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谈飞机的舰载适用性

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本文原载于1997年7月的《Code One》杂志 翻译:无定河边骨

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海洋上的大浪、低温、强风、还有腐蚀性盐碱的侵蚀对于人员和机械来说是一个相当苛刻的环境。航空母舰和两栖攻击舰艇需要有坚强的力量和足够的尺寸来应对这样的工作条件。但是,飞机在这些舰船上的运作,却是一件依赖于策略性和灵活性的事情。尽管这些舰船是如此的庞大,但它们的甲板空间却是非常宝贵的,每架飞机都在和它所占据的空间进行竞争。

飞机在这种严酷环境下进行使用的有效程度被称之为舰载适用性。一架具备舰载适用性的飞机应当具有在昼、夜间所有气象条件下良好的弹射和着舰回收性能。它应该增强起落架和机体框架的强度并增加用于短距离起降的专用设备。它应该具有良好的甲板操作性能并兼容操作与维护设备。此外它还应该可靠耐用并且能够在有限的飞行甲板和机库甲板中方便地进行维修。
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当前美国海军的航空母舰都处于9万吨级排水量的级别,整体长度接近1,100英尺。它们有4台蒸汽弹射器用于飞机弹射。两台弹射器位于船首;另外两台位于航母舰桥附近的斜角甲板上。斜角甲板上的四道阻拦索用于回收飞机。对于紧急着舰有一道阻拦网可以用于快速应急。通常情况下航空母舰配置一个航空联队进行海上行动,包括七十六架固定翼飞机和六架直升机。

在携带指定任务挂载起飞以及携带指定回收挂载着舰时,舰载飞机必须满足特定的“甲板风”要求。在必要时,航空母舰必须用自己的航速来增大自然风速以达到弹射及回收飞机所要求的风速。满足舰载适用性的飞机应该最小化对这些数值的要求以提高航空母舰的战术灵活性。

 

进行弹射时,飞机在弹射器超过20万磅牵引力的拉动下获得足够的飞行速度。进行着舰时,着舰勾挂上一条阻拦索之后可以在350英尺内让飞机停下来。美国海军的航空母舰使用前起落架弹射系统和高强度的主起落架来应对弹射和着舰时产生的负载。机身结构本身必须承受的住接近每秒26英尺的下沉率,即飞机接触到甲板时的垂直速度分量。

美国海军的LHA和LHD两栖攻击舰大约有4万吨的排水量,820英尺长,要比美国海军的航空母舰小的多。这些L级的舰船载有6到8架具有短距离起飞、垂直降落能力的飞机和大约30架的直升机。

这些舰船是为支持多种方式的两栖攻击和作战部队及装备的快速运输而设计的。它们同时也向地面部队提供担负近距离空中支援任务的飞机。上述任务通常会同时进行,因此这些舰船相对较小的甲板必须得到有效的利用。甲板上的活动将会是非常的繁忙,固定翼的飞机要与CH-53“海上种马”直升机或者是CH-46“海上骑士”直升机竞争使用空间。

 

由于没有阻拦索和着舰勾,对于在这些舰船上使用的海军陆战队垂直起降飞机的强度要求要比航空母舰的舰载机小的多。但是,这些飞机的设计也必须要满足在恶劣海况下接近每秒15英尺下沉率的着舰要求。

当在L级两栖舰和海军航空母舰的平坦甲板上使用时,海军陆战队AV-8B“鹞”式战斗机的飞行员采用短距离起飞的方式。在起始阶段,飞机的刹车限制住发动机提速阶段飞机的移动。当松开刹车之后飞机将直接在加力状态下沿着甲板加速滑跑。当飞机获取到足够的速度之后,飞行员将飞机转入爬升及推力助升的综合模式开始起飞。尽管舰船最大的有效飞行甲板长度只有750英尺,但海军陆战队更喜欢在更短的空间内完成起飞,以便同时进行直升机的起降。

英国皇家海军拥有三艘“无敌”级航空母舰,称之为CVSG。该级航母的排水量大约为2万吨,总长度约为670英尺,要比美国航母和两栖攻击舰小的多。在海上行动时它们一般携带18架飞机,其中包括“海鹞”战斗机和一些直升机。CVSG最大能够携带24架飞机。

这种英国皇家海军舰艇飞行甲板的前端有一条150英尺长的“跃飞”斜坡。斜坡上升的高度和20度的脱离角度给飞机提供了一个向上的推力,可以增加数千磅的起飞负载。海鹞与美国海军陆战队使用的AV-8B鹞式战斗机一样,都是短距起飞、垂直降落的飞机。

 

无论是在L级的两栖攻击舰上,英国皇家海军的CVSG上,还是美国海军的航空母舰上,短距起飞、垂直降落的飞机在着舰时都是通过将机翼升力飞行状态改成喷口向下喷气的飞行状态进行垂直着舰的。这种飞行能力增加了飞机设计的复杂性,因为升力必须完全由发动机的推力来提供。理所当然地喷气的温度、速度以及噪音必须适合于舰船并且不至于危及飞行甲板上的工作人员。

甲板操作,或者详细说是飞机如何与飞行甲板及机库的活动相协调,是另外一项海上飞机所要具备的重要功能。在这些舰船上空间都是很拥挤的,机库中也只有有限的空间用于飞机维护。设计人员必须考虑到让整机外形的几何大小、起落架设计以及装备更换能够适用于这种狭小的空间。具备良好甲板操作性能的飞机尺寸上都很紧凑,并且重量较轻,经受得起恶劣海况下的颠簸,不妨碍甲板及相关设备的使用,易于进行加油和维修。这些性能将使之能够迅速为新的任务完成相关的准备工作。

高可靠性也是对舰载飞机的基本要求。毕竟在需要进行维护时,对应的机件要能够进行快速的修理,拆卸和更换。机载设备必须能够通过快速检修面板或者是直接通过起落架舱及武器舱进行维护。狭小的航母升降机和局促的机库需要轻量级的、紧促的飞机。飞机内部的辅助动力单元有助于减少对于“黄色装备”即电子、空调及发动机启动等专用车辆的需要。

在设计的初始阶段,结构工程人员在规划飞机的几何外形时就要考虑所有与舰载相关的约束条件。结构设计必须清除所有妨碍在最大在外挂载荷及最大控制面偏转条件下进行弹射起飞的因素。对于着舰及甲板操作的过程也是同样如此。但实际上舰载适用性的要求不是那么容易就能够满足的。任何一项尺寸的改变都要与其在其它方面产生的影响进行权衡。比如,机翼折叠的位置就会影响到机身内部载油量的大小(外部机翼不携带燃油),机翼挂架的布置,现场因素,以及维护过程中折叠及打开时对机库空间的要求。

空气动力学,性能,以及操作品质的工程人员要努力满足进行海上弹射及着舰回收时对于低速性能的需要。在接近航母的过程中飞机必须具备高度的飞行稳定性和敏捷性。由于任何一种新的舰载机都可能要在舰船上使用30年以上,其设计同样也要考虑到可扩展能力。

飞行驾驶系统的工程人员将综合飞行员的操作,飞机控制面产生的效果,以及发动机的响应来达成理想的操纵结果。他们将研究相关控制规律的计算算法并将其编写成为飞行控制计算机所使用的软件。

在整个系统中担当重任的计算机模型对机身几何、大量特性、空气动力学系数、推力效果、控制面偏转率及时间延迟、还有驾驶舱控制等众多因素进行综合计算。在进行真正的试飞之前这些因素将结合飞行员在飞行模拟器上的试验结果一道用于验证飞机的飞行特性。

设计单位及军方的试飞员使用这些模型进行弹射和着舰的任务飞行,并且加上了对航空母舰和舰船环境的模拟。模拟器包括了对来自岛屿和舰船运动所产生的湍流等各种海上状态的模拟。这种模拟有助于在飞行从航母或者是两栖攻击舰上进行弹射起飞之前确定飞机的设计是否具备良好的舰载适用性。

舰载机的设计是一项高难度的挑战。洛克希德·马丁公司将全力保证JSF的各种改型在美国海军航母、两栖攻击舰上和英国皇家海军CVSG上的使用能够应对这样的挑战。

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