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從陸基飛機到艦載機,這些設計細節是上艦出海的關鍵

2022-05-25 09:43 中國航空新聞網 看航空 專欄

各型各樣的艦載機布局

經過百年發展,尤其是近幾十年,戰術飛機在發動機推力、空氣動力學設計、飛行控制系統等方面都獲得了巨大的進步。這些進步使得飛機的加速能力越來越強,起降階段能獲得的升力也越來越大,較大迎角范圍內的飛行穩定性也越來越好——總而言之,飛機的短距起降能力一直在強化。

具體到噴氣式艦載機這一領域,無論是固定翼還是變后掠翼,無論是鴨式布局還是常規布局,無論是上單翼、中單翼、還是下單翼,甚至是完全無尾的純飛翼式布局,這些氣動布局各有特點的艦載機都已經實現了在航母上的成功應用。

鴨式布局中單翼:“陣風”

鴨式與常規布局混合:三翼面的蘇-33(也稱蘇-27K)

常規布局下單翼:F-4“鬼怪”

雙尾撐布局中單翼:“海雌狐”

常規布局上單翼:F/A-18“大黃蜂”

常規布局變后掠翼:F-14“雄貓”

無尾飛翼布局:X-47B無人機(試驗性)

可以說,多種布局設計的飛機都已經證明了自己成為艦載機的能力,“哪一類布局的飛機沒有上艦潛力”這樣的問題正在失去意義。

甚至一些傳統上被認為控制性能較差、很不適合上艦的無尾類、飛翼類布局飛機,在近年來也打破了F7U“彎刀”和F4D“天光”等當年不成熟機型留下的偏見,實現了令人驚訝的表現。

特別是無尾飛翼類布局的飛機,由于在隱身能力和氣動效率方面獨具優勢,還正在成為各國重點發展的艦載機路線。

此外,鴨式布局和常規布局路線在未來也將成為艦載戰斗機的兩個最重要選擇方向。但出于隱身和方便布置機身內彈倉的考慮,下單翼和中單翼設計會變得很罕見,兩側進氣配合上單翼的設計將會成為主流。

艦載機獨具的氣動布局細節

雖然從大的設計方向來說,艦載機與陸基飛機一樣,各型各樣的都有。但在一些相對細節化的設計環節,艦載機依然會有更高的要求,而陸基飛機則不一定會按同樣的性能標準、或是相近的方案路線去設計。

這一點在飛機襟翼和副翼結構的設計上,表現得尤其明顯。

F-35A采用襟副翼設計。

F-35C擁有獨立的襟翼和副翼,可以看出面積遠大于F-35A。為了能讓航母攜帶更多的飛機,尺寸特別是翼展較大的艦載機,往往會選擇折疊機翼設計,獨立的襟翼和副翼通常會在折疊鉸鏈處進行分界。

在實際使用中,通常會期望艦載機在降落狀態下擁有盡可能優秀的升力表現,以降低它接近航母時的飛行速度。這能帶來兩個方面的好處:

首先,更低的速度使飛行員可以有更大的裕度去修正飛機的軌跡和姿態,能顯著地減小飛行員的壓力和操縱失誤的概率,對安全性幫助巨大。

其次,飛機可以攜帶更大的重量安全著艦,這對于長期使用過程中的成本控制極為重要。

比如各類吊艙、導彈和精確制導炸彈都是典型的高價值載荷,不比副油箱(扔了也不怎么心疼)。如果由于著艦重量限制,必須在半途將其拋棄,這就意味著幾百萬、甚至幾千萬的經濟損失。

F-35B采用垂直降落設計,而且對重量控制要求極為苛刻,因此保留了陸基型F-35A的襟副翼式設計。

因此艦載機通常要盡可能地利用整個機翼,安排最大面積的增升設計。而在一些陸基飛機上,出于減輕重量和簡化設計的因素,會選擇將襟翼和副翼合一的襟副翼,并且占整個機翼面積比例較小。

這種矛盾在蘇-27家族和F-35家族上體現的非常典型:這兩個家族的陸基型號都采用了襟副翼設計,而采用常規著艦方式降落的艦載型則改用了大面積襟翼和獨立副翼設計。

而另一些機型上,陸基型號和艦載型號沒有什么不同,比如法國的“陣風”系列。

起落架是艦載機設計關鍵

在著艦過程中,艦載機受到的沖擊要遠比陸基飛機大得多。

因此在起落架和相關的設計上,對艦載機的要求比陸基飛機更多、更嚴苛。這些限制涉及多個方面,包括但不局限于:

結構形式上,要能耐受更強烈的撞擊;

左右兩側主起落架的間距要盡可能大,降低著艦瞬間單側輪胎接地時可能出現側翻的概率;

飛機結構設計中要協調出足夠的空間,以容納經過加強或者具備特殊功能的起落架......

諾思羅普·格魯門公司設計的YF-17原型機參加了當時的美海軍“空戰戰斗機”計劃招標。注意此時YF-17貼的標識還是美國空軍的。YF-17中標后更名為F/A-18。

從YF-17到F/A-18,起落架經過了進一步強化,并加大了主輪距。實際上只看起落架,艦載機競標就勝負已分了。

在美國三代艦載機的招標競選中,F-16輸給YF-17的關鍵原因之一就在于起落架布局的差異——相較于YF-17,F-16的起落架要強化到滿足上艦標準,需要付出的重量代價不可接受,而且主輪距上也處于劣勢。

F-16的主起落架收起后,單發結構下機腹表面幾乎無凸起,造型流暢。

雖然結構緊湊,但F-16主起落架也存在輪距窄、耐受沖擊性差等問題。

當然二者之間也存在單發(F-16)和雙發(F/A-18)的差異,不過這一點在艦載機的選擇和應用中影響并不算大,畢竟美國海軍在二戰后裝備的一大批噴氣式艦載飛機都是單發的,日常部署中也沒什么問題。

蘇-33

相較F-16而言,蘇-27家族雖然設計之初并沒有考慮艦載型,但由于起落架布局的基礎設計比較好,因此后來發展艦載型號時,沒有遭遇太多的麻煩事。此外,“陣風”家族由于在設計之初就考慮到了上艦需求,因此艦載機和陸基飛機“兩條腿走路”的發展路徑也較為理想。

責任編輯:王慧