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舰载机的矢量喷管演变史

送交者: 不清不楚[♂☆★★声望品衔11★★☆♂] 于 2020-07-05 2:47 已读 365 次  

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对舰载战斗机来讲,矢量推力(TVC)技术多用于短距起飞/垂直降落(STOVL)构型。不过,常规起降舰载战斗机与TVC技术并不排斥。毕竟今天的舰载战斗机大多是陆基型号的衍生版本,将后者的矢量推力喷管用于前者在理论上是可行的。当然,这不会是一个简单的拿来主义。即便是陆基战斗机,TVC喷管也只获得了有限范围的应用,这意味着TVC技术并不成熟。而海军又一向以技术保守著称,这就决定了将TVC喷管用于舰载战斗机,首先要迈过思想上的那道门槛。


坦白地说,这取决于美国海军是否先有所行动。美国海军对于航空技术一惯保守,即便在冷战年代也是如此。从喷气式飞机上舰到隐身技术,始终比空军慢了半拍。冷战结束后又进一步冷却了美国海军对先进技术的热情,TVC技术迟迟没有用于舰载机也在情理之中。更何况,今天的美国海军仍然拥有地表最强大的海空力量,保守估计,其航母力量至少占全世界的8成左右。当然,或许这些航母平台搭载的F/A-18E/F与F-35C没有F-22、F-35A强大,但这只是相对而言。在其他国家的同类面前,它们仍然是强悍的存在。无论是数量还是质量都是如此。所以在美国海军眼中,TVC不是用来维持技术优势的必须,毕竟过度的技术也是一种浪费。某种程度上美国海军是一个风向标。历史经验告诉我们,一项没有经过美国海军验证的前沿技术,很难有别的国家愿意当这个出头鸟——技术试错的过程从来都代价不菲——当然英国人或许除外。


然而,随着美国的国防战略重归大国竞争,就不能排除海军对TVC态度的由冷转热,将之视为“抵消战略”(用技术优势抵消对手的数量优势)的一个可行选项。说穿了,海军所谓的技术保守主义,归根到底反映的是威胁环境——威胁强一些,保守就要消退一些。


舰载机的使用环境有其特殊性,TVC技术是否有助于满足这些需求,这还得具体问题具体分析。


首先是短距起降。合理的利用TVC技术无疑将大幅度提高舰载机的短距起降能力。舰载机起飞时,推力矢量不但可以产生直接升力,还能利用推力矢量产生抬头力矩,使飞机在较低的速度下抬起前轮,增大迎角,尽快离地。1989年5月16日,F-15 STOL/MTD验证机进行了安装推力矢量喷管后的首飞。试飞表明在同等起飞重量下,推力矢量喷管能使起飞滑跑距离降低25%(一说38%)。在后续试飞期间F-15STOL/MTD又进行了多次推力矢量起飞,抬前轮速度低至67.6千米/时,最短的降落距离低至416米,而标准F-15的降落距离为2 286千米。将这种能力用于航母甲板的方寸之间是很自然的想法。事实上,世界上第一种装备推力矢量喷管的喷气式军用飞机就是一架舰载机——美国海军A-6攻击机的原型机——绝非偶然。该机的尾喷管在起降时可下偏产生直接升力,用于提高起降升力,降低起降速度。虽然由于技术不够成熟的原因,推力矢量喷管最终在量产型版本的A-6上被放弃,但这已经很能说明问题了。

航母是一个系统工程,舰载机只是其中的一部分。这个系统工程除了单纯的性能考量外,最重要就是成本问题了。十万吨级核动力超级航母的使用成本在每天百万美元级,造价更是天文数字。造价高达129亿美元的“福特”级已经让美国国会大呼吃不消了。所以在2016年预算案中,便责成美国海军研究降低航母造价和寻找“福特”级替代方案的问题。2017年10月6日,兰德公司为此发布了题为《未来航母选择》的研究报告,仅从公开的缩略版来看,兰德公司为美国海军建议了4个用来替代“福特”级的选项:CVN 8X,CVN LX,CV LX,CV EX。这些选项从10万吨级到2万吨级不等,但即便是10万吨级的CVN 8X,也是“福特”级的简化版本,着眼点在于以适度的性能缩减来换取成本的可控。由此可见,在航母系统工程的建设中,造价与成本因素的重要性。但这与TVC提供给舰载机(战斗机)的短距起降能力有关么?答案是肯定的。航母的最高航速越大,舰载飞机的离舰速度越高,起飞重量越大,战斗力越强。假定在航母静止状态下弹射可使得30吨重的典型舰载战斗机达到270千米/小时的离舰速度,那航母速度从25节增加到30节可使机翼升力增加3%,也就是说,飞机可额外携带1.8吨有效载荷,这是相当可观的。


但巨大的航母要提高速度,动力代价必然巨大,并且不可避免地转嫁到成本上来。增加弹射功率是相对简单的办法,但无论是蒸汽还是电磁弹射器,归根到底都是从动力上打主意。大量的研究表明,从28节到34节,在这个速度范围内,航母平台功率与航速大体成立方关系。适当降低对航母最高航速和弹射功率的要求,可显著降低对动力功率要求,也就是降低成本——CVN 8X降低成本的一个重要举措,就是将航速由“福特”级的30节降低到28节,从而省下1台反应堆。退一步来讲,即便不考虑成本因素。TVC为舰载机提供的短距起降能力,对于某些关键技术储备相对落后(如航母平台动力),但又至力于发展航母的新兴海军国家来讲也是有意义的——比如法国海军的“戴高乐”号就由于动力不足,最高航速还不到27节。这是一个相当难堪的数字,对航母的作战效能造成了不小的负面影响。

除了缩短起降距离之外,TVC技术还能提高舰载机的敏捷性。而改善这种能力,对舰载机的使用环境来讲有着特别的针对性。舰载机的着舰经常被形容成在针尖上跳舞或者是受控的高速坠落,这与陆基飞机的着陆方式完全不同。下滑角和下沉率是影响飞机下滑轨迹的两个重要因素,要控制飞机在理想着舰点上安全着舰,就必须明确着舰过程中的下滑角和下沉率范围。在着舰过程中,只有将舰载机保持在这两个指标的设计范围内,才能保障安全。但在航母平台运动、尾流和自然风的影响下,舰载机下滑着舰时的实际下滑角和下沉率随时都在发生变化。虽然从进入下滑道窗口到着舰仅仅30秒时间,但飞行员则需要反复调整飞行姿态,以确保飞机在正确的下滑通道内。例如,F/A-18E/F“超级大黄蜂”飞行员在实施着舰的最后18秒内,就需要对航线、攻角和速度进行数十次微小的调整。因此降落是舰载机飞行作业最危险的阶段,也是飞行员淘汰率最高的阶段。而引入TVC技术无疑将提高飞行员对舰载机进场着舰时的精确控制能力,这相当于降低了着舰难度,并使飞行员的安全着舰更有保障。

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