海上战鹰系列之知识篇

2016-07-14 16:50:31 航空世界 2016年3期

马世强

舰载机起飞时总是会让发动机处于最大功率或对发动机有极大伤害的“超强功率”状态,几乎没有例外。就是有弹射器的帮忙也是如此。滑跃起飞的苏-27甚至采用了专门设置的“起飞应急功率”,在整个起飞过程中功率一直处于最大,一直持续到爬升到一定高度。

着舰时则通常是不断地降低功率,一直到停下来,但与起飞不同的是这个过程有时会很复杂。发动机功率会在一定功率范围内不断地增大或降低,当舰载机机轮触及甲板后,发动机功率不能降至最小反而要加大。舰载触舰后增大发动机功率,这实际上是一种保证飞机降落安全的措施。一旦着舰钩没有挂上阻拦索时,舰载机可以有足够的动力复飞而避免坠落到海中。

从飞机上舰后的发展历史看,让舰载机触舰后就加大功率的做法并不适用于螺旋桨飞机时代。在不同时期也是有差别的,随着技术的发展还会出现一些细微的变化。下面,就让我们从舰载机着舰过程中发动机功率的“变化”,来体验一下舰载机降落技术的历史和未来发展吧。

早期的飞机起飞降落速度低,像著名的“骆驼”双翼战斗机最低飞行速度约为50千米/时,甚至比母舰迎风航行时所形成的风速还低。因此,该机在舰上降落时可以做到在与母舰相对零速的情况下实施降落,用“垂直降落”一词形容决不为过。

正是因为这一时期的飞机降落速度很低,在触舰时不需要增大发动机的功率,而是要飞行员根据飞机与母舰的相对速度来调节发动机的功率。世界上第一次飞机在行驶的舰上降落试验是由英国海军飞行员欧内斯特·邓宁完成的。他首先是操纵飞机在甲板上方三四米的高度上“悬停”,稳住飞机后降低发动机功率,然后由舰员用手将飞机拉到了甲板上。

随着飞机飞行速度的提高,舰载机的降落速度也相应增加。为了提高着舰时下滑轨迹的准确性,飞行员在降落的过程中会利用发动机功率的增加或减少来配合空气舵面,调整下滑的轨迹。当机轮触及甲板后,飞行员有时会根据需要增加发动机的功率,以使飞机能自行滑行到合适的停机点处。更多的情况则是不失时机地关掉发动机,以使飞机能尽快停下来。

二战中的螺旋桨战斗机在降落时速度只有120~140千米/时,在下滑过程中和上面提到的一样,也是要利用发动机功率的变化来配合气动舵面调整下滑轨迹。只是活塞式发动机功率增加相对较慢,更多的是动用气动舵面。而在飞临甲板上空时,对于飞行员来说有个“临界点”。这个“临界点”是一种约定俗成的说法,是否继续降落或是复飞都在这一瞬间决定。当飞行员确定下滑轨迹正确并且是“铁了心”要进入着舰过程后,通常都是将发动机功率减小,以后的过程就基本上和发动机功率变化没有关系了;如果到达“临界点”时因某种原因决定要拉起复飞,则飞行员会马上加大发动机功率,同时拉杆将飞机脱离下滑降落航线。

之所以要这样做,也是和当时的航母采用直通甲板设计有关。直通甲板的前段上往往停满了飞机。降落的飞机只要是过了下滑临界点,是不容许、也没有足够的距离再拉起复飞了。即便着舰钩没有挂上阻拦索,也只好一头撞进降落区尽头的阻拦网。尽管这样做会使飞机受到一些损伤,但要比拉不起来强得多,后者会导致未勾住阻拦索的舰载机冲向飞行甲板前部撞上停在那里的飞机。

喷气式飞机刚上舰时,仍然采用的是活塞螺旋桨式飞机的降落方式,也是一过“临界点”就减小发动机功率,但此时又出现了新的情况。因为喷气式发动机响应速度比活塞式慢,喷气机在机体上增加了减速板。在降落时只要打开减速板,就可以在保持低速的同时让发动机工作在更大推力上(减速板阻力与发动机增加的推力相互抵消),需要加速时收减速板即可。这样加速比推油门杆快得多,等于变相“提高了喷气发动机的响应速度”。只是这样会导致在进入“临界点”之前喷气机的发动机推力运行在较大功率状态中。

喷气机上舰还给航母飞行甲板带来新问题。早期的喷气发动机耗油率高,要保证飞机有足够的航程和续航时间,必须增加载油量。这就导致喷气式舰载机的体积和重量比螺旋桨式飞机大幅度增加,推重比多低于0.4,着舰速度也提高到160千米/时以上,再加上喷气式飞机机头没有了螺旋桨做“防撞架”,这样机头的抗撞强度也比较低,可以想象在着舰钩没有挂上阻拦索冲进阻拦网会是一种什么样的情形。轻则使飞机机头和机翼前缘受损,重则飞机报废,也就是说不出事故则罢,一出就相当严重。直到斜角飞行甲板的出现,同时也改变了飞行员只要“铁心降落”就要降低发动机功率的习惯。

斜角飞行甲板的出现绝对是飞行甲板设计的一次革命。这种设计可以让没有挂上阻拦索的喷气机再次进入复飞,不用再担心与飞行甲板前部停放的机群相撞的问题。这样,在机轮触及甲板后着舰钩如没挂上索,发动机的推力就再次派上了用场。此时着舰不再是一进入临界点就收小油门,而是要继续保持一定的推力;在机轮触及甲板后,也不是关掉发动机,而是将发动机推力增到最大(打开加力),以便能在着舰钩挂不上索时能及时进入复飞。如果挂上了阻拦索,则飞行员手动或由自动控制装置减小发动机的推力。通常这个时候不一定就要关掉发动机,可以仍保持一定推力。这是为了不让回抽的阻拦索把飞机拉着后退,另一方面也是为了在着舰钩脱掉阻拦索后能依靠自身动力离开降落区。

可以说自从喷气机上舰和出现斜角甲板后,让舰载机触舰后增加发动机推力巳成为一种很自然的做法。从美国海军的早期经验看,着舰时尾钩未挂住阻拦索需要拉起复飞的情况还是经常发生的,在白天约为5%,夜间则高达12%~15%。早期舰载机采用的涡喷发动机推力响应远低于活塞式发动机,受性能限制推重比也比较低。如不及时增大功率,一旦挂不上阻拦索,就会出现飞机因推力不足来不及加速而坠入大海。当时美国海军使用的航母有不少是在二战时的埃塞克斯级基础上改装的,斜角甲板长度只有153米,因此在机轮刚一触及甲板时飞行员就应该马上加大发动机推力至加力状态,以便能在着舰钩没有挂上阻拦索后能及时地加速,再次从甲板上拉起来。

随着技术的进步,现在情况已经有了变化。现代舰载机低速性能都比较好,推重比也较大,使用的涡扇发动机推力增加的速度也要比早期的涡喷发动机高。现代大型航母排水量增大,降落区长度也增加到250米,再考虑到降落时着舰速度在230千米/时上下,100米的加速段为飞机加大推力提供了充裕的时间,即便没有在机轮刚触及甲板时就开加力,也基本上不存在拉不起来的情况了。比如像F/A-18这类舰载机,由于发动机推力大,在机轮触及甲板时即便不开加力,也可以再次拉起而没有太大的危险。

另外,由于降落引导技术的发展,美国海军舰载机的着舰成功率得到了大幅度的提高,舰载机需要要复飞的概率已经不是很大。现代舰载机着舰时机轮一触及甲板就要增大油门的要求更多的是习惯所致,也可以看成是一种提高安全性的作法。

综上所述,现在的美国海军舰载机在降落时,已经开始使用“战斗推力”而不是极限推力。在实际操作时,飞行员根据降落时的飞机重量和速度确定发动机的推力大小,而不是像以前那样机轮一触及甲板就要开加力,因为发动机的加力寿命也是有限的,得节省着使用。

实际上,就是对早期的喷气式舰载机来说,在着舰钩没有挂上阻拦索后再加大发动机推力也不是不行。飞机降落时是有一定存速,最低也在160千米/时左右,而且当时规定舰载机在降落时要抛掉外挂,油料也消耗得差不多了,推重比也比正常时要高。当时航母的降落甲板长度都在150米以上,在没有挂上阻拦索后再打开加力,仍然有七八十米的加速距离,不少机型完全可以在离开甲板时达到200千米/时以上的速度。只是为了保险起见,再考虑到一些偶然因素,还是“养成”了加大推力的习惯。

根据情况确定着舰时的发动机推力大小,对延长机体寿命有非常重要的意义。假设歼15在“辽宁”号航母着舰时下滑线较低,则机轮有可能在距离第一根阻拦索30米的位置上触及甲板。如果此时立刻加大发动机推力,则在挂上这根索时全机动能会增加“30米×增加的推力值”,这意味此时机体的动能会至少增加4%。不要小看这个4%,舰载机的阻拦过载强度设计值通常是5,这个4%就会在接近强度极限的范围内让机体承受一次应力冲击,而机体的抗冲击次数是有限的。

关于舰载机降落时的发动机推力变化的问题,早就有人考虑引入自动控制机制,比如建议采用自动反应的发动机推力控制程序。做来后来者,歼15也可以考虑采用自动调节发动机推力的措施。这种措施可以根据甲板上反馈来的信息自动确定发动机是否应增大推力,并在错过最后一根阻拦索的一瞬间就做出反应,让发动机推力迅速增加,并且是根据当时的滑行速度、机体重量及甲板风等信息综合确定需要提高的发动机推力值。

未来,舰载机将要采用矢量推力技术,这种技术可以有效提高舰载机的下滑精度,同时还能大幅度降低进场的速度。利用矢量技术让飞机以比较大的迎角下滑,这样就可以让发动机的推力承担一部分机身的重量,因此可以把舰载机着舰进场的速度降低到150千米/时以下。发动机推力有了向下的分量,功率大一些也不会增加着舰的速度。美国利用带矢量推力装置的X-31试验机进行了大迎角着舰模拟试验。该机在进入甲板上方时,机尾比主机轮的高度还要低,但无须担心飞机着舰时会发生机尾与甲板相撞。高精度的自动操纵系统会利用矢量推力在机尾离甲板高度0.5英寸(12.7毫米)的位置上使飞机迅速低头。等到机身与甲板平行后,矢量推力又反向调整,迅速消除机身低头的俯仰角速度,让飞机保持最好的状态触及甲板。据美方估算,采用新的矢量控制降落技术后,舰载机着舰时的动能就可以减少到原来的38%。这就意味着未来采用矢量推力技术的舰载机有可能不再需要加强机身,从而可节省大量的结构重量。从发动机推力调节角度来说,X-31在降落时发动机始终处于大推力状态,而在机轮既将触及甲板前,推力并不一定就要增大,反而会迅速减小。之后则与现有飞机一样,视挂索与否来确定是继续减小推力还是加力复飞。

通常人们的印象里,螺旋桨式舰载机因为采用了平直翼布局,因此相对于喷气式舰载机具有较低的起降速度。其实,现代涡桨舰载机为保证最大速度及航程的需要,翼载并不比喷气机低多少,因此降落速度也在200千米/时以上,重载降落时甚至高于A-6攻击机。这类舰载机的真正优势,在于起降时螺旋桨正好工作在最佳速度段,这意味着在此飞行阶段中的推力/功率比很高,甚至会超过喷气战机。设计及配置合理的螺旋桨在低速时1马力(0.735千瓦)能产生3千克力(29.4牛)以上推力(对于常见的拉进式布局来说,实际应为拉力或牵引力——编者注)。一般认为螺旋桨战斗机的推重比低,其实那是指空战速度下的推力。二战后期的螺旋桨式舰载机起飞推重比都能超过1.0,现代涡桨舰载机起飞推重比也大都超过1.0。

着舰时,低速下螺旋桨的大推力对提高舰载机的降落性能很有意义,可以提高复飞的加速性能。由于技术的限制,早期舰载机的螺旋桨桨距与油门“捆绑”。在降落时为控制推力,油门必须降低,这意味着不能充分发挥螺旋桨舰载机的加速性能优势。现代涡桨舰载机采用电传操纵,取消了这个“绑定”,因此在降落时油门可以提的高一点,而桨距可以小一些。这样就可以根据需要通过改变桨距实现推力的变化,并且能做到快速反应,收放自如。因此,现代涡桨舰载机的起降安全性大大高于喷气机。

值得一提的是,2005年美国海军工程试验中心试验过E-2C-2000的滑跃起飞,顺便也进行了借助螺旋桨反距减少滑跑距离的试验。试验结果表明,采用反距可让飞机在100米以内的距离停下。可以想象,该机完全可能在长度200米以上的斜角甲板不依靠拦阻索安全降落。在这样一种情况下,该机着舰时的动力变化就十分有趣了。有可能在降落着舰时功率不降低,而是提升功率,在机轮快要接触甲板时迅速增加螺旋桨反桨距,转瞬间就能产生相当10千牛以上的反推力,进而无须阻拦索就让飞机停下来。

从安全的角度考虑,涡桨预警机不会轻易放弃阻拦降落。但如果要考虑由此带来的收益,则“不依靠阻拦索”具有很大的吸引力。取消着舰钩及减少相应安装部位的强度增重后,预警机至少可以减重量160千克。另一方面,涡桨舰载机能否不依靠阻拦索完成安全着舰,还与着舰精度有关。依靠反桨,舰载机能在100米距离内停下,再配合高精度的降落引导技术,可保证在降落后还有留有100米的甲板距离作为保险,则安全着舰的概率将大大提高。美国尼米兹级航母的降落甲板是237米长,最后一根阻拦索后面的甲板长度至少在130米左右。而现在的着舰精度完全可以做到挂上中间索的概率超过90%。因此,随着降落着舰导引技术的发展,让E-2预警机做到仅依靠自身动力就安全降落,几乎没有太大的技术问题。