航空母舰升降装置是如何发展的?
如同现代大型商场既有载客电梯,也有专门用于载货的电梯——货梯一样,航空母舰上也有专门用于在飞行甲板和机库之间搬运飞机的电梯,这就是升降机。根据所处位置不同,升降机可分为舷内升降机和舷侧升降机两种。 航空母舰诞生之初,在水上飞机母舰上装备有吊车,其作用是:当水上飞机在水上起飞时,将其放入海上,当水上飞机在海上溅落时,将其从水上吊上舰,当然,也要负责将水上飞机吊进吊出机库。连通机库甲板和飞行甲板的开口叫做升降口。 当舰载机可以直接在飞行甲板上降落后,人们便废除了吊车,在升降口安装了升降平台,用于运送飞机,人们把这种升降平台称作升降机。最初,升降口就开在飞行甲板上,升降机上升时是飞行甲板的一...全部
如同现代大型商场既有载客电梯,也有专门用于载货的电梯——货梯一样,航空母舰上也有专门用于在飞行甲板和机库之间搬运飞机的电梯,这就是升降机。根据所处位置不同,升降机可分为舷内升降机和舷侧升降机两种。
航空母舰诞生之初,在水上飞机母舰上装备有吊车,其作用是:当水上飞机在水上起飞时,将其放入海上,当水上飞机在海上溅落时,将其从水上吊上舰,当然,也要负责将水上飞机吊进吊出机库。连通机库甲板和飞行甲板的开口叫做升降口。
当舰载机可以直接在飞行甲板上降落后,人们便废除了吊车,在升降口安装了升降平台,用于运送飞机,人们把这种升降平台称作升降机。最初,升降口就开在飞行甲板上,升降机上升时是飞行甲板的一部分,下降时则为机库甲板的一部分。
美国“兰利”号航空母舰装了一部升降机,在飞行甲板的中部,结果不够用。在改造“列克星敦”号时,人们便装了两部,一部靠前,一部靠后,分别叫做前部升降机和尾部升降机。尾部升降机管起飞,负责将飞机从机库提升到飞行甲板;前部升降机管降落,负责将需要维修和不准备重飞的飞机送回到机库。
这样做的好处是,飞机在飞行甲板上的运行距离短,从而加快了飞机就位或送回机库的速度。舷部升降机出现之前,升降机大多布置在飞行甲板的中间,当飞机起飞时准备或降落时,升降机全得停止工作,要升起来和飞行甲板齐平,以保持甲板平整,保证飞行安全。
因此,将升降机从中部挪到舷边,使飞机运送和飞机起降互不矛盾成为升降机设计的一个重要要求。所以,在第二次世界大战前夕设计研制的埃塞克斯级航空母舰就开始在舷部安装了升降机。现代航空母舰的升降机都安排在两舷。
在作战中提高飞机的运载能力,对于保障飞机及时出动遂行任务具有重要的作用,所以人们一是采取措施提高升降机的运行速度,使升降机运行一次一般只需要几十秒钟的时间,同时,增加升降机的台数,如加装中部升降机,让它肩负双重使命,既帮尾部升降机的忙,把机库里的飞机提升到飞行甲板;又为前部升降机出力,把降落在飞行甲板上的飞机送回到机库。
所以,一艘大型航空母舰有 4部升降机。一部升降机到底能同时运送几架舰载机呢?其实这是不确定的。航空母舰上的升降机一次能够运载飞机的架数取决于升降机的大小,而升降机的大小又取于航空母舰所载飞机的数量。
一般来说,轻型航空母舰的升降机一般以一次载1架飞机考虑,提升能力在20吨以内,釆用舷内式;而中、大型航母的升降机则采用舷侧式,一次以载2架飞机考虑,提升能力一般在40吨左右。美国航空母舰升降机的提升能力则达到了58。
9吨,在1分钟内可将飞机从机库甲板提升到飞行甲板或从飞行甲板下降到机库甲板,其垂向行程为11米,经过相当于4层甲板舱室的高度。航空母舰升降机的设计分舷内式和舷侧式,舷内式升降机通常设置于飞行甲板中线处或其附近,其开口周围的甲板加强结构比较简单,也较轻便,适合轻型航母釆用。
如英国航空母舰的升降机即是釆用这种设计结构的,而舷侧式升降机’ 通常设置于飞行甲板的舷边,其开口处需解决张出的悬臂结构问题,难度很大,重量较重,只能在中、大型航母上采用。如美国现役航空母舰的升降机基本全部釆用这种结构。
尽管舷内式升降机结构比较简单,但是舷侧式升降机的优点是舷内式所无法比拟的。首先是舷内式升降机在飞行甲板的正中或附近开有大口,不仅影响整个飞行甲板及舰体的强度,而且一旦升降机发生故障,又不停在飞行甲板平面时,飞行甲板中部就会形成一个大坑,势必影响到舰载机的正常起降和移动;其次是舷内式升降机开口的四边是封闭式的,没有机动的余地,开口的尺寸必须大于飞机折叠后的机身长度和宽度,才能将飞机通过开口送出,一旦新一代的舰载机尺寸变大,就无法适应。
而舷侧式升降机的甲板开口只有三边是固定的,而另一边是开放式的,即使是所要运送的飞机机身稍长,超过了升降机平台的尺寸,其机身可在“开放”的这一边伸出舷外,反正只要在宽度和高度方向上不大于机库舷侧的开口即可,稍长一些的飞机仍可顺利进入。
这样,舷侧式升降机对不同长度的舰载机适应性较强,没有更多的限制。海战场瞬息万变,发现目标要求起飞舰载机快速出动,把握战机对敌实施迅速有力的打击。当发现敌机来袭时,要求舰载机迅速起飞迎敌。因此,舰载机能否及时高效地起飞直接影响航空母舰的作战能力的形成。
在航空母舰的发展过程中,人们不断探索研究舰载机在航空母舰上的起飞技术和方式,受各国航空母舰建设水平和舰载机技术发展水平的影响,产生了不同的起飞方式。从航空母舰诞生至今,舰载机所采用过的起飞有自主起飞、垂直起飞、滑跃起飞和弹射起飞四种。
自主起飞类似于陆基飞机的起飞方式,飞机滑行移动到飞行甲板的起飞位置上就位刹车,把油门加大到起飞位置上并松开刹车,飞机依靠自身的动力沿飞行甲板跑道加速起飞,达到起飞速度时,飞行员驾驶飞机自主离舰。
这种起飞方式主要用于重量轻、起飞滑行距离短的螺旋桨式舰载机。如美国的第一艘航空母舰 “兰利”号上的舰载机就釆用这种方式起飞。垂直起飞是垂直起降式战斗机特有的起飞方式。垂直起降式战斗机利用发动机喷口转向技术,在起飞时使发动机喷口朝下,提供飞机起飞所需要的升力,从而实现垂直起飞。
如英国的鹞式战斗机就是采用这种起飞方式。
除此之外,还有一种装备有专用升力动力装置的垂直起降飞机,它除了装有喷口向后的主发动机外,还装有喷口向下的升力发动机。不管釆用哪种技术手段,垂直起降式飞机的共同特点是利用发动机的推力提供升力。
由于实现了不需要滑跑就能起飞,垂直起降式舰载机具有以下两个显著的优点:一是对起降范围要求小,在航空母舰局部受损情况下仍然可以起降。二是垂直起降飞机降落和着舰比普通飞机更为简单和安全,在夜间和恶劣天气条件下也是如此。
当然,垂直起降飞机也存在着重要缺陷:一是动力喷口转向装置增加了飞机的额外重量。二是由于起飞阶段要消耗大量的燃油,因此垂直起降飞机通常挂载能力较小,作战半径较小,综合作战能力低。滑跃起飞是指舰载机依靠自身发动机的推力先在航空母舰的飞行甲板跑道上加速滑跑,然后经由航母滑跳式甲板使舰载机在离舰瞬间被赋予一定航迹倾斜角和向上的垂直分速度,使舰载机跃入空中,实现离舰起飞的方法。
滑跃起飞技术是20世纪70年代中期由英国海军军官道格拉斯•泰勒首先发明的,该技术最先应用于英国“无敌”级航空母舰上,以提高“海鹞”式垂直起降舰载机的起飞重量、载弹量和作战半径等能力。目前采用滑跃起飞技术的国家有英国、俄罗斯、法国、西班牙、意大利、印度、泰国等。
相对弹射起飞方式,滑跃式起飞对舰载机的结构要求相对简单,综合费用较低。这种方式既省去了舰载机相应的弹射结构重量,又可以省去航空母舰上的弹射器装置,提高了可靠性。与平面甲板滑跑起飞方式相比,滑跃式起飞大大缩短了舰载机起飞的滑跑距离,增加了有效载荷。
例如,苏-33战斗机采用滑跃式起飞时所需要的跑道距离仅为平直跑道的3/10。但是滑跃式起飞也有一些缺点:一是滑跃起飞时,飞机发动机需要加力,油耗加大,从而导致舰载机的留空时间减少。二是滑跃式起飞时飞机离舰初速度较低,飞机的有效载荷减少,武器外挂能力受限。
三是滑跃式起飞时所用时间较长,故导致航母甲板的利用率降低,影响飞机起飞效率。现在世界上只有美国、法国和巴西三国家海军装备弹射起飞型航空母舰,其余六个国家海军装备的均为滑跃起飞型航空母舰,占绝对多数。
由于航空母舰釆用滑跃起飞设计中斜板技术难度小,风险低,费用少,结构简单,虽然其对航空母舰的综合作战能力有所制约,但在大幅降低航空母舰技术门槛和全寿期成本的同时,仍使它具备应有的完整功能,从而仍然被多数初步发展航空母舰的国家所接受。
国外现役滑跃起飞型航空母舰在滑跃起飞斜板与舰艏甲板的结构布局方面存在两种类型:一种是以俄罗斯为代表的整体结构,即滑跃起飞斜板的宽度占据了整个舰艏甲板宽度,如俄罗斯的“库兹浬佐夫”号、印度的“维克拉姆蒂亚”号和“维克兰特”号;另一种是以西欧国家为代表的滑跃平台结构,即滑跃起飞斜板只占舰艏甲板的部分宽度,从外观看更像是在舰艏平甲板上直接安装一座滑跃起飞平台,如英国的“无敌”级和“伊丽莎白女王”级、意大利的“加富尔”号。
这两种结构布局有着各自的优缺点,主要表现在起飞跑道数量和飞行甲板停机位数量的此消彼长上。前者由于滑跃斜板宽度较大,可设两条起飞跑道,提高了飞机的出动速率。
但舰艏甲板也因此无法停放舰载机,减少了飞行甲板可停放舰载机的数量,从而导致一个波次舰载机的出动数量相对减少。
后者则正好相反,由于滑跃斜板宽度有限,一般只能设置1条起飞跑道,影响了舰载机的出动率。不过舰艏甲板右侧因此可设停机位,增加了飞行甲板停放舰载机的数量。滑跃式起飞对航空母舰的总体设计要求相对简单,容易实现,但对舰载机却有一些特殊的要求。
一是要求舰载机具有较大的推重比。推重比是指舰载机发动机的工作推力和舰载机总体重力的比值,它是滑跃式起飞的必要条件。推重比的大小决定了舰载机的自主加速性能。推重比大的舰载机增速快、增升更快。此外,大的推重比在滑跃起飞中产生垂直方向的动量也大,从而使舰载机离舰时具有更好的向上冲量。
如俄罗斯的米格-29K舰载机的涡轮喷气发动机推重比达1。 1;苏-33单台发动机的最大加力推力达到128千牛,在航空母舰上起飞的最大重量达到26吨,最大有效载荷达到8吨左右。二是要求舰载机具有较大的升阻比。
升阻比反映了舰载机的气动力效率,在相同推重比条件下,升阻比大的舰载机增升效率高、增升幅度大。换句话说,相同推重比时,升阻比大的舰载机在滑跑时能得到更大的升力,从而更容易使舰载机离舰起飞。但是,通常情况下提高升阻比在得到了增升效率的同时,却在一定程度上牺牲了舰载机的加速性能。
因而这两方面是需要综合权衡的。三是要求舰载机具有非常优秀的可操控性。在滑跃起飞中,离坡速度大大低于舰载机在水平起飞方式中的离舰速度,通常还小于舰载机的最小平飞速度,而舰载机本身的增稳能力及可操控性是有一定限度的,过小的离坡速度将导致舰载机不可操控而坠毁。
舰载机的最小速度控制非常重要,需要依靠多种技术改善、提高最小速度时的飞行品质。例如,俄罗斯的苏-33重型舰载机就加装了可动前翼,以增加飞行控制中的俯仰控制能力;另外还增加了外翼副翼,提高飞机的横侧操纵效率。
四是要求舰载机具有支撑力更强的起落架。舰载机在滑跃起飞过程中,飞机所受的支反力随甲板斜角曲率、起飞速度、起飞重量增长而增长。对于斜角为12度左右的甲板,支反力可达到正常起飞重量的2倍。因此,起落架支柱的压缩速率不足将会引起缓冲阻尼不正常变化,从而影响舰载机的安全起飞。
另一方面,舰载机的两个主轮在斜板上滑跑时的摩擦阻力不同可能引起方向偏转,并且两起落架缓冲支柱的伸张长度如果出现差异,将引起起飞横侧不平衡,这些情况都会造成滑跃起飞离舰时纵向和横侧的失衡,严重时会造成翼尖失速,引发事故。
因此,对滑跃起飞的舰载机,其起落架系统必须要进行特殊的设计。除了舰载机自身的因素外,航空母舰的纵摇与升沉、滑跃平台的曲面设计,以及周围环境温度等因素也会对舰载机的滑跃起飞造成不同程度的影响。例如高温情况下舰载机发动机的可用功率就会明显降低。
总之,滑跃式起飞对航空母舰的设计要求减少了,但对舰载机的要求却增加了。这种选择带来的好处前面已经谈到,不再复述。它带来的不足是由于对舰载机的特殊要求,从而相对弱化了舰载机在其他装备系统上的能力,或者使得有些飞机难以上舰。
比如使用滑跃式起飞方式时,大型预警机就无法上舰,从而削弱了航空母舰编队的预警指挥能力,最终导致航空母舰编队整体作战能力的降低。弹射起飞是指舰载机除了使用自身的动力外,还在加速滑跑期间利用航空母舰上的飞机弹射器对其施加外力,使舰载机在较短距离内迅速增速到起飞速度并离舰,然后依靠自身的动力继续爬升并向前飞行。
依据舰载机与滑块的联结方法,弹射起飞又可分为拖索式弹射和前轮牵引式弹射。拖索式弹射是指甲板人员先用钢质拖索把舰载机挂在弹射器的滑块上,然后再用一根索引式释放杆把其尾部与弹射器后端固定住。弹射时,猛力前冲的滑块拉断索引释放杆上的定力拉断栓,牵着舰载机沿轨道迅速加速,在轨道末端把舰载机加速到起飞速度抛离甲板,拖索从舰载机上脱落,滑块返回弹射器起点,准备下一次弹射。
前轮牵引式弹射是指舰载机前轮直接挂在弹射器滑块上,弹射时由滑块直接拉动舰载机加速起飞。与拖索式弹射相比,这种弹射方式的特点是可减少甲板工作人员,缩短了弹射时间,舰载机的方向性好,但舰载机前轮要专门设计。
目前美国海军的舰载机都采用前轮牵引式弹射起飞方式。弹射起飞具有以下主要特点:一是通用性好,适应范围广。一般而言,现在战斗机、还是E-2这样的中型预警机都可通过弹射器的弹射离舰起飞。二是效率高,能够在短时间内弹射多架舰载机起飞作战。
如美国尼米兹级航空母舰上配置的4台C-13弹射器,在同时工作时,可使起飞间隔仅为15秒。三是弹射器技术实现难度大。目前世界上仅有很少的公司能设计制造弹射器。苏联曾花十几年时间研制开发研制弹射器,后因技术原因未果转而使用滑跃式起飞技术。
四是弹射器质量大、体积大、能量消耗大,小型航空母舰使用困难。如尼米兹级航母上的 4台C-13弹射器重量为2800吨,体积为2265立方米,占用了大量的甲板和舱室空间,影响其他武器装备的配置。
美国“中途岛”号航空母舰在弹射60架舰载机时,两台弹射器消耗的能量占主机功率的25%左右,如短时间内连续弹射则会更大。但对核动力航空母舰而言,这一问题不太突出。舰载机的起飞方式不是一成不变的,目前各国都在致力研究新的起飞技术。
其中较为突出的是斜板弹射式起飞,即是把滑跃式起飞和弹射式起飞方式结合起来,综合两种方式的优长,从而实现更佳的弹射效果。另一方面,在弹射器的技术发展上,电磁弹射技术异军突起,成为各国争相发展的重头戏。
电磁弹射本身不依赖航空母舰上的主动力装置,而是利用直线感应电动机,通过先进的储能系统的能量,使弹射器以极高速将舰载机弹射升空。电磁弹射器维修性好、成本低,弹射效率高,而且其加速性可根据舰载机的重量而调节,既可更快弹射更重的舰载机,也可弹射小而轻的无人机。
电磁弹射技术的使用将进一步提高舰载机的使用效率和作战能力。收起