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      鐘祥市洛亞實業有限公司

        中國或另辟蹊徑設計艦載預警機 實現從航母滑躍起飛

        2019-1-12  瀏覽次數:596

        在信息就是戰斗力的現代海戰場,預警機是航母戰斗力的關鍵。預警機不光及早探測地球曲率背后的目標,還是組織和指揮??諔鸲返暮诵?。

        海軍航空兵的空警-500 圖源:南部戰區

        “遼寧”號與第一艘國產航母(據說命名為“山東”號)都裝備直-18預警直升機,這也是可預見的將來中國航母唯一可用的預警機。預警機需要長航時、高升限、大載重,最大的要求則是要能從航母起飛和著陸。直升機從航母起落沒有問題,但很難達到長航時、高升限,載重也比較有限。由于主旋翼的位置,預警雷達的位置比較別扭,只能從機體下方收放,不僅雷達天線尺寸和重量受到限制,還帶來額外的重量和機械可靠性問題。

        據報道,直-18的最大速度336公里/小時,航程900公里,升限9000米,估計留空時間在3小時左右。相比之下,固定翼的E-2D的巡航速度474公里,升限10500米,航程2700公里,續航時間6小時。E-2D還將具有空中加油能力,進一步提高留空時間。兩者之間,高下立分。直升機不是不可以空中加油,但高速旋轉的主旋翼使得空中加油操作高度危險,即使對空中加油已經成為日常操作的美國空軍和海軍來說,直升機空中加油也只是越洋航渡或者遠程特種作戰(如戰斗搜救、敵后滲入或撤離)時非用不可的最后措施。

        據說中國正在研制固定翼艦載預警機,但進度不明。如果網傳圖片可靠的話,這是與E-2D在氣動理念上相似的常規布局?;究梢钥隙ǖ氖?,這不大可能用于“遼寧”號和“山東”號。一般認為,中國的第三艘航母將采用電彈,但“遼寧”號和“山東”號將繼續使用至少30-40年,長期用預警直升機“將就”可能嚴重損害戰斗力,研制能滑躍起飛的固定翼預警機很有必要。

        航母起飛最大的問題是起飛跑道太短,沒有足夠的時間滑跑加速。安全離艦取決于離艦時的升力,升力則是迎角和速度的綜合結果?;S起飛用離艦時的初始迎角獲得足夠的離艦升力,彈射起飛則用外力協助加速以在水平離艦時獲得足夠的離艦升力。問題是滑躍起飛的最后滑躍是用速度換迎角,沒有足夠的發動機推力可能有失速的危險。預警機簡單地用超大推力發動機將嚴重增加重量和巡航油耗,這不是辦法。必須從具有更有效的高升力氣動布局入手。

        大大增加翼展是降低起飛速度的最常規的辦法,但航母上受飛行甲板寬度限制,無法運作大翼展飛機。雖然有翼展達到32米、最大起飛重量達到18噸的U-2上艦的先例,但這是特殊情況,需要清空甲板,嚴重影響正常出動和回收,不能成為日常運作。

        雙翼機是另一個辦法,可以在大大縮短翼展的同時做到短距起飛。但雙翼機的飛行阻力太大,很難做到長航時。換一個思路,用串列翼可以得到近似雙翼機的增升效果,但阻力沒有那么大。雙翼機的阻力不僅來自于上下兩個機翼的迎風阻力,還來自于兩個機翼之間在氣動上互相干擾帶來的額外阻力。

        串列翼可以前低后高,這樣迎風阻力與雙翼機相當,但上下機翼之間的不利干擾大大降低,總阻力有所降低。另一個布置是前高后低,在一定條件下,前翼的下洗氣流可沖刷后翼上表面,產生增升作用,后翼可以相應減小,降低重量和阻力。但產生增升的氣動條件嚴苛,使用很受限制。

        串列翼也可以前后翼在同一水平面上,迎風阻力較小,但前后翼之間有一定的干擾,好在影響關系相對確定。前后翼都可配備大面積襟翼,便于實現直接升力控制,這是有利于艦上短距起飛和精確著陸的。前后翼內都可安排翼內油箱,大大增加機內油箱容積和航程,這也是有利的。發動機短艙把前后翼連接起來的話,有利于增加結構剛性,減輕重量。

        在80年代,美國主持軍事科技預研的國防先進研發規劃局(簡稱DARPA) 委托Scaled Composites公司(字面意思是可擴展復材公司,由著名飛機設計師迪克·魯坦主持)研發先進技術戰術運輸機(簡稱ATTT),重點是短距起落,采用的就是水平面串聯翼。機翼上的渦槳發動機短艙向后延申,與雙垂尾和高平尾形成球門架式尾翼。

        Scaled Composites研制的是62%縮比飛機,較長較細的后翼翼展16.21米,翼面積16.67平方米,展弦比15.76;較短較寬的前翼翼展11.48米,翼面積10.97平方米,展弦比12.01;測試中達到的最大起飛重量5216公斤(設計最大起飛重量的80%),算入前后翼的翼載188.7公斤/平方米(按照100%的最大起飛重量將達235.9公斤/平方米)。飛機采用全復材,但并不必要,只是Scaled Composites公司因為自己的技術特長而圖方便,反正只是技術驗證機。

        試驗結果表明,推算到全尺寸的話,最大起飛重量10500公斤,巡航速度407公里/小時,航程4260公里。引人注意的是,滑跑起飛距離只有300米(80%重量輕載起飛時只需要210米)。顯然,超低的翼載對短距起飛有很大的作用。據報道,蘇-27的滑跑起飛距離為450-650米,這里的差別應該是輕載、重載和地面風力、風向的關系。殲-15與蘇-27的推重比和翼載相似,盡管嚴格來說需要仔細計算,如果殲-15可以滑躍起飛,ATTT的表現至少說明串列翼是很有可能實現滑躍起飛的。

        當然,即使全尺寸ATTT的最大起飛重量也不到E-2D的一半。E-2D的任務起飛重量為23075公斤,翼展24.56米,翼面積65平方米,翼載355公斤/平方米,兩臺艾利遜/羅爾斯-羅伊斯T56發動機各提供5100馬力,功率重量比0.44馬力/公斤。

        假定安裝任務設備后的起飛重量以E-2D為參照,簡單化地按重量比例直接放大翼面積的話,串列翼預警機的前翼面積要增加到38.82平方米,后翼59平方米。假定與ATTT同樣的前后翼展弦比,這要求同等任務起飛重量的串列翼預警機的前翼翼展增加到39.26米,后翼增加到30.49米,翼展太大,不宜上艦。但迪克·魯坦采用了特別大展弦比的細長機翼,以獲得超高升阻比。上艦使用的話,可以適當降低展弦比,減小翼展。E-2D的展弦比為9.5,ATTT的后翼展弦比降低到9.5的話,翼展降低到為23.7米,略低于E-2D,適合航母上的運作。前翼的展弦比比后翼低約1/4,相應調整到7.23,翼展只有16.7米,更沒有問題了。

        降低的展弦比會導致機翼的升力性能損失,但可以通過增加的動力來補償。ATTT用兩臺750馬力的PT6A發動機,在100%重量時的功率重量比只有0.23馬力/公斤,大大低于E-2D的0.44,因此有很大的增加空間,以恢復短距起飛性能。中國運-9使用的渦軸6C的功率與E-2D的T56相同,用于同等任務起飛重量的串列翼預警機的話,功率重量比也相同。航程和留空時間不大好按比例推算,但ATTT的前后翼都能容納燃油,比同翼展的單翼要增加至少30%,擴大到與E-2D同等重量時,更多的燃油是有保證的,航程有望顯著增加。

        對于預警機來說,ATTT的便于尾門裝卸的球門架式尾翼不必要,高平尾改為低平尾的話,還可在兩端雙垂尾之間安裝額外的垂尾,以補償預警機雷達天線帶來的氣動影響。

        串列翼的高升力特性不僅有利于滑躍起飛,也可在有彈射起飛的時候增加起飛重量,多帶燃油以增加留空時間,或者降低起飛功率要求,改善發動機磨損和油耗。在必要的時候,還可以在彈射準備的間隙,插空擋無彈射起飛,填補??涨閳?、偵察和監視間隙。同樣的串列翼平臺也可用于航母上其他特種飛機,如加油機、反潛機、運輸機。不過對于運輸機來說,為了便于大件貨物裝卸,垂尾改回高平尾的球門架式尾翼最好,不改也有辦法克服。

        另一個思路是飛翼。飛翼把整個飛行器都用于產生升力,沒有筒形機體的死重,氣動阻力也低,因此翼載較低,有助于縮短滑跑起飛距離和增加航程。以與E-2D重量相近的X-47B為例,最大起飛重量20215公斤,翼展只有18.92米,翼面積卻高達88.59平方米,翼載只有228.19公斤/平方米,但展弦比只有4.04。低翼載和低展弦比是飛翼的典型特征,B-2的翼載也只有318.4公斤/平方米,展弦比5.74。

        X-47B是為彈射起飛設計的,可能沒有滑躍起飛的考慮,也沒有公開的滑跑起飛距離的數據。但考慮到低翼載,滑跑起飛的距離應該不長。B-2就是這樣的,與同等重量的常規飛機相比,起飛滑跑較短。如果從X-47B出發,為預警機適當優化,展弦比采用B-2的更加適合長航時的5.74,在與E-2D同等任務起飛重量時,翼面積增加到101.1平方米,翼展增加到24米,與E-2D相當,翼載保持為228公斤/平方米,與ATTT相似。同樣,不經過精確的氣動計算,難以確認這樣的低翼載是否足夠實現滑躍起飛,但大方向是正確的。

        飛翼對于預警機還有特殊的好處。理想飛翼的整個結構都是機翼,載荷和自重均勻分布于整個翼展。實際飛翼的重量還是集中在中央部分。另一種做法是機翼和機體在外觀上像飛翼一樣高度融合,只是不容易區分機體在哪里結束,機翼從哪里開始,但在內部結構上保留扁平寬大但規整的中央升力體,這實際上已經偏離理想飛翼,而是翼身融合體(簡稱BWB)了。但這里面的差別對于本文并不重要,可以籠而統之統稱為飛翼,只是BWB比理想飛翼更加便于設計和制造,中央升力體的寬大空間更是有助于容納預警機的大型雷達天線。內置天線在氣動上解決了預警機的大難題,也極大地降低了阻力。

        X-47B那樣的飛翼通常采用渦扇動力,但為了短距起飛和長航時而改用雙渦槳動力沒有不可克服的技術困難。螺旋槳吹拂機翼上表面有增升作用,騰出來的中央空間還有利于容納大型雷達天線和其他任務設備。為了簡化飛控和補償單發故障情況,可以設置小型雙垂尾。預警機沒有特別高的隱身要求,即使作為艦載通用航空平臺,也只有不超過中等的隱身要求,不必強求無尾翼。

        但飛翼的縱長較短,對于著艦掛鉤不利。艦載機尾鉤的鉤子應該離主起落架較遠,便于機輪滾過后攔阻索及時回彈到便于掛鉤的高度。尾鉤也應該“生根”在靠后的位置,便于以較垂直的角度“掃過”甲板,可靠掛鉤,而不是以較淺的角度“拖過”甲板,發生彈跳。飛翼在這兩個要求上都先天不利。但X-47B已經成功上艦,洛克希德也信心滿滿用無尾飛翼投標艦載空中加油系統(簡稱CBARS),或許說明這些問題都是可以解決的。

        誠然,在可預見的將來,E-2D還是唯一的艦載預警機,采用常規得不能再常規的氣動布局,美國海軍沒有考慮串列翼、飛翼等非常規氣動布局的計劃。串列翼的ATTT在完成試飛計劃后偃旗息鼓,美國軍方再也沒有重開串列翼的計劃。飛翼上艦也是進三步退兩步,X-47B下馬了,洛克希德的飛翼布局艦載加油機則沒有入選CBARS競標。蘇聯的滑躍起飛艦載預警機也是和E-2D類似的常規布局。這些都是有原因的。

        E-2D的氣動設計來自1960年就首飛的E-2A。這些年的使用經驗表明,E-2系列的氣動性能是適用的,必須彈射起飛而不能滑躍起飛也不是問題,美國海軍本來就不打算用搭載STOVL戰斗機的兩棲攻擊艦獨當一面,即使能勉強搭載滑躍起飛的預警機,艦載戰斗機數量也太少,難以形成拳頭。

        ATTT是DARPA的預研和技術儲備,并無立刻投入使用的急迫性。小型短距起落運輸機的需求后來被阿萊尼亞C-27J“斯巴達人”滿足,盡管沒有用多久又撤編了。陸基短距起落運輸機的使用條件沒有艦載預警機那么苛刻,其他國家則沒有中國(還有俄羅斯)這樣只有大甲板滑躍起飛航母的情況,沒有切實需求,所以ATTT后繼無人不奇怪。

        在CBARS競標中,美國海軍為了控制技術風險,選用更加常規(但也不那么常規)的波音方案。但對于中國來說,常規方案難以實現滑躍起飛,而“遼寧”號和“山東”號長期只能依賴預警直升機是不妥的。由于更加緊迫的需求,必要的技術風險是值得的。

        蘇聯的情況則不同,在1991年推出固定翼艦載預警機模型的時候,航空技術遠沒有現在的水平,串列翼、飛翼的技術風險過大,只有用蠻力實現滑躍起飛。雅克-44采用兩個單臺功率14000馬力的進步D-27槳扇(介于渦槳和渦扇之間的新概念航發,外觀上近似采用彎刀形槳葉的渦槳),各自一副驅動直徑驚人的同軸反轉雙槳。雅克-44的翼展為25.7米,略大于E-2D,但最大起飛重量幾乎兩倍于E-2D,達到40000公斤,航程因此達到4000公里,功率重量比也遠遠高于E-2D而達到0.7。最大速度740公里/小時,升限13000米。

        由于蘇聯解體和雅克-44項目下馬,世人難以得知這樣的簡單粗暴是否能成功。人們只知道同樣采用D-27的安-70問題成堆,大多與發動機有關。計劃采用D-27的其他項目統統下馬,而安-70本身也計劃換用四臺渦扇以安-188的名義重新推出。超大功率渦槳/槳扇的技術難度很高,空客A400M的羅爾斯-羅伊斯TP400渦槳(11000馬力)也是問題重重。對于航發仍非強項的中國來說,簡單粗暴不宜作為首選,殲-20的研發經歷說明的是同樣的問題。

        一般認為,中國第三艘航母應該是電彈,這或許意味著不必強求預警機具有滑躍起飛能力。這是欠考慮的?,F有的兩艘滑躍航母還將運作30-40年,長期戰斗力“瘸腿”是不行的,中國也沒有富裕到兩艘現有航母可以隨意丟棄的程度。

        另外,在一段時間里,未來的彈射航母可能依然有無彈射短距起飛需求。電彈的技術門檻很高,中國一步到位是技術上的大躍進,成長中的陣痛可以預期。這不可怕,但在解決問題、不斷前進的過程中,艦載空中力量因為電彈性能或者可靠性暫時達不到全天候出動的要求而閑置,這是不妥的,滑躍甚至水平短滑跑起飛能力是必要的過渡。殲-15天然具有這個能力,預警機也需要如此。在有電彈的時候重載、全狀態起飛,在電彈暫時不到位的時候減載、基本狀態起飛,是保持戰斗力不留空隙的關鍵。

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