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当头一砖的航空小屋

军事,航空,航母,沉迷于科技和力量的艺术

 
 
 

日志

 
 

舰载机那些事(插花)消散无踪的铁匠--yak38咏叹调  

2011-07-27 00:28:02|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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舰载机那些事(插花)消散无踪的铁匠--yak38咏叹调 - 当头一砖 - 当头一砖的航空小屋

 

苏联时代诞生了许多充满遗憾美的产物,满溢闪烁的智慧光芒,拥有某种超凡脱俗的特质,让人一见难忘。苏联海军在发展航空母舰方面一直犹疑不定,政治和技术双重壁垒压迫红海军的渴望,在传统战列巡洋的大舰思想下,苏联发展了一种被称为载机巡洋舰的庞然大物,拥有厚重的装甲,数万吨的排水量,上百枚长短防空导弹和巨大的远程反舰导弹,火力超过当时最强大的巡洋舰,除此之外还能携带30架以上的轻型飞机,提供有限的远洋防空和近岸攻击能力。这就是苏联红海军的主力战舰——基辅级航空巡洋舰。

苏联的航空巡洋舰和通常意义的航空母舰的区别在于,飞机只是军舰作战的附属物,而航空母舰则是依靠飞机作为主要作战武器。既然不是主力武器,苏联研究了一种特殊的边缘化的飞机配属在军舰上,这就是冷战时期褒贬不一的雅科福列夫yak-38式垂直起降战斗机,北约代号“铁匠”。yak-38是一种专门用于在有限长度跑道使用的垂直起降战斗机,和英国的鹞式飞机几乎诞生在同一时代,飞机尺度和重量基本相当,但是,鹞式飞机在英国的积极应用下名满天下,有异常出色的战斗成绩,有巨大的市场认可,它赢得了包括美国海军陆战队在内全球12个国家的青睐,生产数量超过500架。这在50年代以后的喷气战斗机时代,作为特种飞机生产批量最大的一种。yak-38默默地呆载铁幕之后,西方很少接触,偶尔在日本外海和挪威外海能被间谍飞机拍摄到,少量的飞机还曾经用于80年代初的阿富汗战争。

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yak-38是一种垂直起降的飞机,在60年代,西方和苏联尝试了各种动力类型的垂直起降类型,鉴于当时发动机水平限制,垂直起降的性能受动力类性影响非常大,英国的鹞选择了单一发动机推力转向的模式,而苏联则采用升力发动机加升力/巡航发动机组合。英国人的选择风险较大,必须为飞机单独开发一种特殊的高推重比的发动机,当时不开加力的发动机推重比大多仅为3一级,而垂直起降的门槛至少需要达到5以上,飞马发动机特殊的4分叉盆口又属于异型流场,本身推力损失颇大,发动机设计和制造难度异常大,它相当于在60年代制造出相当于三代机使用的推重比8一级的发动机。苏联发动机制造和设计技术这一时期仅为4,加力发动机推比也刚刚超过6,如果走英国的技术途径,是无法达到应用要求的,因此,雅克设计局采用较为保守的升力发动及加升力巡航发动及的组合,专用的短寿命升力发动机在50年代就有成品出现, 由于结构简单,工作环境单一,寿命要求低,发动机推重比都很高,罗罗公司50年代推出的升力发动机RB-108推重比就超过了9,而后研制的RB162最大推重比超过了16,苏联设计的RD36系列升力发动及推重比也达到可观的14.4,而巡航发动机则只有4.37。两台RD36升力发动机加一台R-27V-300升力巡航发动机可以产生11700kg的推力,而总重量仅有1754kg,垂直起降状态整个动力组合推重比为6.67。同一时期,英国鹞的飞马发动机在垂直起飞状态勉强超过6(仅有15秒的推力状态),到90年代的11-61发动机才实现10624kg推力,1796kg的重量,推重比达到6.02。而80年代中期yak-38M配置的动力系统已经达到13200kg的推力,动力组合重量不超过1900Kg,推重比超过7。

数据可以很清楚地告诉我们,苏联选择的发展路线垂直起飞性能比英国的鹞要好,事实也是如此,雅克38和鹞GR1在空重基本相等的情况下,垂直起飞重量分别为10300kg和8450kg,实际应用中yak38垂直起飞重量常常为9800-10000kg,而鹞则限制在7700kg。垂直起飞作战半径方面,雅克38携带两枚近程空空导弹,作战半径195km,而鹞同样条件仅有98km。

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尽管垂直起飞能力方面,yak38以较低的技术水平反超鹞,但实际应用方面,yak38则远远落后于鹞。第一代的鹞GR1,GR3,FGR1尽管垂直起飞降落方面不近人意,但却被英国海军英国空军积极应用,鹞很快就发展成为一种现代化的轻型攻击机,机身结构上大量采用先进的钛合金,铝锂合金,碳纤维复合材料等,在飞机动力系统重量重于苏联的情况下,飞机空重反而更轻,鹞GR3空重仅6140kg,而yak38则达到7000kg,鹞有普通状态起飞CTO,短距起飞STO,垂直起飞VTO三种状态,其中CTO和STO状态起飞重量基本相同,可达11340KG,而yak38则同样有三种类似的飞行状态,不过yak38的STO状态比较特殊,因为他的前升力发动机的安装角度接近垂直,喷口可调角度范围有限,STO状态时升力发动机向后倾斜20度,升力巡航发动机需要给提供的抬头力矩配平,因此不能再产生最大升力和推力效率的角度工作,需要向下偏65度,可以说鹞的STO状态大部分升力主要来源于机翼,而yak38则大部分来自于动力。很显然,机翼提供的升力可以提升动力系统以外的载荷,幅度越大,飞机就从中获得越大的效益,yak38的STO可以提供11300kg的最大起飞重量,而鹞STO还要稍微大一点,达到11340kg,如果考虑两者垂直起飞能力和sto起飞能力的差值,STO只带给yak38大约1000kg的额外载荷,而鹞则达到了3050kg。直接从表面数据而言,鹞的STO的效率显然更显著,但这个数据并不公平, yak38非常刻板的以苏联在基辅级上设定的工作环境使用,这时的STO状态仅仅采用滑跑90米120米这两种滑跑方式,这两种方式前者可以产生约90km/h的末端速度,而后者则能达到130km/h的速度,即便是130km/h的速度,也仅仅能让机翼产生满足起飞升力要求1/6左右,而鹞的STO模式滑跑距离达到305米,末端速度达到240km/h以上,机翼可以提供飞机升力超过85%。没有直接的数据表明yak38在300米左右的距离上以STO模式能提供什么样的载荷能力,理论计算大约能支持13600kg的起飞重量,但这没有意义,苏联的基辅号载机巡洋舰斜角甲板仅有200米的长度,能提供飞机滑跑的距离不超过150米。

随着时间的流逝,我们现在知道yak38和鹞相比,几乎等同于完全失败,yak38的失败恰好来源于上列不公平的STO相关的性能。回顾过去的应用历史,我们发现鹞和yak38都主要用于舰载,但是不同的应用观念导致两者截然不同的表现和发展前途。英国在失去大型现代化航母以后,也建造了号称载机巡洋舰的东西,和苏联不同,他们把主要的作战力量仍然放在尚显稚嫩的鹞式战斗机上,很显然,这是彻头彻尾的航空母舰的设计和应用方式,英国人让军舰尽量满足飞机的性能发挥,他们应用了三个很重要的手段,一是尽量让飞机滑跑尽可能长的距离,在轻型航母竞技神号上,鹞式飞机可以在230米的距离上滑跑起飞,无敌号上也有160米以上的滑跑距离。二是采用二战期间利用的老办法,尽量借助甲板风,鹞的STO模式中飞机机翼的升力是主要的部分,这需要飞机加速到接近起飞空速,如果军舰航速比较快的话,可以让飞机借用军舰速度产生的风速,形成飞机实际的空速,比如甲板风为25节时,鹞式飞机滑跑距离缩短1/3。第三项技术是一个了不起的创新,SKI-jump滑跃跳板地出现是航空母舰史上一次新的革命,滑跃跳板只是一个简单的物理惯性抛射想象,它利用物体运动的速度通过一个斜角,把物体抛离地面一段距离,这时不可逆的牛顿力学真理,铅球都可以通过这样的斜板飞个几百米砸死些花花草草,飞机可以把这段抛飞的距离当作一段虚拟的跑道,用于起飞的最后阶段的滑跑,尽管他们已经在天上了。显然,ski-jump也对速度敏感,它特别适合鹞式这样依靠起飞速度的系统。

真正的差距出现在第二代的鹞和yak38m系统,第二代鹞发动机推力增加了不到1000kg的推力,飞机空重也增加到7000kg,但是结合上面三种应用技术手段,最大飞行重量达到14600kg,而yak38m推力增加了2000kg,飞机空重仅增加了700kg,达到7700kg,但最大起飞重量仅仅增加1000kg,达到12500kg。如果说第一代垂直起降系统与鹞差距还不算太明显,到了第二代,一架鹞的作战效能几乎可达到5架yak38的总合。

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什么原因造成这样的差距,很长的时间以来,大多数人认为这是两种不同的垂直起飞系统间天生的差距,事实是这样的吗?答案是否定的,习惯的传统看法并不正确,雅克的失败并不来源于其技术平平台的劣势,恰恰相反,他们没有合理利用自身平台的优势和潜力才是原因之一。用数学的方法分析一下yak38的平台如何才能更好的利用自身优势和发挥平台性能。在STO状态下,yak38的动力组合可以分解到水平加速的推力7330kg,垂直方向动力升力7940kg,在STO状态,yak38滑行120米,飞机加速到110km/h以上,飞机机翼仅产生了3360KG的升力,仅占飞机所需总升力的29.7%,显然飞机机翼没有获得足够速度来产生更大的升力,雅克38起飞速度大约在240-260km/h之间,如果能让滑跑速度达到起飞速度的70%,比如130km/h那么机翼系统能产生约5700kg的升力,可以让13600kg的总重量离开地面,这个起飞重量可以满足雅克38携带2枚空空导弹作战半径超过1000km或者携带6枚250kg炸弹作战半径超过700km,这个数据即便第二代鹞也不过如此。那么13600kg的重量需要多远的滑跑距离?答案是280米,看上去这个数据快要超过航母长度了,别急,别忘了甲板风,25节的航速带来的甲板风有46km/h,飞机实际加速速度达到84km/h就能实现了。???84km/h这不是实际上比雅克38真正达到的速度还低?是的,试验表明雅克38的动力STO模式对一定幅度的重量增加不太敏感,但为何yak38没有能从中获益呢?有多方面的原因。一是苏联在设计这种模式的时候动力系统的真实推力有一定损耗,加上推力对温度湿度敏感,需要预留较大幅度的安全余度,苏联人为了让甲板操作人员不必每次都检查发动机的真实推力,可以容忍发动机真实推力与实际推力相差6%。所以,非常有趣的事情是苏联人在雅克38手册上对STO模式2-90米滑跑标注的起飞重量都是一样的,120米距离上的滑跑也仅仅允许多装500kg而已。第二个原因是雅克38的飞机空气动力学设计非常简单,没有考虑什么过多低速控制能力,飞行员在STO状态下实际上是没有操作空气动力面,而是完全操作动力系统,一旦气动升力比例加大,那么控制需要的功率势必大幅度增加,这对雅克38简单的分立飞行控制系统来说难度颇大。第三,雅克38设计时考虑了非常多的飞行姿态控制和飞行安全,他的STO模式和VTO模式时,飞机姿态接近水平,飞机滑跑起飞时最佳迎角通常是11-12度,这个角度已经进入雅克38自动弹射的弹射迎角范围。要调整这个姿态角,则需要完全重新调整动力升力系统的控制平衡。第四,不允许使用较大迎角的影响还迫使苏联无视英国伟大的ski-jump的创举,14.5度的滑跃跳板可以让飞机加速到140m/h以上就能安全起飞,并不需要什么特别STO模式,而如果采用STO模式,这个速度还可以低到90KM/h,鹞式飞机的动力系统对迎角变化不敏感,因此获益非常大,在进化过程中,他们把滑跑距离压缩到130米以内,同时起飞重量增加到15吨级别。

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同样愚蠢的问题还继续在雅克的下一代垂直起降飞机上存在并且毫无改变。新一代的雅克141飞机仍然采用相同的模式,在拥有极其强大的垂直升力系统的情况下,获得相当弱小的性能,尽管这些性能在80年代末创造了9项世界纪录。雅克141垂直动力系统一共能提供18200kg的垂直推力,能够让17700kg的飞机正常起降。而现在最先进的F-35B的垂直推力也仅达到19吨左右,但是f35B的起飞重量超过25吨,而雅克141只能达到19.8吨。这中间的差别主要在于苏联人要飞机垂直起飞,而美国人只需要飞机垂直降落而已。雅克垂直起降飞机是技术的胜利,设计思想的悲剧。

当前的技术条件,雅克的模式还是有相当的研究价值,即便是雅克38飞机本身也还有存在的意义,近10年国际上流行近岸作战,两栖战舰成为热点,西方国家可以在每艘两栖登陆舰上配置6架AV-8B鹞式战斗机,既能起到轻型制海的作用,又能为近岸作战提供一个延伸的航空支援打击手段,雅克38尽管作战性能逊色于AV-8B,但仍然适合这类任务,2.8万吨级的两栖舰可以在搭载20架中型直升机情况下再搭载10架雅克38,可以形成相当强大的对岸兵力投递能力。当然这样的设想只能随风飘散了,自91年苏联解体,所有的yak38全部被放弃,超过200架雅克38被废弃在前苏联的那些海军机场里,长达20年的时间里缺乏维护和保养,已经变成一堆废铜烂铝。而老对手鹞,仍然在飞行在大洋之上。

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