舰载机总体设计主要关键技术概述

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图 2 飞机着舰进场平飞下滑道上前下视角示意图
表 3 舰载型与陆基型起落装置质量比较
下沉速度
质量 /kg
机型
/m# s- 1 主起落架 前起落架 拦阻钩 总计
YF- 17
31 05
276
581 6
3341 6
5 单、双发动机布局问题
舰载机的动力装置采用单发或双发不是绝对 的。但双发布局的舰载机从安全性考虑要比单发 布局的舰载机要好。因为飞机在舰上起飞和着舰
215b左右下滑离地高 1~ 015 m 拉 平着地, 而 舰
载机均以 4b或 315b的航迹角直 线下滑不拉平 着 舰。而且在离舰一定的距离和高度上转入下滑航
迹处要看到航母舰艉坡道下的红色信号灯。具体
舰载 机 在设 计 时 要 根 据 飞 机 视 界 标 准 如 美 标
M IL) STD) 850B要求, 结合 航母的尺寸和舰 上 助降系统位置来确定安全着舰迎角。如 F /A- 18A
中等 中等 中等
轻微 中等 中等
中等 轻微 主要
中等 )
中等
的情况下, 远距飞行和作战, 这就要求舰载机的 航程要大, 也就是飞机载油量要大。
4 对舰载机的性能要求
3 航母上独特工作模式对舰载机设计的影响
411 航程及留空时间 由于舰载机是在海洋环境中以航母为基地来
由于舰载机要在地处海洋环境中的狭小航母 使用的。所以要求舰载机比陆基飞机要装载更多
的前下视角为 13b, 而安全着舰迎角约为 8b。典
型的舰载机在航母进场视线见图 2。至此, 关于
舰载机起落性能的基本参数均可一一确定了。能
否安全着舰是舰载机设计的首要关键。
413 结构质量
由于舰载机着舰要比陆基飞机在固定的地面
上着陆艰难得多, 就机体结构强度而言, 对机体
影响最大的是飞机的起落装置。而决定起落架结
F /A- 18L 41 27
38316
811 7
341 1 4991 4
过程中一台发动机故障, 飞机仍能完成起飞和着
F /A-18A 71 32
62016
2831 8 701 4 9741 7
上表中 F /A- 18L 为支柱式主起落架, F /A18A 为摇臂式主起落架。而 YF- 17是派生出 F /A - 18A 的原型机 YF- 18的飞机。
舰载机与陆基飞机最大的区别就在于要在有 限距离的航母甲板上完成飞机起落。目前世界上 舰载机在航母上起飞, 有弹射起飞和滑跃起飞两 种方式。飞机着舰均靠钩住舰上的拦阻索减速到 停机。在应急情况下靠拦阻网回收飞机。
当前比较普遍使用的舰载机在航母上起飞是 用弹射起飞方式。由于弹射 器的制造精度很高, 技术复杂, 现在弹射器生产 厂家只有美国一家。 如以弹射能力最大的 C13- 1型湿式储气罐弹射器 为例, 其弹射行程是 92 m。从弹射静载质量与弹 射末速度的曲线可知, 在最大末速为 315 km / h时静 载只能小于 18614 kg。当最大静载为 38 590 kg 时末 速只能小于 233 km /h。
机的起落速度成了舰载机的主要问题, 特别是进 场着舰速度更是关键。飞机进场着舰 速度 Vjc 公 式为:
Vjc =
2[m cosC- T sin( A+ D) ] QSCy
式中: m ) ) ) 飞机进场着舰质量; T ) ) ) 发动机推力; S) ) ) 机翼面积; Q) ) ) 空气密度; Cy ) ) ) 飞机升力系数; C) ) ) 飞机着舰航迹角; A) ) ) 飞机迎角; D) ) ) 推力线与飞机水平基准线夹角。
构质量的主要参数是飞机使用下沉速度。陆基飞
机标准规定的着陆设计质量对应的使用下沉速度
为 3 m / s, 而舰载机却是该速度的 2倍以上, 具
体数值取决于海情和飞机着舰速度。以 F /A- 18
为例其舰载型 F /A- 18A 与陆基型 F /A- 18L 起落 装置质量的比较见表 3。
王钱生: 舰载机总体设计主要关键技术概述
Abstract: Critical techno logy im p lem entation prob lem s associated to the launch and recovery operating m atch ing the carr ier in f ixed- w ing carrier- based a ircraft design and developm ent are d iscussed in the present paper. L aunch and recovery characterictics for various ex isting sing le- and tw in- eng ine configuration sh ip- based a ircraft are statistica lly invest igated for design reference.
K ey w ord s: carrier- based a ircraf;t a ircraft design; adaptab ility
舰载机除了具有陆基飞机应有要求外, 由于 受外界环境限制而形成了它特有的特殊要求。首 先它必须要在航母这个活动机场上完成起落和存 放, 又要在海上气候环境中使用, 这些均对舰载 机的使用提出了比陆基飞机苛刻得多的要求, 因 而形成了它不同于陆基飞机的设计特点。舰载机 设计的主要关键技术都是围绕着在航母上起飞和 着舰的, 所以舰载机与航母的适配性成了机体设 计的主要问题了。
飞机库甲板宽度
3018~ 33 m
飞机库甲板高度
7162~ 8108 m
飞机库甲板舱门长
23 m
飞机库甲板舱门宽
7162 m
升降机长 ( m )
1518 m
升降机宽 ( m )
1912~ 2519 m
典型的航母俯视简图见图 1[ 1] 。
显然, 航母的尺寸对舰载机要在航母上完成
起飞和着舰以及飞机在舰上ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ操作等遇到了一系
主要
主要
中等
)
主要
中等
轻微
中等
主要
)
轻微
)
主要
主要
轻微
)
中等
中等
轻微
中等
天候飞行和作战能力。为了协助飞行员适应海上
燃油系统 中等 中等
)
中等
)
/ 海天难分 0 的目视环境, 舰载机应有自动驾驶 能力。
在茫茫大海中执行任务的舰载机应有远距自 主导航能力, 以便在失去母舰引导及海上无地标
推进系统 中等 武器设置 中等 主要子系统 中等
能用镁和铍, 还要考虑如不同类型金属相互接触 器设置和主要子系统。这些因素将影响飞机的规
要采取防电化腐蚀措施; 铝合金等金属与碳纤维 划、质量、成本、复杂性和试验工作。
复合材料相接触应采取防护措施; 为防湿气侵入
其中弹射起飞和着舰对外形、结构、气动和
蜂窝结构应使用无孔蜂窝芯等。所以, 舰载机应 独特装置有主要影响; 甲板操作对外形和独特装
上作业, 形成了 与陆 基飞 机不同 的独 特工 作模 的燃油, 以供其更大的航程、作战半径和留空时
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飞机设计第 2期 2005年 6月
间之需。因为舰载战斗机除了在空中快速敏捷机 动作战外, 还有护航航母的任务。这要根据战技 要求来决定飞机的使命。如以美国的舰载战斗机 F- 1 4为 例 , 在 有 警 报 的 情 况 下 要 在 离 航 母 约 240 km 的半径巡逻 2 h以上, 遇到敌机可加力作 战 2 m in。其载油量要够护航离岸约 800 km 的航 母的任务。加上航母上的几十架飞机在执行任务 后返航, 着舰时最多可达 20~ 30架飞机要依次 等候着舰。因而在美军标 ( 或国军标 ) 上在飞机着 舰设计质量中规定必须留有在海平面所有发动机 工作待机 20 m in的油量。另外, 在复飞后着舰时 余油不够还需由加油机进行空中加油来解救飞机 余油不足的问题。所以对于舰载战斗机来说, 载 油量必须比陆基飞机要多。加上舰载机的结构质 量的增加, 将会导致舰载机性能的下降。所以为 了保持飞机原有性能, 就必须加大发动机的可用 推力, 大约要加大 20% 左右。如 70 年代中期美 国海军曾要将 F- 16 改为舰载 机, 一些海军高级 官员认为 F- 16装的 F- 100发动机不能提供一架 有效的舰载机, 因为舰载型 F- 16 要增重, 按海 军规定的性能发动机推力要提高 18% ~ 23% 。 412 起落性能
列与陆基飞机不同的限制。
收稿日期: 2004 10 28
王钱生: 舰载机总体设计主要关键技术概述
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图 1 航空母舰飞行甲板上 的着舰设施布置
2 海上环境对舰载机的额外要求
式, 产生了许多苛刻的要求, 对舰载机设计提出 了许多关键技术, 增加了飞机设计的难度。
与陆地不同的海上自然环境使载机的航母时
从表 3可见, 舰基 F /A- 18A 约是陆基 F /A18L 的起落装置质量的 2倍。这两种型别的飞机通 用部件达 80% ~ 90% , 飞机总质量相差 1360 kg之 多。
由于舰载型比陆基型飞机质量增重较大, 再 加上舰载型的航程及留空时 间比陆基型要求高, 所以飞机质量对性能影响较大。国外有曾因舰载 型飞机质量超大而被迫停产的。如在 60年代中 期, 美国通用动力公司研制的舰载型 F- 111B 首 飞后因结构质量超大, 海军嫌质量太大, 会带来 一些使 用 上的 麻 烦, 因 此 不要 了, F- 111B 在 1968年停止了生产。接下来就导致了 F- 14飞机 的诞生。另一个例子是法国在将英、法两国合作 研制的超声速攻击-教练机改为法国型单座舰载攻 击机 / 美洲虎 0 M, 只造了一架原型机 M- 05号 机, 1969年 11月开始试飞, 发现质量较大, 与 / 军旗 0 Ⅳ相比性能改善有限, 1973年法国政府 选中了 / 军旗 0 Ⅳ-M 的后继机 / 超军旗 0, 同年 法国海军决定将 / 美洲虎 0 M 型停产。
对于着舰拦阻索来说, 从美国的拦阻能力最大 的 MK7MOD3型拦阻装置看, 最大钩速为 269 km /h, 此时最大的飞机着舰质量为 18160 kg。如钩速减小 则着舰质量可以增加。
上述情况说明了飞机起落质量与速度均直接 影响飞机在航母上的弹射器或拦阻装置能力的配 置。这是机-舰的适配性之一。而飞机质量往往是 根据战技要求中作战使命来确定的, 然而飞机起 落速度主要取决于飞机的升力特性。能否降低飞
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飞机设计第 2期 2005年 6月
舰载机总体设计主要关键技术概述
王钱生
(沈阳飞 机设计研究所, 沈阳 110035)
摘 要: 概述了舰载机 (固定翼舰载飞机 )总体设计中与航母 (航空母舰 )适 配的起飞、着 舰等的关 键技术 问题。文中还统计分析了国 外现有舰载机单、双发动机布局的 情况, 以供 舰载机设 计中考 虑起落 安全性 的参 考。
甲板状态
时间
中等风浪
11级暴风
横滚
8s
? 10b
? 25b
俯仰
41 5 s
? 2b
? 4b
因而对于停放在机库或甲板上的飞机必须设 计有系留点用绳索与航母缚住。
为适应海上多变的气象环境, 舰载机应有全
设计因素
外形 结构 气动 独特装置 座舱
起飞 主要 主要 主要 主要 中等
航母独特工作模式
着舰 甲板操作 维修 海上环境
由上式可见, Vjc 与
m S
成正比,
Vjc 与
Cy 成
反比,
所以, 为了达到降低
Vjc
就必须降低翼载 m S
。
如飞机质量不变就要增大机翼面积 S 或增大升力
系数 Cy。而 Cy 又与 A成正比 ( 在 不大的 A范 围 内 ), 但迎角 A又受到飞机视界的限制。舰载机
与陆基飞机的前下视角基本上都是一样的, 但着 落方式却大 不相同。陆基 飞机 一般 是以 航迹 角
1 航母的尺寸对舰载机的限制
对美国现有 15艘主要航母 ( 4艘福莱斯特级、
4艘小鹰级、 1艘企业号、 6 艘尼米兹级 ) 的关键
尺寸作了如下统计:
飞行甲板长度
310~ 328 m
飞行甲板宽度
7215 m
角甲板长度
22018~ 23916 m
角甲板宽度
3616 m
飞机库甲板长度
20815~ 262 m
具备防潮湿、防盐雾、防霉菌的 / 三防 0 措施。 置以及维修对于主要子系统也有主要影响。而其
舰载机在起飞和着舰及停放在甲板或机库中 他则是中等影响或是轻微影响, 详见表 2。
均应能具备抗航母在风浪中运动的能力, 例如
表 2 航母独特工作模式对设计因素的影响
表 1。
表 1 福莱斯特级航母 ( 78000kg吨位级 )的甲板运动情况
关键词: 舰载机; 航母; 适配性
Critical Technologies in Carrier- Based A ircraft D esign and D evelopm ent
W ang Q iansheng ( Shenyang A ircraft Design & R esearch Institute, Shenyang 110035, China)
舰载机在航母上的独特工作模式是弹射起飞
刻飘浮在 海面上, 其气 象水文 条件 是大 风、台 ( 或滑跃起飞 )、着舰、甲板操作、维护修理和海
风、海雾波 浪和 潮汐等。舰和机 均面 临大 气腐 上环境。影响飞机设计的因素是外形、结构、气
蚀、盐和潮湿天气。这对舰载机材料的限制是不 动、独特装置、座舱、燃油系统、推进系统、武