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澳门娱乐场网址:沈飞专家谈舰载机研发细节:

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首页> 军事新闻> 中国军情> 沈飞专家谈舰载机研发细节:勿忽视航母尾流 来源:网络2013-01-01 11:22 hawk 分享到: 澳门娱乐场网址 1 澳门娱乐场网址 2 澳门娱乐场网址 3 澳门娱乐场网址 4 澳门娱乐场网址 5 澳门娱乐场网址 6

澳门娱乐场网址 7 资料图:歼15舰载战斗机

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  作为航母的打击手段,舰载战斗机是航母编队的重要组成部分,现代舰载航空兵力的发展表明舰上常规的战斗机(非垂直起降)可以提供防空战斗出航、打击海面和水下目标。美国、法国和前苏联已经研发了多种舰载飞机,它们可以分为两类:第一类是中型舰载机如米高扬的米格-29K、波音的F/A-18和达索的“阵风”M,它们的起飞重量在15~25吨之间;第二类是重型战斗机,即包括苏霍伊的苏-33和苏-27UB、诺斯罗普·格鲁门的F-14,它们的起飞重量在25~35吨之间。航母的甲板及甲板下的机库为中型飞机提供了更大的空间,但中型飞机的战斗载荷、作战半径和武器系统能力要逊色于重型舰载飞机。

资料图:试飞中的歼15舰载战斗机原型

  舰载机的独特性

作为航母的打击手段,舰载战斗机是航母编队的重要组成部分,现代舰载航空兵力的发展表明舰上常规的战斗机(非垂直起降)可以提供防空战斗出航、打击海面和水下目标。美国、法国和前苏联已经研发了多种舰载飞机,它们可以分为两类:第一类是中型舰载机如米高扬的米格-29K、波音的F/A-18和达索的“阵风”M,它们的起飞重量在15~25吨之间;第二类是重型战斗机,即包括苏霍伊的苏-33和苏-27UB、诺斯罗普·格鲁门的F-14,它们的起飞重量在25~35吨之间。航母的甲板及甲板下的机库为中型飞机提供了更大的空间,但中型飞机的战斗载荷、作战半径和武器系统能力要逊色于重型舰载飞机。

  航空母舰是一个尺寸有限的海上浮动平台,这就使在该平台上起降并存放的舰载机具有一些与陆基飞机不同的特殊设计要求和使用维护特点——即所谓机对舰的“舰载适配性”。

舰载机的独特性

  舰载战斗机与陆基战斗机的区别源于机舰适配性的设计需求和作战使用上的差异。舰载战斗机除了承担舰队防卫的作战使命之外,还要具有与陆基飞机对抗的能力,这就决定了其与陆基战斗机的设计约束有诸多不同。

航空母舰是一个尺寸有限的海上浮动平台,这就使在该平台上起降并存放的舰载机具有一些与陆基飞机不同的特殊设计要求和使用维护特点——即所谓机对舰的“舰载适配性”。

  舰载战斗机,包括机内系统,必须在几何、结构、气动力方面与弹射器及拦阻装置的使用相协调,以实现舰上几十米距离的滑跑起降。飞机携带实际作战载荷时的性能特性,必须能在母舰常规操作能力允许的速度范围内实现发射和拦阻。飞机必须是紧凑的,而且应能折叠得更小,必须具有与运动甲板相适应的起落架装置,必须能基本上在飞机自身投影面积内进行补给和维修,并且要求的外部保障设备最少。由于存在海水、蒸汽、烟囱烟气及飞机上油液的影响,飞机应避免使用某些材料和设计技术。此外,飞机还必须考虑自然风和排气喷流的影响。

舰载战斗机与陆基战斗机的区别源于机舰适配性的设计需求和作战使用上的差异。舰载战斗机除了承担舰队防卫的作战使命之外,还要具有与陆基飞机对抗的能力,这就决定了其与陆基战斗机的设计约束有诸多不同。

  起降场地的不同——浮动的机场

舰载战斗机,包括机内系统,必须在几何、结构、气动力方面与弹射器及拦阻装置的使用相协调,以实现舰上几十米距离的滑跑起降。飞机携带实际作战载荷时的性能特性,必须能在母舰常规操作能力允许的速度范围内实现发射和拦阻。飞机必须是紧凑的,而且应能折叠得更小,必须具有与运动甲板相适应的起落架装置,必须能基本上在飞机自身投影面积内进行补给和维修,并且要求的外部保障设备最少。由于存在海水、蒸汽、烟囱烟气及飞机上油液的影响,飞机应避免使用某些材料和设计技术。此外,飞机还必须考虑自然风和排气喷流的影响。

  说到舰载战斗机我们不妨先简单谈谈航空母舰。航空母舰出勤时是一个海上六自由度运动的平台,它不仅在海平面上做平面运动,而且在海浪的作用下还会产生纵向和横向的摇动以及升沉运动,航母上的大气紊流情况也比较复杂。除了陆地机场通常存在的大气紊流以外,由于航母庞大的舰体以及自身的运动还会在舰首产生上洗气流,并在舰尾处形成较强的公鸡尾状的尾流。另外还需要特别指出的是,航母虽然庞大,但是可供舰载机起飞、着舰的跑道长度是很有限的,目前世界上大型的航母甲板总长度也不过300多米,要求飞行员在各种天气、湍流、甲板运动等环境条件下,在飞机和拦阻装置的结构设计载荷内将飞机降落在100米的距离内。飞机降落时,横向偏离中心线超过3米或垂直误差超过2米就可能导致飞机的翼梢碰到甲板上的物体而损坏。此外,恶劣的海上气象条件、起伏不定的航母以及高密度的电磁环境都增加了舰上进场和降落的难度。

起降场地的不同——浮动的机场

  航母航空联队的几十架飞机要在只有陆上机场跑道十分之一面积的航空母舰上发射、回收、补给、维修,而且由于再次出动或战术态势等原因,这些工作又必须在极短时间内完成,这就需要对舰载飞机做比陆基飞机更多的工作。

说到舰载战斗机我们不妨先简单谈谈航空母舰。航空母舰出勤时是一个海上六自由度运动的平台,它不仅在海平面上做平面运动,而且在海浪的作用下还会产生纵向和横向的摇动以及升沉运动,航母上的大气紊流情况也比较复杂。除了陆地机场通常存在的大气紊流以外,由于航母庞大的舰体以及自身的运动还会在舰首产生上洗气流,并在舰尾处形成较强的公鸡尾状的尾流。另外还需要特别指出的是,航母虽然庞大,但是可供舰载机起飞、着舰的跑道长度是很有限的,目前世界上大型的航母甲板总长度也不过300多米,要求飞行员在各种天气、湍流、甲板运动等环境条件下,在飞机和拦阻装置的结构设计载荷内将飞机降落在100米的距离内。飞机降落时,横向偏离中心线超过3米或垂直误差超过2米就可能导致飞机的翼梢碰到甲板上的物体而损坏。此外,恶劣的海上气象条件、起伏不定的航母以及高密度的电磁环境都增加了舰上进场和降落的难度。

  起降方式的不同——无平漂着舰

航母航空联队的几十架飞机要在只有陆上机场跑道十分之一面积的航空母舰上发射、回收、补给、维修,而且由于再次出动或战术态势等原因,这些工作又必须在极短时间内完成,这就需要对舰载飞机做比陆基飞机更多的工作。

  由于航母着舰区长度的限制和舰载机着舰下滑过程中对下滑跟踪角和下滑航迹的严格控制,舰载机进近时采用的是定常下滑道/定常迎角(AOA)驾驶技术。在这种着舰方式下飞机着舰的下沉速度要比陆基飞机大得多,易引发撞击式着舰(也称硬着舰)。为了强制飞机在50~100米距离内迅速减速制动,需要通过安装在机体尾部下方经过特殊设计的拦阻挂钩,拉住横置于航母跑道甲板上的拦阻索,利用拦阻力来强行制动。着舰瞬间的撞击载荷、拦阻强制制动载荷的特点与陆基飞机着陆受载差异较大使得舰载机的起落架以及机体结构,特别是与起落架安装密切相关的结构都需要根据这些客观条件进行重新设计。通过以上介绍不难看出舰载机下滑着舰和舰上制动与陆基飞机平飘下滑着陆以及靠阻力伞和刹车制动有很大区别。

起降方式的不同——无平漂着舰

  飞机以比陆上大2.5~3倍的下沉率无平飘地着舰时,将通过起落架承受比陆上大6倍或更大的竖向载荷;拦阻钩与拦阻装置啮合时,飞机又将通过拦阻钩承受很大的轴向拦阻过载。轴向载荷都是反向的,而且施加于结构的不同点;而竖向载荷则不同于轴向载荷,需有单独的结构去承受。这些冲击载荷,以及飞机接地时机体中的反向惯性载荷,与作战飞机飞行时的机动过载是不同的。

由于航母着舰区长度的限制和舰载机着舰下滑过程中对下滑跟踪角和下滑航迹的严格控制,舰载机进近时采用的是定常下滑道/定常迎角(AOA)驾驶技术。在这种着舰方式下飞机着舰的下沉速度要比陆基飞机大得多,易引发撞击式着舰(也称硬着舰)。为了强制飞机在50~100米距离内迅速减速制动,需要通过安装在机体尾部下方经过特殊设计的拦阻挂钩,拉住横置于航母跑道甲板上的拦阻索,利用拦阻力来强行制动。着舰瞬间的撞击载荷、拦阻强制制动载荷的特点与陆基飞机着陆受载差异较大使得舰载机的起落架以及机体结构,特别是与起落架安装密切相关的结构都需要根据这些客观条件进行重新设计。通过以上介绍不难看出舰载机下滑着舰和舰上制动与陆基飞机平飘下滑着陆以及靠阻力伞和刹车制动有很大区别。

  舰载机的飞行员座舱必须尽量靠前,接近机头,并要比陆基飞机座舱高些。这是为了在等角下滑着舰时,飞行员能看见着舰航母的水线。

飞机以比陆上大2.5~3倍的下沉率无平飘地着舰时,将通过起落架承受比陆上大6倍或更大的竖向载荷;拦阻钩与拦阻装置啮合时,飞机又将通过拦阻钩承受很大的轴向拦阻过载。轴向载荷都是反向的,而且施加于结构的不同点;而竖向载荷则不同于轴向载荷,需有单独的结构去承受。这些冲击载荷,以及飞机接地时机体中的反向惯性载荷,与作战飞机飞行时的机动过载是不同的。

  几何特征要求不同——舰上调运存放

舰载机的飞行员座舱必须尽量靠前,接近机头,并要比陆基飞机座舱高些。这是为了在等角下滑着舰时,飞行员能看见着舰航母的水线。

  飞机的全长,以及折叠后机翼展长与尾翼展长的组合,受甲板空间及飞机在升降平台上机动要求的制约。飞机的外挂点必须在机翼折叠部位以内。飞机折叠后的高度应能通过机库大门,折叠过程中的高度应比机库高度低一定距离。战斗机不折叠时的机翼展长,应允许两机并排置于舰艏的几个弹射器上。考虑到飞机排气的热/声环境及飞机与喷流挡板的距离,应对机身长度及前起落架位置作适当调整。考虑到航母上的弹射器可能靠近甲板边缘,对飞机的主轮距应作限制。至于主起落架的位置及其与后机身/尾翼/外挂物长度之间的关系,则必须保证着舰时机头高抬或处于横滚姿态时,飞机机体与甲板及拦阻索有足够的间距。主轮到前轮的位置关系,以及飞机的重心,必须保证飞机在运动的甲板上运行时不后倒或侧翻。

几何特征要求不同——舰上调运存放

  在综合起落架布置、尾钩长度和位置、后机身和尾翼的构形时,必须避免突然来自拦阻索动态响应的损害,且应避免机头向下着舰或飞行中钩住拦阻索时,产生结构载荷的进一步恶化。机头的视界必须保证飞机下滑时飞行员能看到舰艉水线,必须保证飞机在甲板上运行安全。

飞机的全长,以及折叠后机翼展长与尾翼展长的组合,受甲板空间及飞机在升降平台上机动要求的制约。飞机的外挂点必须在机翼折叠部位以内。飞机折叠后的高度应能通过机库大门,折叠过程中的高度应比机库高度低一定距离。战斗机不折叠时的机翼展长,应允许两机并排置于舰艏的几个弹射器上。考虑到飞机排气的热/声环境及飞机与喷流挡板的距离,应对机身长度及前起落架位置作适当调整。考虑到航母上的弹射器可能靠近甲板边缘,对飞机的主轮距应作限制。至于主起落架的位置及其与后机身/尾翼/外挂物长度之间的关系,则必须保证着舰时机头高抬或处于横滚姿态时,飞机机体与甲板及拦阻索有足够的间距。主轮到前轮的位置关系,以及飞机的重心,必须保证飞机在运动的甲板上运行时不后倒或侧翻。

  使用环境的不同——海洋环境

在综合起落架布置、尾钩长度和位置、后机身和尾翼的构形时,必须避免突然来自拦阻索动态响应的损害,且应避免机头向下着舰或飞行中钩住拦阻索时,产生结构载荷的进一步恶化。机头的视界必须保证飞机下滑时飞行员能看到舰艉水线,必须保证飞机在甲板上运行安全。

  由于航母的可移动性,在许多情况下,它可能会遭遇几乎所有的天气和环境状况。例如,在北大西洋遭遇摄氏零下1℃的环境温度、35节(约64千米/时)的海风;在东京湾经历32℃、无风的状况并不少见。另外,海况会导致航母产生俯仰、倾斜以及1.5米的升沉,偶尔还会遇到云底高60米、能见度0.5海里(0.92千米)的恶劣天气状况。

使用环境的不同——海洋环境

  高海况、低温、强风和腐蚀性盐雾,为海上活动的人和机械制造了极其苛刻的环境。飞机以小速度进场时,对下滑轨迹的精确控制提出要求是十分必要的。通常飞机接地前,飞行员有20~30秒时间去面对一个垂直于下滑道方向的1.8~2.7米高的“窗口”,飞机必须以合适的速度和姿态去迎合这个随母舰作纵横摇动的“框”。为了做到这一点,飞机必须对姿态及飞行速度的调整具有精确快速的操纵响应;发动机必须对下滑道上的小油门变化做出快速响应;发动机还必须在复飞或逃逸时很快加速到全功率状态。

由于航母的可移动性,在许多情况下,它可能会遭遇几乎所有的天气和环境状况。例如,在北大西洋遭遇摄氏零下1℃的环境温度、35节(约64千米/时)的海风;在东京湾经历32℃、无风的状况并不少见。另外,海况会导致航母产生俯仰、倾斜以及1.5米的升沉,偶尔还会遇到云底高60米、能见度0.5海里(0.92千米)的恶劣天气状况。

  海上严重的腐蚀环境使常用的镁和铍等材料不再适用;和陆基的米格-23系列不同,为应付恶劣的海上环境,前苏联设计的舰载型米格-23A在结构选材上大量使用了重量轻、强度高的铝-锂合金,一些地方甚至还使用了钛合金材料。海上的湿气会侵入机体的蜂窝结构,限制了蜂窝结构在非重要部件和允许只作简单检查部位的应用。航母上高功率电子设备的密集分布会产生复杂的电磁环境,这对于未屏蔽的飞机电子设备,包括飞控系统中的要害部件、动力系统的操纵件、武器,都是很危险的。

高海况、低温、强风和腐蚀性盐雾,为海上活动的人和机械制造了极其苛刻的环境。飞机以小速度进场时,对下滑轨迹的精确控制提出要求是十分必要的。通常飞机接地前,飞行员有20~30秒时间去面对一个垂直于下滑道方向的1.8~2.7米高的“窗口”,飞机必须以合适的速度和姿态去迎合这个随母舰作纵横摇动的“框”。为了做到这一点,飞机必须对姿态及飞行速度的调整具有精确快速的操纵响应;发动机必须对下滑道上的小油门变化做出快速响应;发动机还必须在复飞或逃逸时很快加速到全功率状态。

  飞机上的子系统也必须考虑弹射/拦阻起降时施加在机体上的轴向和竖向过载。武器及航空电子部件应考虑减震。燃油系统应避免油液移动或在弹射时发动机缺油。座舱布置应考虑防止油门杆和驾驶杆损坏或无意中移动。为了提高子系统的使用能力,应尽量减少专用的支援设备和备件,因为母舰上可用的贮存空间有限。

海上严重的腐蚀环境使常用的镁和铍等材料不再适用;和陆基的米格-23系列不同,为应付恶劣的海上环境,前苏联设计的舰载型米格-23A在结构选材上大量使用了重量轻、强度高的铝-锂合金,一些地方甚至还使用了钛合金材料。海上的湿气会侵入机体的蜂窝结构,限制了蜂窝结构在非重要部件和允许只作简单检查部位的应用。航母上高功率电子设备的密集分布会产生复杂的电磁环境,这对于未屏蔽的飞机电子设备,包括飞控系统中的要害部件、动力系统的操纵件、武器,都是很危险的。

  如果不对航母的尾流及其对舰载机进近的影响加以简单讨论,对航母环境的描述就是不完整的。当飞机向航母进近时,扰动气流的水平和垂直分量会导致迎角和空速发生变化,使得飞行员难以精确控制AOA和下滑道。当进行飞机调整时,航母尾后气流的立即下降是需重点关注的。“漩涡”的位置和严重程度受航母的设计和使用因素影响,如航母的配平俯仰角、速度、相对风的方向和幅值以及海况。

飞机上的子系统也必须考虑弹射/拦阻起降时施加在机体上的轴向和竖向过载。武器及航空电子部件应考虑减震。燃油系统应避免油液移动或在弹射时发动机缺油。座舱布置应考虑防止油门杆和驾驶杆损坏或无意中移动。为了提高子系统的使用能力,应尽量减少专用的支援设备和备件,因为母舰上可用的贮存空间有限。

  鉴定程序不同——机舰适配海试

如果不对航母的尾流及其对舰载机进近的影响加以简单讨论,对航母环境的描述就是不完整的。当飞机向航母进近时,扰动气流的水平和垂直分量会导致迎角和空速发生变化,使得飞行员难以精确控制AOA和下滑道。当进行飞机调整时,航母尾后气流的立即下降是需重点关注的。“漩涡”的位置和严重程度受航母的设计和使用因素影响,如航母的配平俯仰角、速度、相对风的方向和幅值以及海况。

  舰载战斗机与陆基战斗机的不同还体现在其研制程序的不同,舰载战斗机除完成必需的陆基鉴定程序外,还应进行长期、复杂的海上试验——即机舰适配性海上测试,以考核飞机的机载系统和飞机结构在真实航母环境中的适应性。

鉴定程序不同——机舰适配海试

  以国外为例,美国海军机舰适配性试验一般由海军航空测试中心(NATC)来组织,以确定飞机在航母上起飞和回收的适配性。航母适配性测试包含了飞行员/飞机组合体与航母独特环境中的特种设备相融合的大部分内容。舰载机的适配性试验一般分为陆基试验(shorebased test)和舰基试验(shipbased test)。陆基试验是初步的调整试验,最终飞机能否满足舰载环境的使用要求需要舰基试验给出结论。试验一般分为:结构功能性试验、弹射试验和进近着陆试验。所有试验的基础是对航母及舰载工作环境的深入理解,包括舰面设施的布置和使用、舰尾气流对飞机的影响、甲板风(WOD)、温度对发动机工作的影响等。

舰载战斗机与陆基战斗机的不同还体现在其研制程序的不同,舰载战斗机除完成必需的陆基鉴定程序外,还应进行长期、复杂的海上试验——即机舰适配性海上测试,以考核飞机的机载系统和飞机结构在真实航母环境中的适应性。

  舰载机研制过程中,除了常规进行的静力试验、疲劳试验外,通常还需做与其着舰下沉率相当的全机坠落试验。

以国外为例,美国海军机舰适配性试验一般由海军航空测试中心(NATC)来组织,以确定飞机在航母上起飞和回收的适配性。航母适配性测试包含了飞行员/飞机组合体与航母独特环境中的特种设备相融合的大部分内容。舰载机的适配性试验一般分为陆基试验(shorebased test)和舰基试验(shipbased test)。陆基试验是初步的调整试验,最终飞机能否满足舰载环境的使用要求需要舰基试验给出结论。试验一般分为:结构功能性试验、弹射试验和进近着陆试验。所有试验的基础是对航母及舰载工作环境的深入理解,包括舰面设施的布置和使用、舰尾气流对飞机的影响、甲板风(WOD)、温度对发动机工作的影响等。

  总而言之,舰载战斗机与陆基战斗机的差别体现在其飞行终端即起飞和着舰阶段,其差别的产生是源于物理环境的不同,浮动的航母及弹射或滑跃起飞、拦阻着舰都造成舰载机的独特性。尽管空中飞行阶段陆基和舰载飞机的设计要求是相同的。但即使这样,也不能简单地将舰载战斗机和陆基战斗机看成是“表兄弟”或“堂兄弟”,两者之间还是存在许多本质差异的。相对陆基飞机而言,由于舰载战斗机具有独特的空压缩效应,舰载机从截获光学下滑道至触舰仅仅有40秒左右的时间,同时必须在着陆长度仅为陆基跑道长度1/10的航母上降落,这都对舰载机的设计和使用提出了更为苛刻的要求。 (作者系中航工业沈阳飞机设计研究所研究员)

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