注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

u.s.navy的网易博客

莫斯科不相信眼泪

 
 
 

日志

 
 
 
 

航母舰载机:弹射起飞还是滑橇起飞?  

2007-12-14 10:32:00|  分类: 装备科技G |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |
      当今,世界各国海军航空母舰舰载机的起飞方式主要有弹射起飞、滑橇起飞和垂直/短距滑跑起飞等。弹射起飞是利用飞行甲板上布置的弹射装置,在一定行程内对舰载机施加推力,使其达到离舰起飞速度。滑橇起飞是利用航母艏部的上翘甲板,在机载发动机的大推力下实现起飞。垂直/短距滑跑起飞则是利用机载发动机的推力矢量控制来实现起飞,鉴于前苏联“雅克-38”垂直/短距起降攻击机已随着“基辅”级航母一起退役,以及英国垂直/短距起降式“海鹞”战斗机的携载量和航程难以满足需要,因此这种起飞方式目前用得较少。
  
  弹射起飞方式的演进历程
  
  1910年11月14日,美国民间飞行员尤金·伊利从美国海军“伯明翰”号巡洋舰上拉起“柯蒂斯”式飞机徐徐升入空中。自此,各海军强国纷纷看好能搭载飞机的航空母舰,并琢磨怎样才能使舰载机滑跑最短的距离就迅速离舰升空,怎样才能最便捷、有效地回收舰载机。
  设计师们最原始的想法,是在航空母舰上安装一个类似“大弹弓”的弹射器,把飞机弹上天空。这种“大弹弓”说起来简单,但真正做起来相当复杂,因为飞机毕竟比弹弓上的小石子重得多。1911年,美国西奥多·埃利森海军上尉最先研制成功世界上第一台弹射器。这台原始的弹射器由3条绳索和1块砝码组成,由于弹射效果极差,所以对舰载机起飞几乎没起到什么作用。后来,埃利森对这种弹射器进行了全面的改进,变成压缩空气弹射器,终于在1912年11月12日实现了人类史上的舰载机首次弹射起飞。
  1922年11月,美国在第一艘改装而成的“兰利”号航空母舰上,采用以压缩空气为动力的旋转式弹射器,成功地完成了弹射飞机的试验。不久,一些国家海军又在改装的战列舰和巡洋舰的艉部安装飞轮弹射器,专门用来弹射水上飞机。当水上飞机航空母舰逐渐淡出海战舞台后,不少国家又转而在常规起降飞机母舰的艏部甲板安装以火药为能源的弹射器,来替代压缩空气弹射器和飞轮弹射器。1927年,美国海军在“科罗拉多”号战列舰上装设了P-5型转台式火药弹射器。该型弹射器能在17米的距离内,把3吨多的飞机加速到52节(96千米/小时)。1934年,美国研制出世界上首型液压式弹射器。这种弹射器在短短的几秒钟内释放出蓄压器中存储的能量,使飞机达到最大起飞离舰速度。经过多年的摸索与改进,到第二次世界大战期间,液压式弹射器已在美国航空母舰上得到广泛使用。在此期间,美国还研制运用过一种电动式弹射器,只是由于它体积和重量太大、不适合装设在舰上而被迫停止试验。
  
  实际上,早在第二次世界大战之前,航空母舰舰载机就因为飞行速度较小、升力系数较大,只要滑跑100米左右就能拔舰升空。航空母舰飞行甲板已满足这种飞机的滑跑起飞之用,加上当时弹射器的性能还不够完善,所以弹射器一直受到冷落,没有在航空母舰上普遍安装与使用。不过也有例外,就是当时的护航航空母舰排水量偏小、飞行甲板长度较短,而且航速慢使得舰载机起飞时所需的逆风速度太小,因此,护航航空母舰上的舰载机要想滑跑起飞,只好借助弹射器。
  二战之后,喷气式舰载机相继搭载上舰,起飞所需的甲板跑道越来越长,对跑道路面的要求也日渐提高。喷气式舰载机的起飞速度一般在350千米川、时以上,以当时舰载机的重量和发动机功率计算,需要滑跑1000多米的距离。这段起飞眶离对于岸基飞机不算难题,可航母就很难做到——即使当今吨位最大的“尼米兹”级航空母舰,甲板跑道也不过区区300余米。如果没有弹射器的助飞,舰载机将难以升空;而当时液压弹射器的功率极其有限,实在无法在有限的距离内使舰载机弹射起飞,出路只有一条:研制功率更大的新型弹射器。
  1950年,英国海军航空兵预备队司令米切尔研制出一型弹射力较强的蒸汽弹射器。一年后,这种冲程45.5米的拖索式BXS-1型蒸汽弹射器,被用到英国海军“英仙座”号航空母舰。应该说,蒸汽弹射器是舰载机起降技术的一个里程碑。美国海军第一级真正意义上的“福莱斯特”级航母满载排水量7万多吨,全舰共装有4部冲程70多米的蒸汽弹射器,可以一次起飞4架舰载机、在1小时内把40架舰载机送七天。1960年,美国海军还曾研制出一种内燃式弹射器,并安装到“企业”号核动力航空母舰上。不过,这种内燃式弹射器至今仍不能令人满意,所以“企业”号还同时装备有蒸汽弹射器。
  
  随着航母吨位的增加,舰载机的起飞重量越来越大,弹射器也随之不断改进。但时至今日,只有美国全面掌握了弹射器技术,连法国的中型“戴高乐”号核动力航空母舰采用的也是美国弹射技术。美国大型航母上的C-13-1型蒸汽弹射器冲程达到94.6米,可将36.3吨重的舰载机以185节(即339千米/小时)的高速弹射出去,完全能够满足F-14战斗机和E-2预警机的起飞要求。在作战条件下,4部弹射器能以每分钟弹射2架的速率起飞所有的舰载机。
  
  滑橇起飞方式何以受到青睐
  
  所谓“滑橇起飞”,就是利用飞行甲板终端的一块上翘的斜板,在飞机离舰前为其提供一个向上的动量,以避免舰载机在达到维持平飞的速度之前出现过多的下沉。理论计算和飞行试验都表明,该项技术措施有助于大大缩短飞机的起飞滑跑距离,在地面和军舰上均可以采用。追溯起来,美国还是航母舰载机滑橇起飞的开山鼻祖。20世纪50年代,美国国家航空航天局就曾为航空母舰设计过一种微翘斜板并进行过试用,以便弥补弹射器功率的不足。但由于蒸汽弹射器的功率满足了喷气式舰载机的起飞需要,美国海军不久便将滑橇起飞方式束之高阁。
  当英国皇家海军成功试飞垂直/短距起降式“海鹞”舰载机之后,海军中校道格拉斯·泰勒曾建议对滑橇起飞进行深入研究,以扩展这种飞机的活动空间、提高其作战效能。英国军方采纳了这一建议,并与西班牙合作,在地面上利用斜板滑橇起飞,对“鹞”式飞机进行了一系列试验。结果显示,只要“鹞”式飞机的4个喷口向后下方偏转一定角度,并借助上翘斜板,就可以在较短的距离内离地升空。垂直/短距起降战斗机采用滑橇起飞的好处,是可以节省燃油、增大航程、提高载弹量。
  从70年代末期起,英国和西班牙海军便将滑橇起飞技术移植到“皇家方舟”号、“无敌”号和“阿斯图里亚斯亲王”号小型航空母舰上;购买“海鹞”式飞机的意大利和印度也分别在“加里波第”号和“维兰特”号小型航母的舰艏增设了滑橇式甲板。从80年代开始,英国皇家海军满载排水量20300吨、能搭载8架“海鹞”式垂直起降战斗机和12架“海王”直升机的“无敌”级航空母舰,呈现出与其他航母截然不同的特点一一舰艏部加装了一段滑橇跑道,将飞行跑道约27米长的前端做成向舰艏上
翘的曲面。“海鹞”舰载机通过该舰的滑橇甲板滑跑起飞,可在滑跑距离不变的情况下使飞机载重增加20%,或在载重量不变的情况下使滑跑距离减少60%。这一起飞方式后来被多国海军的小型航母普遍采用。
  滑橇起飞原理是把甲板斜坡上翘角视为抛射角,舰载机沿着上翘的斜坡冲向斜上方,形成物理学中的斜抛运动。滑橇式航母甲板与普通飞行甲板的主要区别是,后者的跑道基本上是水平的,而前者分为平直段和上翘段两部分。为了减小因坡度加大而引起机体和起落架受力陡增,滑橇式甲板平直段与上翘段之间并非折线连接,而是倾角均匀过渡,采用与直线段相切的弧形曲线。对于不同的航母和不同的舰载机来说,选定一种合适的舰艏斜坡角度是非常重要的。最初,“无敌”级的“无敌”号和“卓越”号的上翘角度为7°,而“皇家方舟”号为12°。大量的计算和试验证明,斜坡甲板的上翘角为10~15°时,舰载机的滑跑距离最短。
  
  滑橇甲板可以增加武器装备或燃油的装载量,增大飞机的作战半径。以“无敌”级航母为例,当舰载机在其滑橇式甲板上滑跑180米时,机上可多携带1.2吨的燃油或武器。此外,滑橇甲板起飞舰载机相对平直甲板而言更安全、可靠。平直甲板短距起飞舰载机时,升力稍有不足就容易坠沉人海;而舰载机在滑翘甲板上起飞时,由于增加了向上的动量,在离开舰艏后能稳稳地平飞前行而不易沉坠。
  继英国第一艘“无敌”级航空母舰1980年服役之后,意大利海军装有6.5°滑橇甲板的“加里波第”号航空母舰于1985年服役。1988年服役的西班牙“阿斯图里亚斯亲王”号、改装的印度“维拉特”号,以及1997年服役的泰国“差克里·纳吕贝特”号航空母舰,装设的都是12°滑橇甲板。
  80年代,前苏联也在岸基和航母上安装了试验滑橇甲板,对滑跑起飞技术进行了大量的研制和试验。试验证明,作为一种在遭到破坏的机场紧急升空和在航母上短距离舰的手段,滑橇起飞确实有效。于是,前苏联毅然放弃了已攻关多年的蒸汽弹射器的研究,在其新设计的“库兹涅佐夫”号大型航母的舰艏配置了向上翘起的滑橇式飞行甲板,从而成为世界上第一个不装弹射器而采用滑跳方式,解决常规喷气式战斗机在航母上起飞问题的国家。
  1991年,“库兹涅佐夫”号航空母舰加入俄罗斯海军现役,满载排水量6.75万吨。虽然它的飞行甲板长度比起其他中小型航空母舰来要长出许多(304.5米),但是由于它搭载的舰载机无论从吨位、个头还是机内设备都远远超出“鹞”或“海鹞”,人们对于滑橇甲板能否起降如此大吨位的固定翼飞机,最初是抱有疑虑的。试验结果打破了人们的疑虑,最大起飞重量19.7吨的“米格-29”,最大起飞重量16吨的“苏-25K”和最大起飞重量33吨的“苏-33”,都从“库兹涅佐夫”号航母上的95米和185米跑道上顺利实现滑橇起飞。尽管苏联海军解释说,这是由于“米格-29”和“苏-33”的性能优越,但不可否认,最关键的是滑橇甲板的贡献。
  
  弹射起飞与滑橇起飞的利弊分析
  
  大中型航母以弹射起飞为好
  大量的试验和作战实践证明,大中型航空母舰的舰载机(尤其是较大吨位的固定翼飞机),以弹射起飞方式更为有利。例如,满载排水量9万余吨(或超过10万吨,各舰不同)的美国“尼米兹”级核动力航空母舰,以及满载排水量近4万吨的法国“戴高乐”号核动力航空母舰,它们的舰载机几乎都采用弹射起飞方式。蒸汽弹射器弹射能量大、加速性好,能够在几十米的距离内,把舰载机从静止加速到离舰速度(约200~300千米/小时)。蒸汽弹射器由发射系统、蒸汽系统、拖索张紧系统、润滑及控制系统等部分组成。工作时,由锅炉产生高压蒸汽,将其储存在蒸汽室里;弹射前,拖索将舰载机钩在往复车上;当高压蒸汽充入汽缸筒后,蒸汽的巨大压力推动活塞,活塞带动往复车,往复车带动舰载机飞速向前滑动,从而将飞机弹射出去。美国“尼米兹”级航空母舰现装设的C-13型弹射器每分钟可弹射2架起飞重量达30吨左右的舰载机;夜间则因视线等原因,间隔时间延长到80秒钟。从50年代起、约半个世纪的飞行实践证明,蒸汽弹射器仍是大中型航空母舰上最为成熟的一种舰载机弹射装置。
  
  蒸汽弹射器的缺点相当明显
  首先,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,还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。
  其次,占据空间大。航空母舰分系统多、结构复杂,而蒸汽弹射器除了要在舱内留出设备位置外,还需要大型水箱来存放谈水(弹射1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。
  第三,需自制淡水。一艘大型航母上配备有80架左右的飞机和5000多名舰员和飞行员,每天的淡水消耗量相当惊人。如果不能及时从岸上或辅助船上补充水源,就必须自己制造淡水,而到目前为止,尚没有一种令人满意的高效、节能的淡水制造装置。因此,带蒸汽弹射器的航母的运行费用相当高,一般国家即使装备了航母也根本负担不起。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,可以满足需要。
  第四,密封要求高。蒸汽弹射器工艺复杂,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。
  为了克服蒸汽弹射器的缺陷,一些国家正在研究重量轻、效率高、能耗低的新型飞机弹射器,用以取代老式的蒸汽驱动的弹射器,来满足21世纪的下一代航空母舰的需要。
  
  小型航母以滑橇起飞为宜
  目前,除美、法两国航空母舰上采用弹射起飞方式外,其余7个拥有航空母舰的国家几乎都采用滑翘起飞方式。除了财力、物力的原因,更主要的是,这些国家的航空母舰除“库兹涅佐夫”号(舰长304.5米、满载排水量5.85万吨)外基本上是小型航母,满载排水量不超过3万吨,舰长也都在230米以内。有限的吨位、舰长、舰宽与甲板面积,使得这些航空母舰很难装设轨道长度较长、类似美国C-13型的蒸汽弹射器(C-13-0轨道长
度为80.77米,C-13-1和C-13-2轨道长度为99.07米)。实际上,目前世界上真正在技术和工艺上过关的蒸汽弹射器,只美国一家有;而要研制出轨道较短、功率较强的蒸汽弹射器,决非短期能够做到的。
  鉴于这种情况,中小国家海军只好效法英国和俄罗斯航空母舰,采用滑橇起飞技术以解燃眉之急。无庸置疑,在飞机的起飞重量和推重比相同的情况下,采用滑橇起飞方式比常规的水平增速滑跑升空方式,可以缩短滑跑距离2/3。当然,在航母上采用滑橇方式起飞,飞机出动频率不受弹射器功率和故障的影响,具有操作简单、安全性好等优点;取消了弹射器,还有助于简化航母设计、降低造价、节省训练和维修费用。可以说,采用滑橇起飞,是未来中小型航母发展的方向之一。
  
  滑橇起飞与生俱来的不足
  当然,滑橇起飞方式也有不少缺点。一是由于斜板曲率的存在,飞机在滑橇起飞过程中,起落架和机体的瞬间载荷及扭矩会增大很多,飞机所受的支反力有可能达到正常起飞重量的2倍。为此,飞机的起落架、机翼、机身等受力部分都需要重新设计,并做相应的加强。
  二是滑橇起飞所需的跑道长度要大干弹射起飞的长度——除非舰载机本身具备较好的短距起降能力。以“库兹涅佐夫”号大型航母为例,其2条起飞跑道交汇于舰艏的上翘部分。右舷一条起飞跑道的起点在岛式上层建筑的前方,总长约110米,减去上翘斜板的平直段只有50米左右,主要供垂直起降飞机、直升机和减轻了重量的固定翼战斗/攻击机使用。左舷一条起飞跑道的起点在着舰回收区内,全长约200米;如果不与着舰区相交,可利用的起飞跑道只有130米左右。
  “苏-27K”在地面正常起飞重量情况下的滑跑距离约为680米左右。利用舰艏带滑橇角的200米飞行甲板,在一般情况下可以离舰起飞,但在最大满载重量时却无法保证它安全升空,作战效能因之受限。另外,起飞与着舰的飞机有可能相互干扰,是这种航母较大的一条缺陷。“无敌”号等采用直通型甲板的轻型航母似乎也存在着类似的问题,但由于它们的舰载机多为“海鹞”式垂直/短距起降飞机,对着舰的影响不是太大。
  三是其他推重比不高的固定翼舰载机(如预警机、反潜机等),无法采用滑橇起飞方式。前苏联由于“库兹涅佐夫”号航母无法起降固定翼预警机,只好使用“卡-31”直升机作为舰载预警机,是迫不得已做出的选择。尽管前苏联后来设计并部分建造了第三代核动力航母“乌里扬诺夫斯克”号,并首次装备了平直甲板和蒸汽弹射器,从而可以起降固定翼预警机;该航母却又因为苏联解体、军费无着,被作为废钢拆毁出售而夭折。当然,推重比不高的固定翼舰载机在增大发动机功率后,也可以采用滑橇方式安全升空;但这势必增加油耗,严重影响飞机的航程和留空时间。
  四是滑橇起飞对发动机推力的要求相对较高;而海平面温度偏高使得发动机推力减小,舰载机要正常起飞就必须减重,使得执行任务的能力大打折扣。
  五是与弹射起飞相比,常规舰载机采用滑橇起飞需要有较大面积的“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。
  评论这张
 
阅读(607)| 评论(6)
推荐 转载

历史上的今天

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017