,可以显著提高短矩起飞能力”。美国的这个措施是在飞机上做文章,而弹跳板是在航母上下功夫,因此受到的限制较小,可采用与弹射器一样直径的“弹跳”气缸,轻松实现数百千牛的向上推力,想达到7米/秒甚至更大的向上弹跳速度可以说是小菜一碟。

舰载机采用新型起飞方式后,舰载机起飞所需的甲板长度就可以控制在弹射的标准上,这对克服滑跃起飞需要较长滑跑距离的缺点是非常有利的。这种起飞方式即能保持弹射起飞海况适应性强等优点,又可以控制因满足滑跃起飞形成的增重,同时还能“削平”飞行甲板,可让起飞处的甲板也能停机,其优势是很显著的。滑跑弹跳起飞方式用的弹跳板相对来说要比弹射器简单,因此在维修及制造费用上也有很大优势。

这种起飞方式的另一个疑问是起飞中的舰载机突然受到向上的加速度,起落架是否能够承受得了?这一点也不是问题。舰载机降落时要承受7米/秒的下降速度,起落架液压缓冲装置要在不到50厘米的行程中吸纳这么高的下沉速度所具有的动能,其强度是相当高的。而弹跳板作用到起落架上的弹跳行程则要大得多,向上弹射的速度如果也在7米/秒,则由此带来的弹跳载荷将远小于着舰载荷。因此,如果充分发挥起落架的承受能力,就是达到12米/秒的上抛速度其载荷也显著小于降落载荷。为了能充分发挥弹跳助起飞作用,还可以考虑采用短行程的电磁助推装置取代空气作动器推动整个弹跳板。采用电磁助推装置后,可以非常精确地控制弹跳板在滑跑中的舰载机机轮完全上板后立即作出“弹跳”的决定,还能在腾起过程中让弹跳板以最佳升起轨迹运动,使得舰载机获得最佳的加速特性。

由于滑跑加弹跳起飞可以让舰载机及航母两方面都能获得利益,因此这第4种方式也许会是一种非常有前途的舰载机起飞方式。歼15顺利完成在“辽宁” 号航母上的舰机融合训练让国人兴奋万分,但滑跃起飞方式又让不少人在兴奋之余感到遗憾。因此,有不少人认为中国未来的国产航母最终会采用弹射起飞。但也有人认为,滑弹结合的起飞方式是中国未来航母的最佳选择。未来舰艇设计以突出全寿命周期费用低为首要特点,英国“伊丽莎白女王”号航母在设计时提出了多种方案,起飞方式主要为弹射起飞与滑跃起飞。最终定型的混合方案还是选择了滑跃起飞,其中就有安装弹射器要增加4千吨排水并会严重影响全寿命周期费用的因素。对于21世纪的中国海军来说,新型航母应该既要保证有较高的战斗力,也要求在全寿命周期费用上有一定的优势。如果能不局限于滑跃、弹射或滑弹结合这3种起飞方式,也许滑跑弹跳起飞就是解决这类矛盾的一个不错的选择。