海上战鹰系列之怀旧篇

2017-03-06 19:22:48 航空世界 2016年11期

马世强

“掠夺者”舰载攻击机是由英国布莱克本公司为皇家海军研制的。该机性能优异,在英国皇家海军中服役了数十年,而其生产商却没有这么好的运气。在英国航空工业的整合大潮中,布莱克本公司被并入霍克-西德利公司,最终后者也与英国飞机公司合并成了现在的英国宇航公司。

英国航空工业的兴衰得失自有他人评说,这里主要为读者朋友介绍一下“掠夺者”的独特之处。

“掠夺者”(Buccaneer)是20世纪50 年代中期出现的一种非常有特色的舰载攻击机,在舰上的起飞重量高达20吨。在二战刚结束的几年间,这么大的起飞重量可以说是一个不小的奇迹。因为当时同类型的陆基作战飞机,起飞重量也没有几种能超过这个重量。该机可在机内挂载1枚核弹,在60米高度以马赫数0.85的速度飞行,作战半径不低于740千米,总载弹量1800千克。

“掠夺者”在设计上也颇具特色。例如,为降低着舰速度引入了“襟翼吹气”(或称“附面层控制”)系统,将10%的发动机压气机气流引导到机翼前缘,以及襟翼和副翼的上方,甚至引导到T形布置的水平尾翼下方。该机除了在两侧翼下各布置两个挂架外,还拥有一个内部弹舱,可容纳4枚450千克炸弹或1枚核弹。该机采用了旋转式弹舱舱门,将航弹直接挂载在舱门上,这不仅简化了武器投放程序,而且方便了弹药装载和日常维护。

该机外形上的最大特点,是采用了当时新兴的“跨声速面积律”气动设计方法。这使得机身多处出现流线凸起,并使得机身中部出现明显的蜂腰,在后机身上则出现“迅速增肥身段”,不得已采用類似“可乐瓶”的大型尾锥形状收尾。为了适应航母升降机的尺寸限制,除了机翼可以折叠外,机头锥也可以向左后方折叠。尾锥分成两半,打开时既可以作为可调式减速板,又可在航母上减少机身长度。这几处折叠也是独一份。

说了这么多的特点,你一定会同意“掠夺者”确实是一架独具特色的舰载飞机吧。不过要说真正的特色,则是“掠夺者”在弹射方式上的与众不同。

当时,由于刚研制成功的BSX-2蒸汽弹射器功率有限,用来弹射起飞重量达20吨的“掠夺者”有些费劲,航母不但要以最大速度迎风行驶,飞机本身也要开足马力。就是这样,“掠夺者”也会在离舰瞬间出现下坠现象,这对安全十分不利。因此,英国人独出心裁,让“掠夺者”在弹射时呈抬头状。这样,在飞机被弹出甲板时就可以获得一个比较好的起飞迎角,让机翼在离开甲板时就能获得充足的升力,避免了原先弹射时飞机在离舰后一段时间内的下坠趋势,极大地改善了该机的起飞安全性。从“掠夺者”起飞时的视频可以看出,在弹射时,挂索员先用弹射拖索把飞机与弹射器拖曳滑块连接,然后再连接上尾部的制动索。这根制动索不是固定在甲板上,而是连接在一个液压装置上。连接好制动索后,这个液压装置会向下拉制动索,进而使机头抬起,这样就使得“掠夺者”前机轮高抬,机翼处于最佳迎角处,并且这种姿态将一直保持弹射离舰。

有些读者在看到附图后可能会产生疑问:让飞机在弹射离舰时保持抬头的好处不用解释,制动索与后机身连接后,下拉前机身肯定会让前轮离开甲。只是弹射开始后,后面的制动索已经断开,强大的弹射力应该让前机身低头才对,怎么可能会一直保持抬头状态?

从弹射过程看,弹射拖索是斜着向下牵引机身,按照物理原则,肯定有一个垂直向下的分力向下拉机身。在主起落架的支撑下,机身在弹射拖索的拉力作用下,就会产生一个“低头”力矩。在弹射前有制动索的反向作用,机身会保持抬头姿态原来是巧妙地利用了物理上的杠杆原理和惯性原理。当我们确定“掠夺者”在弹射时的受力状态后,就可以很容易地运用杠杆原理及惯性原理来解释该机的抬头弹射。当牵制索被弹射力拉断后,“低头”力矩马上就会起作用。另外还有主机轮与甲板之间的滑动摩擦力,这两者都会让机体前倾,“掠夺者”是怎样实现这种抬头弹射呢?

产生疑问是很自然的,在电视节目中有杯下抽纸的表演,没有物理知识也会感觉不可思议。“掠夺者”之所以能采用这种弹射方法,原来是巧妙地利用了物理上的杠杆原理和惯性原理。当我们确定“掠夺者”在弹射时的受力状态后,就可以很容易地运用杠杆原理及惯性原理来解释该机的抬头弹射。

飞机在弹射时既然是加速过程,则惯性在这里也就起到了反向力的作用,向前的加速过载是多大,向后的“惯性力”也就有多大。另外,还有弹射钩的位置与众不同,正是这两个原因让“掠夺者”能以抬头姿态飞离甲板。

一般而言,飞机弹射时受到的作用力可以分解为水平方向上的推力(弹射力牵引加发动机推力)及阻力(惯性力加主机轮摩擦力)。机轮摩擦力是向后的,虽然不大,但由于远离机体重心,可以认为其力矩对飞机起飞时的姿态影响不容忽视,而且这是分析“掠夺者”起飞原理的一个主要因素。为便于理解,我们可以把机体重心到主机轮的距离看成是一个杠杆,机体的“惯性”与机轮的摩擦力从杠杆两头作用于这个杠杆,而推力则是从这两力靠近“惯性”力的某点处作用于杠杆。“掠夺者”能否始终以抬头姿态完成弹射飞离甲板,就要看这三个力是否在杠杆上保持平衡。这关系有点像用秤杆称货,手提秤杆,所称货物与秤砣压两头, 既然称货物能保持平衡,那“掠夺者”以抬头姿态飞离甲板就不难理解了。

说到这里还是会有读者质疑:称货物还有个调整秤砣甚至变动提索位置的过程,而“掠夺者”怎么可能在起飞过程中“调整秤砣”,难道是要现场调整飞机的重心或弹射挂索位置?

很显然,在起飞时调整重心不现实,也不可能调整挂索位置。在弹射起飞过程中存在着太多的变量,无论是起飞重量还是翼上挂弹的种类及数量,都会有差异。一般而言,惯性力通过重心,不会对机身产生转动力矩,也就不会对机身的稳定有什么影响。但在弹射推力与机轮摩擦力的参与下就有了作用,而且这个力还与加速度及起飞重量有密切关系。因此简单地用上述的“秤砣秤杆”来形容是不够的。说明了原理还存在疑问,显然是前面的解释还够充分。

实际上,对于“掠夺者”的抬头弹射来说,这种弹射过程还真的能自动起到“调整重心”作用。其主要原因就是因为连接弹射拖索的挂钩是在机体重心的前下方,正是这种位置的设计让自动“调整重心”成为可能。

在弹射技术发展的初期实践过程中人们就发现,在飞机弹射起飞时,由于弹射使飞机突然受到巨大的牵引力作用,机体会在制动索断裂后的瞬间出现不同程度的上仰或下俯现象。这是因为弹射牵引力没有通过飞机重心,而是与重心有较大偏离。巨大的弹射力让飞机承受高达几个g的过载,而力的作用线如果不是通过重心,就会对机身产生力矩,使其具有转动加速度。这就是为什么会有瞬间上仰或下俯现像出现。为了获得平稳的弹射过程,机体上挂弹射拖索的弹射钩位置在设计时就得注意,最好是能让弹射力通过机体重心,或者是偏离的不太远。

飞机的重心其实也是一个能在机体确定位置范围内可以移动的变量,与每次飞行的外挂物及内油量等状态有关。有时可能靠前一些,有时也可能会靠后,另外还有上下变动的特点。不过就弹射来说,机体重心出现不多的前后上下及左右的變动并不要紧。由于弹射钩处于离重心不远的前下方,在弹射过程中机体角度的细微变化将会使弹射力作用线向重心靠拢,造成的转动力矩迅速减少。也就是说,这个过程是一个力矩变化呈现收敛的过程,不影响弹射的安全性。如果仔细观察拖索弹射飞机起飞过程的视频,我们会看到:舰载机在弹射时往往会“虎躯一振”,或多或少地会有一点上仰或下俯现像出现。毫无疑问,通过上面的解释可以想象,“掠夺者”也是依靠弹射钩位于飞机重心前面能形成收敛力矩变化才实现抬头的稳定弹射。

早期螺桨舰载机采用拖索弹射,由于有机首螺旋桨的限制,弹射挂钩的位置往往偏下偏后,弹射时容易出现抬头现像。喷气式飞机上舰后普遍采用了前轮拖曳弹射,相对于拖索弹射,其弹射力作用点相对于重心更靠前,因此机体在弹射时表现出明显的前倾。

喜欢钻牛角尖的读者也许还会提出这样的问题:蒸汽弹射器的弹射特点是“开始力气大,到了汽缸未端不远处就会有气无力”,因此弹射加速度是不断下降的,这将导致“掠夺者”弹射开始时的平衡被打破;如果不加约束,在发动机推力作用下,“掠夺者”很可能在离开甲板前前轮就会触及甲板了。可以说这种分析也有道理,但实际情况并非如此。首先,当时英国航母上的BS-5弹射器弹射行程相对较短,只有61米,不是美国C-7弹射器的81米,所谓的“开始力气大后面力气小”现像并不严重。其次,该机发动机的推力最大也就刚超过10000千克力(98千牛),弹射器起到的未端加速作用仍然是发动机的5倍以上。另外,在弹射未端由于机体相对于气流的速度增加,尾翼上的向下力矩也在增大,完全可以抵消弹射过载降低引起的下倾角速度。还要考虑弹射过程中虽然加速度下降,但也还有下降后作用力矩增加来修正机首下倾的因素。

也许有人还会产生这样的想法:既然弹射钩设计位置的与众不同,能让“掠夺者”抬头弹射,那么该机如果是采用常规不抬首弹射起飞,是不是也有可能会在弹射力及“惯性力”的双重作用下,在弹射加速过程中抬起头来?从力学的角度看,这种可能性还真存在。从舰上作业的角度分析,如果真要这样做还能节省一道手续,只是在弹射开始后机身会突然出现抬头。这个抬头也有“惯性”,因此会出现抬头过度的情况。而弹射钩位于重心前的设计特点又会产生底低头力矩,这样机首上下摆动不利于安全起飞,而且突然抬头在心理上也不容易被人们接受。不过话说到这里就属于钻牛角尖了,再分析必要性不大了。

采用这种抬前轮弹射方式也不仅仅局限于“掠夺者”攻击机,在英国的早期舰载机中还有一种机型采用过这样的起飞弹射方式,但很快就退役了。实际上,“掠夺者”采用这样的弹射起飞方法其实也是迫不得已:当时的航母上弹射器的行程短,“掠夺者”不采用就不能安全起飞。相对于常规的弹射方法,这种抬头弹射增加了一个抬机身的步骤,弹射时看上去很壮观,但步骤增加多少让人们感觉不安全。另外,抬头弹射意味着发动机的推力也有向下的角度,会损失加速的推力,还有发动机喷流烧蚀甲板的缺点。因此,这一独特弹射方法也只有“掠夺者”这样的早期舰载机使用。英国皇家海军在随后的舰载机设计中采用的增加前轮支柱的办法来解决弹射器功率不足的问题,如仿制的F-4K舰载机的前起落架竟然高达2米。

应该承认,这样的起飞方式毫无美感,远不如“掠夺者”的抬头起飞看上去壮观。虽然这种起飞方式消失了,但“掠夺者”将以这种弹射方式为其独特设计为标志永存于航空史中。