从滑跃起飞到弹射起飞:

2016-07-14 16:22:27 航空世界 2016年4期

马世强

有段时间,网上曾经出现了一张据称是歼15舰载机为弹射起飞而进行改装的照片,显示出前起落架为适应弹射增加了弹射钩和下移了收放作动筒。由于照片比较模糊,反映的细节也不清晰,其真实性非常可疑。不过,这并不妨碍笔者在此借题发挥,分析一下“飞鲨”的弹射起飞改装问题。

在歼15上舰完成滑跃起飞后,国外媒介就曾经鼓噪过,说其不能适应弹射。理由是根据美国舰载机的增重数据,歼15弹射改装将增重300千克,会极大影响飞机重心。国内也有观点认为歼15改装弹射有很大困难,甚至有人认为改装相当于重新研制一种新机。类似观点还有一些,理由似乎都很充分,例如:歼15的2台发动机裸露在机体外,在机身强度上就不如美国舰载机的包容式结构结实,如改弹射必须进一步加强发动机与机体的连接点,这会严重影响该机的性能。总而言之,结论就是歼15不能进行弹射改装,如果强行改装则会严重影响歼15的性能。

那么,歼15是否真的很难从滑跃起飞转换为弹射起飞?通过本文的分析可以发现,歼15弹射改装并不像这些观点认为的那么困难,也不会严重影响性能。当然,文中的讨论仅仅是从技术的角度对歼15的弹射改装问题进行分析,未考虑作战需求、后勤保障等因素,只是为感兴趣的读者提供一些相关的概念或意识。

歼15具备弹射改装基础

在认定歼15不适合弹射改装的言论中,有这么一段话很具有代表性:

“对比舰载型‘阵风-M和空军型‘阵风-C两款战机,两者最明显的区别就是前起落架。舰载机弹射时前起落架要承受极大的弹射载荷与着舰撞击力,因此其结构相比空军型战机的前起落架显得更加粗壮。苏-33舰载机的前起落架与空军型苏-27战机的差别只是以双机轮代替了单机轮,而起落架整体结构并未进行加强。国产的歼15,也基本上继承了这一技术特点,因此将与苏-33一样,无法改装为采用弹射起飞方式的舰载机,只能滑跃起飞、拦阻降落。”

以上观点看上去似乎很有说服力,歼15确实有要为弹射起飞付出增重代价的“缺陷”。但是,单从歼15能不能弹射起飞来看,这种观点显然对歼15采用弹射后前起落架倒底要增加什么部件不清楚,认为前起落要承受“极大的弹射拉力及着舰撞击力”也是有误区的。仔细观察F-18舰载机前起落架结构,可以看出弹射力是通过弹射杆钩—起落架支柱—液压收放/缓冲作动筒传递到机身中部的,前起落架实际上是一个改变弹射力的支点。与其说前起落架承受了巨大的弹射过载,倒不如说增加了前起落架上两个机轮承受的压力。因为弹射拖曳钩设置在与支柱相连的弹射传递环上,在弹射钩被拉紧时及弹射过程中,弹射拖曳力将迫使支柱外套下压。弹射牵引力最高可达784.6千牛,其牵引分力作用到机轮上至少相当于98.7千牛的垂直力。

不过,歼15不必为此付出增重代价,因为上文中“起落架整体结构并未进行加强”显然是错误的。舰载机降落时的下滑角与陆基机基本上一样,但着舰时的下降速度有时会高达7米/秒。由于舰载机的尾钩有时会在机轮离甲板还有一定高度时挂上拦阻索,会将机体“硬从空中拖曳下来”,重重地“摔在甲板上”。而这个影响不仅会加重主起落架承受的载荷,也会让机体猛列前倾,甚至会出现前轮先触及甲板的情况。因此,着舰时的冲击非常大,前起落架不加强是不行的。问题是歼15已经是舰载机了,怎么可能不加强?所以,在判断歼15弹射改装中简单地套用陆机上舰数据是不对的。由于歼15前起落架已经具有承受高达7米/秒着舰下降速度的能力,在弹射起飞时利用这个现成的“资源”来应付牵引力的向下分力已经绰绰有余。

别看“阵风M”的前起落架显得非常粗大,实际上也就是比陆基机多出了一个弹射拖曳杆和一个弹射力传递环套形结构,另外采用了大尺寸的可折拉杆结构以承受弹射过载。这套装置从体积及相应的材料密度来估计,其结构重量不会超过120千克。做为舰载机的歼15,前起落架已经为应付着舰冲击付出了重量代价,想从滑跃转换成弹射起飞,其实只需要增加相应的弹射杆及弹射承载拉杆、以及在制造时适当加强弹射承载拉杆的连接部位,增加重量绝不会高达300千克,有一半就相当可以了。同样“舰载机前起落架必须要用双轮”也不是问题,歼15已经采用了双轮,正好应对弹射需要双轮才能跨拖曳滑块的需要。

通常认为陆基机改舰载会增重15%,增重的主要付出就在于要应对着舰时的冲击载荷。例如,F-18舰载机结构空重相对于其陆基改型多出1230千克,其中主起落架加强增重约为240千克,安装着舰钩也有近100千克,机翼折叠机构为85千克。虽然这些数据加起来才刚超过400千克,但这只是安装在机身上的部件,机身本身也需要加强。主起落架增重也意味着安装部位的冲击载荷大幅度增加。为应对冲击,机身结构付出的加强代价会更大。因为起落架可以看是“立柱”而机身可以看成是“大梁结构”,让大梁结构来承受立柱的垂直冲击载荷,不光是安装点要加强,还要为了把冲击载荷分散到机身各处而加强附近的结构。因此,这个机身及安装部位加强引起的结构增重会绝对超过起落架,甚至是起落架的2倍以上。歼15也是一样。作为战斗机,歼15弹射改装时在应付着舰冲击方面根本不用再操心,机身强度足可应对载荷系数达到8的空战机动,再加上为着舰已经付出的结构增重,可以说除了前起落架上没有弹射拖曳钩及弹射过载传递结构外,应付弹射过载的机身加强实际上已基本拥有。因此,完全可以说已经具备了弹射起飞的必要结构强度,只需要在制造时适当加强弹射力承载部位即可。

可能有人担心歼15的武器挂架强度需要加强,其实这一点也不是问题。苏-33着舰挂索制动载荷的设计值是5倍重力加速度,歼15也应与此相当。再加上空战机动过载强度也能帮助应付弹射过载,且歼15也是有一定载弹降落要求的。在这样三重因素影响下,可以说歼15所有的挂架都“天生具有弹射的基因”。歼15的机身纵梁与机翼梁垂直横切,没有高度上的距离,这也意味高达几百千牛的弹射力几乎用不着多余的结构来传递就能达到弹药挂架。这样的弹射力传递方式其实是最理想的,意味着较小的弹射增重或不用改装也能适应

弹射改装后的重心问题

“前起落架为弹射改装会影响机体重心”也是一个影响力巨大的说法。通过前面的分析,个人以为歼15的前起落架弹射改装不会产生300千克增重量,而是在120千克左右。这样的数据有根据吗?F-18A的生产商诺斯罗普公司(后与格鲁门公司合并成立诺斯罗普·格鲁门公司——编者注)为了扩大销量,专门在舰载型的基础上“做减法”攒出了陆基型F-18L。根据诺斯罗普的资料,F-18L型的前起落架经过简化,相对于F-18A减重202千克,减少的重量很大,但着陆的下降速度也从7.23米/秒降低到4.2米/秒。这正好说明了降落着舰时的高下降速度对前起落架结构增重的影响,下降速度几乎相差五分之三,这在强度上就是意味结构增重可成倍下降,而且起落架本身还有个最基本的结构强度“底线”要求。以上数据对判断歼15弹射改装后前起落架的增重幅度有很好的参考作用。考虑到F-18L的着陆下降速度,就知道歼15的前起落架增重不会同比例增加,因为歼15的着舰下降速度是固定的,不会因为要弹射改装就降低。

另外,也可以根据这样一个推理来判断歼15的前起落架增重幅度。F-18A的主起落架为上舰增重几乎是成倍增加(由L型的384千克与A型的621千克对比可知),也许可以假设该机上舰后如果不采用前轮拖曳弹射,其前起落架增加的重量也能如法“炮制”出来,即L型前起落架82千克“基础重量”的两倍,为164千克。这些重量与弹射无关,从A型前起落架的284千克上减去这些重量,由此得出F-18A的前起落架如不采用前轮拖曳弹射时的结构重量为也就是120千克。

所有这一切考虑到,应付弹射加抗高下降率,结构增重有150千克足矣。这样的重量还不足以影响到歼15起飞时头抬不起来。之所以产生歼15会因“加强起落架会导致重心调整困难” 的观点,显然是夸大了飞机重心调整问题。从某种意义上分析,歼15可以算是在陆基型歼11的基础上发展而来,可以说其上舰之初就有重心平衡问题,而且问题还远要比改装弹射严重得多。因为前翼部件重量加上安装部位加强及操纵装置后总的增重也不轻,有人估计至少增重250千克。再考虑到前起落架的增重(按照前面的分析约为有150千克),需要平衡的重量约为400千克。即便考虑到歼15还加装尾钩的因素(F-18A的尾钩是70千克,歼15的着舰钩长度大,另外还有安装座及液气阻尼装置,估计全套装置增重120千克),重量也在280千克左右。这么大的重量差距能够平衡,现在歼15因弹射再在重心前面增加一些重量也应该是可以克服的。

还有一些现成的例子,可以说明歼15弹射改装重心配平问题其实并不大。苏27/苏-33的发展型苏-34加宽了座舱,在其中并排增加了一名飞行员,而且还为座舱增加了防弹板。从该机侧视图可以看出,座舱要比前起落架离重心的位置更远。一名飞行员体重按80千克计算,弹射座椅至少要增加120千克重量,前机身截面和长度增加至少也要增加几十千克的结构重量。由此产生重心问题,应该要比加强前轮以应付弹射要严重的多,但苏-34并未因此出现麻烦。实际上,飞机的气动中心及重心也是2个能够在一定范围变动的指标。对于一架设计好的飞机,其气动中心完全可以通过适当移动机翼相对于机身的位置来改变,也可以通过加大平尾的气动操纵面来改变。重心变化范围就更大了,完全可以通过调整机体设备及增减气动中心前后的机身长度来实现。因此前起落架增重120千克带来的重心调整问题,对于设计师来说还是比较容易解决的。

一架改型成功的舰载机,其改装设计的过程也是一个可以权衡和取舍的过程,碰到的问题也要看问题的严重性。航空发展史已经证明,一架设计良好的飞机改型,碰到的最大问题都是结构增重,而不是重心调整。重心问题属于比较容易解决的问题,就是改装要求高也往往是如此。而增重问题才是始终困扰设计师的问题。据说苏-33增加前翼最主要的目的也是为了解决重心问题,因为机首的新型雷达重量太大,导致机体重心严重前移,因此增加了前翼来使气动中心也前移。

歼15为弹射改装加强前起落架,120千克的增重虽然远离重心,但仍然属于可调整范围,例如适当将前翼扩大面积或向前移动5厘米,都足以克服增重120千克带来的重心问题。前翼向前移动一段距离,气动布局并不一定就会改变,或者说气动变化很小,同样还是属于包线能够“容忍”的范围。相对歼11,歼15加装了前翼,虽然在最大航程及最大飞行速度上受到影响,但在飞行包线上也就是缩小了一点点范围。而且该机的体积庞大,也给利用调整机内设备位置实现重心调整创造了条件。

歼15设计特点对弹射改装的影响

一般来说,歼15作为一种设计完善的滑跃起飞舰载机,如果进行弹射改装,最主要的问题将不会是前起落架的加强,也不是机身的强度是否适合弹射。至于说到起飞方式的转变会不会极大提高该机的主要作战性能,相比较而言,歼15是一型专门为滑跃起飞而设计的舰载机,在总体“资源”运用上向满足起飞付出太大,因此弹射起飞对作战性能的提高不如专门设计的弹射型舰载机。如果只从歼15自身来说,则还要看这种弹射改装会有多大程度的深入。歼15的设计翼载荷低,起飞速度也低,对于设计人员来说,很可能会考虑到就势运用现有的结构强度再加上适当的改装来适应弹射。因此,可以适当降低弹射功率以避免结构增重太多,这样一来改装增重基本不会影响作战性能,或可以在性能的某些方面取舍。

据说,歼15在初始设计时参考过俄罗斯苏-33的前身TK-10。这架试验机在制造时就是考虑到弹射起飞,因此歼15的机体强度在满足弹射上没有太大的问题。不过,根据苏-33的机体空重数据,弹射改装还是多多少少会影响到歼15的强度设计。因此,这个问题也只能等到以后设计过程出来后才能做定论。专家也认为该机可以提供足够的机体强度来满足弹射需要,从某种意义上也可以这样理解:采用弹射的歼15可以根据需要适当加强就能满足强度要求。

歼15的整体设计和典型舰载机如F-14及F-18有明显不同。美国这两个型号的舰载机采用两侧进气或肋部进气,机身较低。前起落架支柱较短,前起落架弹射连接点和弹射滑块之间高差比较小,弹射杆可以做得很短,重量也就比较小。后面的弹射承载/起落架收放作动筒可与起落架支柱形成一个可以承受瞬间向前强大拉力的三角支撑。由于前起落架的高度不高,飞机重心低,弹射器的运动做功水平线和飞机的重心高度差不大,弹射能量可以顺利传导给飞机,帮助飞机顺利弹射起飞。而歼15的机身很高,前起落架的高度大,因此弹射杆的长度及传递弹射力的液压承载/收放作动筒的长度相对较大,会增加不少的重量。

有观点认为,歼15的2台发动机吊挂在机身主结构下,这种设计让机体结构强度天然不如美式发动机包容式设计的结构强度大,或者说同样的强度要付出更多的加强重量。这种观点可以说也是个误区。因为在弹射时发动机产生的推力也是向前的,自身的推重比也高达8以上,它本身的重量根本用不着弹射器来推动,或者说它自身就是弹射器。因此,结构强度不如美式包容机体就是个笑话。也许有人会说,如果一台发动机停车失去了推力,歼15就得为弹射担心了,重量达到1750千克的发动机在弹射器的弹射力推动下会不会被撕下来?其实真要碰上这样的事情,歼15则不可能起飞。如果较真,就是单发起飞也没问题。因为歼15的安全着舰制动载荷系数也会达到或接近苏-33的设计值(5倍重力加速度),而发动机在此时还要加大推力准备挂索失败后的复飞。因此,挂索制动时发动机承受的过载远大于弹射,发动机与机体的连接强度适应3.5的弹射载荷系数没有一点问题。可以说歼15弹射改装不会有发动机与机体连接强度问题。歼15的2台发动机裸露在机翼下,也意味着机身的翼梁直接贴紧下机身,也直接与安装尾钩的机身纵梁连接,几乎用不着多余的结构来传递弹射力,这就意味着可以减小弹射增重。

歼15在机身中线上设置了重型挂架,由于这个挂架与可能的弹射承载点可以设置在一根纵梁上,因此在弹射改装时挂架处几乎用不着付出太多的结构加强增重。机翼上的挂架其实也用不着加强,因为严格来说,飞机就是一个柔性结构,弹射时远离弹射载荷“释放点”的机翼挂架会因为机体变形而减轻一部份冲击,能不能承受还要从结构形状来考虑。机翼相对于纵向上的弹射过载是一种结构高度很大的梁形结构,承载能力是相当强的。另外歼15的翼上挂点在设计时肯定要考虑到带弹着舰,而着舰时4.5的过载已经有强度要求,因此武器挂架的现有强度可以说完全能够承受弹射过载。

影响弹射改装的问题可能会出在细节上。与典型舰载机相比,歼15前机身过长,而前起落架安装又靠后,这会增加前起落架的载荷。再加上高度较高,为应付着舰时的猛烈冲击,该机前起落架为着舰付出的结构增重要比美国典型舰载机大得多。歼15前起落架高度约在1.8米左右,在全世界的现役战斗机中几乎是最高的,因此在弹射改装中付出的增重代价也会大于典型舰载机。大尺寸的前起落架如何收放也是个非常麻烦的问题。苏-33的原型机起落架为适应弹射干脆改变了收放方向,由前收起改为向后收起。如果网上流传的改装照片是真的,歼15弹射型仍然采用前收起的方式,这样一来,承受弹射牵引力的收放作动筒尺寸就得很大,会影响机腹中线挂架挂载重型反舰导弹。F-18前起落架较低,夹角很小,弹射时做功的力可以很好地传递给飞机,用来将前起落架与弹射滑块连接的弹射钩长度不过是50厘米左右,歼15的则有可能达到70厘米。由于前起落架过于高大,两者的连接若要求夹角比较小,这个承力/液压作动筒的长度怕1.5米都不够。这么长的承载/收放连杆要收起会有太多麻烦,它会严重影响机体中线武器的挂载。

歼15弹射改装的意义何在

舰载机由于要在结构加强上付出很大代价,相对于陆基战斗机在主要作战性能上的损失是不可避免。而对于歼15来说,由滑跃向弹射的转换对性能的影响会有侧重点,甚至还会有提高某些性能的可能。苏-33在设计之初采用前翼,有解决因雷达太重导致的重心太靠前问题的需要。歼15几乎不存在这样的问题,因为歼15的雷达很轻,采用前翼更多的是为了提高滑跃起飞时的载重能力。如果改装为弹射起飞,则完全不必再考虑增加升力系数,因此就可以取消这个重量不轻的前翼,至少可以减重250千克以上。再加上其他如飞行阻力降低等因素,有可能将弹射改装付出的代价抵消掉,甚至还能有节余,因此弹射型的歼15性能会有所提高。

在20世纪80年代,美国海军为探讨未来航母发展方向,曾经专门组织专家对舰载机的设计与起飞方式之间的关系进行过详细充分地研究。在这份舰载机研究分析报告中就称:在同样战术技术性能要求下,滑跃起飞的作战用舰载机起飞重量是17685千克,弹射起飞只有15480千克;支援通用舰载机滑跃起飞是27561千克,弹射起飞则是24325千克。弹射与滑跃的两种机型在起飞重量上竟然能相差这么大的数值,主要就表现在翼载荷上。例如,F/A-18E/F“超级大黄蜂”的离舰翼载荷可高达600千克/米2,而苏-33还不到500千克/米2。如果按照前者起飞时的翼截荷和起飞重量比例,歼15的起飞重量应该达到36000千克。可以想象,歼15不但能采用弹射起飞,而且还有可能借这种改装获得一次“脱胎换骨”大幅度提高主要作战性能的机会。不仅是取消前翼,甚至可以考虑恢复陆基型的机翼面积,经过一番“瘦身”改装后飞行包线还有扩大的可能。当然,相对而言,由于设计特点不同,由滑跃起飞改装弹射起飞的歼15,还是不如正宗的弹射版舰载机。

歼15作为中国第一种舰载机,它不仅是目前中国唯一的舰载机,也将是未来一段时期内“辽宁”号航母和第一艘国产航母的主力战机。它的存在,可以让研制部门在舰载机机体结构加强及经受舰上严酷使用环境方面积累宝贵。对于相关研制单位来说,机体强度方面的经验在未来舰载机的研发工作中具有很大意义。自“辽宁”号服役以来,其搭载的歼15由于只能采用滑跃起飞而倍受争议,其最大问题就是飞行甲板的起飞作业效率。滑跃起飞需要较大的甲板滑跑面积,舰载机起飞需要开足发动机功率,而在近两年的实践中也意识到长点起飞的经济性及安全性。长点起飞将成为常态,因此在起飞作业中牺牲效率是再所难免。对于未来的中国航母,采用弹射起飞将是非常迫切的需要,国内相关部门展开对弹射技术的研究也是形势需要,而在歼15机体上进行这样的研究将是一种花费少效果显著的选择。