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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(三)开启金手指ski-jump——跳吧鹞  

2011-08-02 12:00:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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舰载机那些事(三)开启金手指ski-jump——跳吧鹞 - 当头一砖 - 当头一砖的航空小屋舰载机那些事(三)开启金手指ski-jump——跳吧鹞 - 当头一砖 - 当头一砖的航空小屋 

 

60年代风靡一时的垂直起降飞机研发潮诞生了著名的鹞式战斗机,垂直梦想终于实用化了,只要有块25*15米大小的平地,就能出动战斗机,占地庞大的机场再也不是必须的了。60年代西方面对苏联在中欧边境超过5万辆装甲车,坦克的机械化部队,上万架战术飞机的压力下,对机场的防御和生存力颇为悲观,垂直起降飞机可以在很小的场地条件下提供抵抗的可能,所以倍受重视。但是,第一代垂直起降飞机虽然成功实现了安全的垂直起降,受制于动力设备的技术水平, 第一代垂直起降战斗机在垂直起飞状态下可以携带的载荷非常有限,鹞式战斗机当时如果携带两枚响尾蛇空空导弹,作战半径仅有98km,这个可怜的数据太让人难堪了,英国飞行员说:鹞如果垂直起飞的话,飞不过机场围墙。

初期的鹞,通常象正常飞机一样,滑跑6,700米才能起飞,这样才有足够的燃油和武器,能让它像一架普通的轻型飞机那样作战,只有在降落的时候,才偶尔利用垂直的能力,来个定点降落。这样一来,垂直起降的能力没有得到发挥,而飞机性能又受垂直起降被极大的限制。英国皇家海军更重视鹞式飞机的发展,在失去所有的大型舰队航母以后,英国皇家海军非常急迫的需要一种可靠的,低费用的,新的航空母舰体系。鹞这种对军舰要求低的特种飞机,非常符合降低军舰建造成本的需求,它对军舰的大小要求不高,英国研究过从3000吨到9000吨的驱逐舰上搭载3-6架飞机的方案,虽然鹞当时的任务载荷和航程都还比较差,但是这种模式显示海军舰队可以机动灵活的分散执行任务,用军舰的分散和接近战区来弥补部分航程上的缺陷,面对苏联的核舰队的战术核武器的战争模式,这种舰艇的生存力最强,而战斗力又远大于单纯的导弹舰艇。从舰队作战的原则来说,航空兵力最好还是集中使用更有效率,分散只是提高生存力的方式,小而集中,综合经济和作战威力以后的结果。鹞式飞机属于垂直起降技术的初级阶段, 光靠垂直起飞还是太不给力了,滑跑距离又太长,2万吨级的2战航母长度也不超过230米,在不利用弹射器的情况下,皇家海军只能完全凭借甲板风来缩短滑跑距离,在英国轻型航母能达到的最大航速25节风时,鹞利用它的短距起飞模式,最大只能提供10320kg的起飞重量,这个重量虽然还不令人满意,但已经比垂直状态高了一倍多,能够执行150km级的舰队防空任务和400km级的攻击任务了,达到海军使用的底线。

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但是,英国海军还有秘密武器,1966年开始,英国就开始秘密研究ski-jump的滑跃跳板对喷气式飞机的影响,这个创意来源于冬季运动会的高山跳台滑雪项目,ski-jump正是这个运动项目的名称。跳台滑雪者可以通过一小段加速,把自身运动速度提高到30km/h以上,通过跳板时,凭借速度和双腿的蹬推之力,最远可以跳出130米以上的距离,当时的奥运会,人类跳远纪录还没超过7米。是什么原因让没有翅膀的人类可以飞出上百米开外呢?被苹果砸到脑袋的牛顿告诉我们,是运动速度和惯性。在大洋西岸,美国人热衷于跳台飞车的表演,他们把一辆辆报废轿车并排,然后高速从跳台上飞越,以跳过多少辆车的记录为乐,纳斯卡大赛中还有专门的表演,较近的一个记录是101米的飞越记录。中国人比较熟悉的柯受良飞越黄河壶口瀑布也是同样的原理,当时车速最大达到120km/h,飞越距离大约92米。既然那些毫无飞行能力的人体,铁皮车都能在天上飞一小段,那么飞机呢?

 

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英国人在伯明翰附近的海军机场建造了两个实验台,一个6度,一个9度,调集了当时英国现役中主力的战斗机参与试飞,有海雌狐,海毒,塘鹅,空军的闪电,还有正在试飞的p1127.试验表明,与理论计算基本一致,几乎所有的飞机都在试验中表现良好,飞机在离开甲板后的深失速速度中没有发生任何偏转和俯仰,几乎所有的飞机都能从斜板上获得减小滑跑距离的好处,比例从17%到55%不等,表现最好的飞机是具有特殊短距起降能力的P1127,这是因为这种飞机具有推力矢量能力,可以在起飞过程中从推力中获得相当大部分的动力升力,大大降低了起飞速度,同时这种飞机也是参试飞机中推重比最大的飞机,滑跃飞行技术对飞机的推重比敏感,对飞机起飞速度敏感,P1127恰好在这两方面都满足需求。试验表明,斜板ski-jump技术对具有短距起降能力的飞机效果非常显著,推重比0.6的飞机使用9度斜板,滑跑距离仅需要正常滑跑的45%,推重比超过0.8的飞机使用12度斜板滑跑距离仅有正常滑跑的1/3。由于只使用自身动力起飞,斜板滑跃技术的起飞安全性要高于当时皇家方舟号上的蒸汽弹射器,飞机的起飞事故率仅受自身动力故障概率影响,而蒸汽弹射器起飞则会受到蒸汽弹射器故障因素的影响, 虽然当时的蒸汽弹射器故障率低至2-5起/万次,但截止到1972年,英国和美国因蒸汽弹射器引起的事故总计34起,占起飞事故类的1/3。很多人担心由于飞机离开甲板处于深失速速度范围区,飞机自身控制系统很难发挥效果,飞机完全靠惯性抛飞,飞机哪怕只有一点点姿态不正常,那么飞机起飞过程也将是很不安全的。为此,英国海军展开为期4年的摸底试飞,只使用GR1和GR3以及最初的P1127原型机,一方面用于探索斜板起飞的安全性,适航性方面的技术要点,另一方面也是为英国海军发展FGR1海鹞战斗机提供测试和指导。舰载机那些事(三)开启金手指ski-jump——跳吧鹞 - 当头一砖 - 当头一砖的航空小屋

通过试飞,英国获得以下的数据:

一 平甲板滑跑起飞的安全要求对军舰本身的纵摇角度有一定要求,在正3度负2度的许可工作范围内,鹞式飞机正常STO模式起飞速度150节,约合278km/h,当甲板风为20节时,飞机只需要自行加速到130节,在平甲板军舰上滑跑的安全速度下限是90节,此时,飞机将以6.5m/s^2的重力加速度下落,2.5秒以内飞机将下降50英尺(15,25米,飞行甲板距离海面高度),而这个时候飞机速度加速到刚刚足够起飞的速度130节,距离甲板大约500英尺(150米)。按照航母运作规范,在平甲板类军舰上使用,鹞式战斗机起飞速度必须大于最小允许速度3%,而最小允许速度又必须大于速度下限6%,因此,在20节甲板风的平甲板船上,鹞的最小起飞速度为95节,最小允许起飞速度为98节。由于军舰甲板高度下落时间仅有2.5秒,起飞时如果突发故障,飞行员必须在此时间内完成故障判断和后果分析,

 

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二 使用9度ski-jump斜板滑跃起飞,鹞式飞机离开甲板的末端速度下限是60节(111km/h),2.5秒以后飞机跃升至高度30米,速度110节,距离军舰90米,然后此时飞机升力还不足以起飞,飞机将有一段高度下降的过程,如果发动机持续加速,按照最高点的高度下滑到海平面需要6.5秒,飞机将加速到140节,距离母舰300米,其实加速到130节时飞机将会重新爬升,而不下降高度.如果在飞机离开甲板发动机出现故障,飞行员一共有9秒钟来判断飞机的状态和故障的危害性, 并进行跳伞的操作.显然,斜板起飞的安全度不仅能达到正常模式的水平,实际上还因为有较多时间处理故障,和考虑是否跳伞,安全度更高.

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三 和使用平甲板起飞的模式不同, 斜板ski-junmp 还有种特殊的安全可能,如果飞机在起飞过程中出现了故障,在飞机爬升到高点的时候,飞行员可以把飞机外挂的载荷抛弃,抛弃外挂以后飞机重量可以降低到8吨以下,飞机推重比迅速超过1,飞机可以只凭借动力系统的控制就能安全飞起来,并完成垂直降落。

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四 鹞式飞机标准战术任务载荷时(10350kg/GR3),借助20节甲板风,起飞距离450英尺(137米),使用STO模式起飞滑跑距离约360尺(110米),使用10度斜板,滑跑距离为300尺(90米),20度斜板为220尺67米,30度斜板为170尺52米。斜板角度缩减滑跑距离的百分比随角度的增加而增加,增加幅度和角度增加比例近似成平方根关系。根据图表分析,对鹞式飞机而言,斜板滑跃起飞效率最高的角度在15-20度之间,超过20度,斜板减小滑跑距离的能力降低,而飞机姿态角过大,可能会在飞出失速区后进入超过可控迎角范围。英国第一代斜板改装在轻型航母竞技神号上,角度为9度,而稍后专门建造的无敌号则选择了12度斜板,皇家方舟号出来时间较晚,则采用了14.5度的斜板,这其间时间跨度长达10年。英国在慢慢积累了飞行实践的经验以后才缓慢的放开斜板角度限制,提升斜板起飞性能。

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基于斜板滑跃这个现代航母跨时代的创新技术,英国在无法维持造价达到35亿英镑的CVA01航母的情况下,仅花费不到9亿英镑就获得了一只小型的有完整航空作战能力的新型航母舰队,这支舰队更机动灵活,费用更低廉,英国靠此赢得了英阿马岛战争。因为ski-junmp技术的发展,欧洲小型海军国家对鹞和其使用过的航母类型非常感兴趣,先后有意大利,西班牙,印度,泰国等都建造了类似的军舰,并且都采用了鹞式战斗机。

鹞式系统因为有ski-jump技术,迅速把扩展作战能力的重点放在如何利用ski-jump提高飞机有效载荷,这些载荷由油料和武器系统组成,从鹞GR1到GR9 ,罗罗公司的飞马发动机推力仅仅从9700kg上升到11900kg,增幅只有2吨,而飞机最大起飞重量从11340提高到15800kg,提高了4560kg,最大有效载荷从5.5吨提高到8.8吨。鹞从一个设备简单的轻型攻击机逐渐发展成为一种具有先进电子作战系统的多用途战斗机。它甚至超过了多年以后苏联设计的新一代超音速垂直起降飞机Yak-141,yak141有套推力强大的系统,有效载荷也不超过8吨。ski-jump让鹞上天堂,而苏联人的垂直系统则统统下了地狱。很少有哪一种飞机因为非航空系统的技术获得系统性发展的胜利,鹞和ski-jump的组合足以登上航空史,写下浓重的一笔。

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