托举“海天雄鹰”!百年科技发展,让舰载机起飞成为“寻常事”

看航空 2024-06-18 09:20:26

近日,随着以我国航母舰载机试飞事业为背景和题材的电视剧《海天雄鹰》热播,舰载机再度成为了热门话题。

航母舰载机事业的发展离不开航空技术的进步,百余年航空发展史中,将舰载机送上蓝天的起飞技术迭代了很多次。从初期的弹簧弹射到现在的电磁弹射,虽然都叫作“弹射”,但从起飞辅助措施的材料和科技内涵,到舰载机的体量和速度,都发生了翻天覆地的变化……

与地面机场不同,受到舰体结构和尺寸的制约,航母上可用的跑道距离特别短;因此舰载机通常在起飞阶段需要一些特殊的辅助措施。从现在的趋势来看,起飞辅助技术还将在很长的未来内继续发挥重要作用。这类技术从起源发展到今天,它的历史实际上和飞机一样久远,也在不同的方向上经历了大量的试错、淘汰、进化发展。

航空界的先驱之一、曾担任史密森学会秘书的塞缪尔·兰利,曾使用一个弹簧蓄能的弹射器来发射他的飞行器。这个弹射器在他早期制作的缩比模型测试中获得了成功,但在1903年的全尺寸实机测试中失败了 。

在人类研发飞机的最早阶段,由于动力不足、结构超重、气动设计升力表现差等原因,起飞艰难、甚至完全飞不起来,是所有飞机都面临的难题。借用外力帮助飞机进行滑跑阶段的加速就成为试验探索阶段中自然催生的解决思路。

莱特兄弟从1903年到1904年开始使用一种原理类似投石机的重力加速弹射器,通过重物的自由落体实现牵引加速,来帮助他们的早期飞机在有限的距离内起飞 。

飞机在出现以后,被迅速引入军事领域,而辅助起飞技术作为飞机的伴生事物也同样得到了重视。

1912年7月31日,美国海军中尉西奥多·戈登·埃利森(Theodore Gordon Ellyson)成为首个被美国海军弹射系统发射出去的人——当时美军尝试了基于压缩空气的弹射系统,并将其安装在了美国马里兰州安纳波利斯的桑蒂码头。

但这首次尝试差点要了埃利森的命:当时飞机离开坡道时机头朝上,遇到侧风将飞机推入水中,但埃利森幸运地从残骸中逃生,并未受伤。

1912年11月12日,埃利森在一艘静止的煤驳船上再次尝试,成功进行了海军的第一次成功弹射起飞——至此,全球航母时代的序幕已经悄然掀开。

1915年11月5日,柯蒂斯AB-2(C-2)飞机从美国“北卡罗来纳”号(ACR-12)装甲巡洋舰上弹射起飞。执行这次历史性飞行的飞行员是美国海军飞行员亨利·C·马斯汀(Henry C. Mustin)。

1941年5月31日,一艘基于商船改装的简易航母上,霍克“飓风”飞机进行弹射起飞。

此后,人们开始探索各种各样的辅助起飞技术方案。

其中,美国海军试验了各种动力源和型号,包括利用火药燃气推动和飞轮机械蓄能的弹射器。1924年12月14日,一架由美海军中尉L.C.海登(L.C.Hayden)驾驶的马丁MO-1观察飞机使用火药动力的弹射器从“兰利”号航空母舰发射升空。

这次发射之后,这种方法开始被用于巡洋舰和战列舰。

1943年从“百慕大”号轻型巡洋舰的弹射器上发射的“超级海洋海象”飞机。

这些早期的起飞辅助技术使巡洋舰、战列舰等军舰通过改装获得了放飞侦察飞机的能力,同时也应用到了民用领域。

比如1929年,德国远洋客轮SS Bremen和Europa就安装了亨克尔航空公司设计的压缩空气弹射器,并在1930年代上半叶使用多尼尔“鲸鱼”(Dornier Wal)双发飞机在南大西洋上进行邮件运输的商业飞行。

蒸汽式弹射器的直线开槽气缸与活塞。

此后,随着各国海军对舰载航空器的性能越来越高,舰船、辅助起飞措施、舰载机三者都在不断进化。完全以舰载机运作为设计核心的全通甲板军舰开始出现,并逐步发展为现代航母。

弹射器发展经过液压、内燃机、火药、蒸汽等多种原理的对比发展以后,由英国发展成熟的蒸汽式弹射器,能最佳兼顾可靠性、效率、安全性、经济性,在很长时间内都成为弹射器的主流设计。

F-14进行滑跃测试。

随着飞机自身性能的不断强化,特别是渡过早期喷气式飞机的低谷阶段以后,另一种思路的辅助起飞技术开始具备实用潜力了:以最简单的结构和最低的成本,让飞机更好地借助自身的动力,在较短的距离内获得更大的向上运动趋势、产生更多的升力,也能达成从航母上起飞的目的。

这一思路依然由英国探索并发展成熟,并成为后来航母的另一种发展流派:滑跃甲板起飞。滑跃甲板虽然在甲板运作、起飞重量等方面不及弹射器,但性价比相当高,依然对很多国家有强大的吸引力。

值得一提的是,弹射和滑跃其实可以结合。比如为了弥补法国航母的吨位限制(只能安装缩短型弹射器),法国“阵风”M原型机早期进行试飞的时候曾在“福煦”号航母的弹射器末端,加装了小型的滑跃跳台结构,角度为5°,以确保涉及最大起飞重量性能的测试安全。

电磁弹射上,直线电机取代了直线汽缸。

现在,随着电子电气技术的进步,大功率的电磁弹射技术开始实用化。

相较于蒸汽弹射,电磁弹射极大地解放了航母在总体布局、动力系统选择、液气管道布设上的设计桎梏。它不仅拥有更灵活的调节能力,可以轻易弹射极小重量的飞行器;而且不依赖蒸汽源的特性,也使常规弹射航母可以选择更为先进高效的燃气轮机等动力形式,而不再被捆绑在蒸汽轮机上。

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