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日志

 
 

更轻、更快、更强——海军航空装备动力发展史  

2016-11-05 16:42:11|  分类: 军事历史 |  标签: |举报 |字号 订阅

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19101114日美国人尤金·伊利完成了史上第一次从军舰上起飞升力飞行器的壮举之后,舰载机这个名词从此进入海军,并成为今日海军继续发展的重要角色之一。随着海军装备的发展,两国海军的交战范围不再仅限于水面水下,天空也变成了海军交锋的战场之一。当舰载机飞行速度足够快速的时候,海军用来抗击舰载机的武器也在发展,并且最终飞到了空中,成为防空导弹。既然不载人的导弹可以单独飞行打击敌机,为什么不设计不载人的导弹单独飞行替代舰载机打击敌舰呢?反舰导弹也随之应运而生。同时,不仅是航空母舰上的固定翼舰载机,另一种不需要跑道能够在任何有一段空地的水面舰艇完成起降的舰载机登上了海军发展的历史舞台——舰载直升机。

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舰载机、反舰导弹、舰载直升机、无人机都是当代海军不可或缺的重要航空作战力

舰载固定翼飞机、舰载直升机、舰载无人机和反舰导弹等装备,既属于海军,从海军的舰艇/潜艇上发射,在空中完成海军作战任务,消灭敌方海军兵力,或者跨洋摧毁敌国的陆上目标。我们把它们归属与海军航空装备一类。不可否认的是,在载舰和航空装备100多年的发展历程中,载舰的布局和装备本身的动力变化一直在相互影响,每当舰载机发生一次重大的动力更新换代,航母本身的布局就要被重新设计。同样,军舰载体的技术特点,使得舰载机、反舰导弹等都要按照海上作战的特点进行重新设计。可见,动力的发展是海军装备发展史上重要的一环

今天我们从上世纪20年代的舰载机开始说起,以海军航空装备动力的变动为主线,不仅穿插海军航空装备本身气动布局等等的参数变化,同时也影射出海军舰艇以及海军装备建设思路百年的发展历程。19101114日美国人尤金·伊利完成了史上第一次从军舰上起飞升力飞行器的壮举之后,舰载机这个名词从此进入海军,并成为今日海军继续发展的重要角色之一。不可否认的是,在航空母舰和舰载机100多年的发展历程中,航空母舰的布局一直在顺应舰载机本身的变化,每当舰载机发生一次重大的动力更新换代,航母本身的布局就要被重新设计。纵观今天的航空母舰,和上世纪40年代的航空母舰相比,虽然一些概念词汇比如拦阻索等能够沿用至今,但是基本的构造和甲板布局已经大相径庭。毫无疑问的是,如果今日的舰载机相比70年前的舰载机了无变化,那么如此变动的布局只能说是军舰设计和制造上的浪费。

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短短几十年间,航母的甲板布局已经变得大相径庭

今天我们从上世纪20年代的舰载机开始说起,以舰载机动力的变动为主线,不仅穿插舰载机本身气动布局等等的参数变化,同时也影射出航空母舰百年的发展历程。

最早的发动机:活塞式内燃机

内燃机是最早的航空动力,它的寿命是如此之长久,以至于直到今天仍有不少轻型飞机仍然在使用内燃机作为动力。当然,仅限于轻型飞机。

在航母刚刚诞生的年代,活塞式的内燃机却是航空动力的不二之选。当时,人类所能制造出来的热机仅有活塞式蒸汽机、活塞式内燃机和蒸汽轮机三种。外燃机笨重庞大,还需要在外面附加锅炉,必然无法成为航空动力的选择。而活塞式内燃机,却是那个年代能够装到航空飞行器上面的唯一动力选择方案。

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一战时的战斗机互相仅仅采用水平机动来占据攻击阵位

当然,彼时的活塞式内燃机鉴于当时技术的限制,其功率无法让飞机获得满足的航速。所以当时的舰载机基本都采用了上下双翼的气动布局以保证低速航行状态下的升力。此外,当时的内燃机推力仅仅能够满足飞机在水平面之内的机动,快速的垂直爬升基本上不可能实现,缓慢飞行的战斗机空战仅仅是水平面咬斗,盲目的向上拉动机头,飞机基本上会进入失速尾旋状态。在当时,战列舰的装甲防护还很强大,而功率小的发动机能将飞机从甲板上起飞已经很不容易,更遑论携带能够击沉战列舰的足够重量的弹药。即使是携带少量弹药对战列舰进行攻击,由于航速太慢,自身目标又大(有两个翅膀的双翼机的弹着点实在是太多了),非常容易遭到防空火炮的拦截。也正是由于这一点,当时的其他水面舰艇都没有拿舰载机当一回事,甚至19世纪40年代下水的战列舰也没有安装多少防空火炮,这也注定了日后战列舰被航空母舰迅速淘汰的结局,因为实在是太不重视飞行器了。

垂直机动:活塞式革命

1920年到1940年,航空动力的发展是快速的。短短20年时间,舰载机的最高速度从100节左右提高到了300节,续航能力从几十公里发展到超过2000公里,发动机功率从140马力突破了1000马力。也难怪二战中战列舰面对舰载机是如此的力不从心,因为这个时候大多数战列舰的防空火力布置思路还是20年前的。

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这就是星型发动机,其轴向的尺寸十分紧凑

这个时候的舰载机所使用的仍然是活塞式汽油机,但在内燃机本身的设计和制造水平已经大大提高。星形发动机采用星形的向心布局来安放汽缸,空气流通汽缸之间的空隙来为发动机提供必要的冷却功能。这种发动机可以被制造的非常紧凑,在舰载机狭小的前机身内就能容纳相当大功率的汽油发动机。同时,采用易于得到的空气作为发动机的冷却工质,无疑减小了航空母舰上对舰载机进行维护的地勤压力。

当然,采用液冷发动机的V型汽缸布局也没有被完全淘汰,在英国航空母舰上所使用的“海喷火”式舰载战斗机就采用了V12缸的液冷活塞式汽油发动机。

新发动机所提供的充沛动力,让舰载机的气动布局也随之变化。随着飞机飞行速度的提高,舰载机无需额外使用双翼布局提供额外升力,低阻力高速度的单翼布局成为主流;更大的推力让战斗机在空战中首次有了垂直机动的概念,高度-速度平衡的能量空战法成为空战理论中最重要的一环;同时,利用高度和速度对敌目标实行俯冲轰炸的舰载轰炸机也得到实用列装。正是航母上搭载的俯冲轰炸机在中途岛海战中扭转了太平洋战场的战局。

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活塞式舰载战斗机甚至装上了气泡座舱,图为美国F8F舰载战斗机

然而,新发动机为飞行器带来的不仅仅是数字指标上的革命,更是从根本上改变了空战模式。由于发动机马力的加大,飞行员可以通过在平飞时加大油门获得速度,通过获得的动能拉升高度抢占空战中的有利位置。“速度-高度”的能量空战理论,正是针对这一新战术而出现的新型空战理论。从此,飞行员之间的格斗不仅仅是在同一高度缩小转弯半径以咬住对方或者甩脱对方,尽量消耗对方的空战能量成为了各国战斗机飞行员的标准教材,飞行器的能量包线也成为了飞机设计制造单位所执行的重要设计指标。

二次大战为航空母舰最终击败战列舰成为海洋霸主提供了最好的擂台。1941-1945年短短的五年间,舰载机的各方面性能都再次大大提升。到了1945年,已经有装备超过2000马力活塞发动机的舰载机,以及能够携带超过1000公斤载荷的舰载攻击机问世。

但是,活塞式发动机的螺旋桨推进原理在这个时候也被挖掘到了极限。为了进一步提高活塞式发动机的推力,只能通过增加螺旋桨的桨叶数量或者长度来实现。这样做的效果不仅仅是飞机在舰上存放或起降安全方面受影响的问题,在推力提升的同时螺旋桨本身产生的阻力甚至也大大超过了增加的推力,反而使得这样的改进毫无效果。一系列失败证明,为了使得飞行器获得进一步的优良性能,不得不对发动机的工作原理模式进行革命性的创新,在这样的大背景下,人类有史以来最强大的常规能源发动机——喷气式发动机诞生了。


从汽缸到燃烧室:喷气发动机诞生史

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四冲程发动机有三个冲程不在做功,也就是说发动机3/4的时间都被浪费了

首先我们说一下内燃机的工作原理。在工作时,燃料与空气的混合物在气缸内被压缩点燃;点燃后,燃气在气缸内膨胀,推动活塞做功。飞机上的活塞式发动机会通过曲轴等一系列复杂的机构将燃气膨胀推动活塞的往复式运动转化为螺旋桨的旋转运动,通过螺旋桨旋转时与空气的相互作用,使得飞机获得向前推进的动力。首先,在活塞式发动机中,燃料的燃烧并不是连续性的,必须经历一个将燃料和空气注入封闭空间,单次点燃,而后排出废气的一个间断过程;其次,在这一系列复杂的过程中,从燃料燃烧做功到飞机最终获得推力,在每一个机械转化环节都要经历一次功率消耗。以上这些因素,使得活塞式发动机的推进效率随着速度提高而急剧下降。最致命的一点在于,对于螺旋桨飞机来讲,即使可以不计油耗尽量的增加发动机的功率,但当螺旋桨转速达到一定值时,桨叶外轮的速度已经超过音速;此时空气的流体性能会发生巨大变化,不仅螺旋桨的推力会减少到极小值,引发的振动问题甚至会使得飞机发生事故。也就是说,对于螺旋桨飞机,速度越高,推力越小。

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火箭发动机的推重比令人咋舌,这种一吨半的导弹其火箭发动机推力高达28吨,虽然仅仅能够工作几秒钟,但当火箭燃烧完毕导弹的速度能够突破5倍音速。

利用反冲作用获得高速度的火箭发动机早在一千多年前就被运用于军事领域。这是一种在燃烧室内填装燃料与氧化剂,进行一次性使用的发动机。虽然燃料和氧化剂的消耗量惊人,但是火箭发动机能够获得相当强大的推力。在航母弹射器还不太成熟的年代,火箭发动机经常被捆绑在重载的舰载机上,用以使飞机在短小的航母甲板上获得足够的起飞速度。

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利用火箭助推舰载机起飞实验

对于飞机来讲,空气是最容易获取的氧化剂。所以一种可行的思路是:改进火箭的结构,使得发动机能够从空气中取得氧化剂,与燃料在开放的燃烧室内燃烧获得推力。这就是喷气发动机的基本设计思路。虽然在燃油经济性上或许不如螺旋桨飞机,但是和活塞式发动机相比,喷气式发动机在高速飞行时仍然能够保持相当的推力,这一点尤为可贵。

虽然原理简单,但是喷气式发动机工作时的温度相当高,气流也更为强烈,内部零部件的工作条件十分苛刻,一般的金属材料难以应付;其次,其设计、实验的难度和技术要求也高于以往仅仅考虑输出功率的内燃机。

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Jumo004发动机,其寿命仅有短短50小时,喷气发动机的温度实在是太高了

最早投入实战的德国Jumo004发动机自重715公斤,能够提供880公斤的推力,两台Jumo004发动机使得二战时的Me262型战斗机达到了时速870公里,这一速度超过了几乎全部的螺旋桨战斗机。喷气发动机大大提高了人类所能实现的发动机的重量与功率比。例如,折算成功率来讲,运用在教练机上的AI-222-25喷气式发动机,重500千克左右,等效功率达到了6000千瓦;而二战时的普惠R-2800活塞式发动机,重达1073千克,功率仅有1567千瓦。

既然喷气式发动机如此之优秀,那么我们是不是可以立即将其运用在舰载机上呢?且慢,这里说一下二战后飞机的发展问题。

既然喷气式发动机给航空界提供了如此良好的一个高速动力源,那么除了发动机本身,在气动设计上,飞机设计师也致力于为发动机提供一个良好的高速平台。特别是对德战争中,东西方阵营都吃够了高速飞行的苦头,为了追求己方飞机的最高飞行速度,飞机的高速阻力被设计的越来越小,飞机的翼展也越来越窄。窄小的机翼使得飞机在低速时的升力大打折扣,也使得飞机的起飞速度更高,降落更困难。在过去活塞式发动机的年代,飞机在航母甲板上仅需要加速到时速150公里即可起飞,简单的直通式甲板完全能够胜任;而喷气式战斗机米格21的起飞速度高达每小时330公里,在陆地上需要800米长的跑道才能完成起飞——目前最长的船舶都没有达到800米长。也同样是为了高速,为了使得飞机机体具有足够的强度在高速飞行时不会解体,原有的木材能轻质材料被完全放弃,改换为能够耐高温也更重的金属;同时,导弹武器的重量也远远大于过去的机枪机炮;为了能够负担更重的机体重量,又需要更多的燃油和更大的发动机。二战初期的零式战斗机不到两吨重,而苏-33舰载机的重量近30吨。当舰载机动力刚刚实现从活塞式发动机到喷气式发动机的过渡时,出现在美军航母上的起降事故层出不穷,甚至到了要用伤亡率衡量的地步。

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早期喷气式舰载机在航母上起降时事故率居高不下

现在对飞机的要求又回到了推力上:虽然涡喷发动机有足够的推力实现高速飞行,但是现在需要提供一种至少在起飞阶段推力更强劲的发动机,能够使得飞机的起飞距离尽量短,对于舰载机来说,意味着更加安全的起飞。在这个时候,人们又想起了已经沦为初级飞机主要推进器的螺旋桨。诚然,高速飞行的螺旋桨存在失效效应,但是低速的时候,螺旋桨发动机又有着良好的可靠性和不高的油耗,也难怪低速飞机从来没有用过喷气式发动机。

涡轮喷气式发动机的工作原理其实不难,喷气式发动机有一根主轴,轴的前端是风扇,后端是能够承受高热的涡轮。工作时,主轴高速旋转,将前方的空气吸入发动机并赋予一定的压力,压入燃烧室;燃料被喷入燃烧室,与高压空气混合并被点燃;爆燃的燃烧气体一方面带动涡轮,驱动主轴继续旋转,另一方面喷出形成推力。可见,高速转动的主轴是涡轮喷气发动机的一个重要部件;同时,这是一个连续的工作流程,不存在传统内燃机分冲程工作的间断过程。为此,将喷气式发动机主轴延长,使其带动一个在外面的螺旋桨,是不是可以既能满足低速工况下的大推力,又能满足高速飞行时保持推力的情况呢?


在五十年代未、六十年代初,作为航空动力的涡轮喷气发动机已经相当的成熟。当时的涡喷发动机的压气机总增压比已经可以达到14左右,而涡轮前的最高温度也已经达到了1000℃的水平。在这样的条件下,涡喷发动机使用主轴进行部分能量输出已经有了可能。而当时对发动机的推力要求又是那样的迫切,人们很自然地想到了通过给涡喷发动机加装风扇以提高迎风面积增大空气流量,进而提高发动机的推力。

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涡扇发动机在涡喷发动机转子上加装风扇,获取成倍的燃料利用率

增大吸入发动机的空气流量是一方面,大涵道比的涡扇发动机还直接使用更大的风扇直接演化为推力,这样对预警机、反潜机等一系列需要大航程、大滞空时间,而非直接攻击的作战飞机就有了更大的用武之地。今日,航空母舰上仍然有着诸如E-3这样的螺旋桨飞机。看起来,这些螺旋桨飞机与过去活塞发动机驱动的螺旋桨飞机并无区别,但是它们的核心机已经和过去大相径庭——它们使用了燃气轮机,喷气式发动机的一个变种。燃气轮机拥有和喷气式发动机相同的核心机,只不过发动机喷出的高速气体更多的被涡轮转化为外置螺旋桨的旋转运动,而不是直接喷气推动飞机前进。涡轮发动机吸入大量空气的特性,使得燃料燃烧更加充分,与同功率的活塞式内燃机相比,涡轮发动机更加省油,也可以被造的更加小巧。由此,同样的机体可以装下更大功率的发动机。

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今天的航母上仍然有螺旋桨飞机,但其动力和过去的螺旋桨已经彻底不同了

喷气式发动机的发展,无形之中还成就了另外一种几乎无论海军大小都可以拥有的舰载机——舰载直升机。为了能够获得与自身的重力相平衡的升力,直升机需要巨大的顶部螺旋桨和强劲的发动机。在活塞式内燃机大行其道的时代,直升机能把沉重的活塞发动机升起来就已经很不错,更遑论像今天的直升机一样携带数吨载荷去执行任务。涡轮发动机使用涡轮替代厚重的汽缸来抑制燃料燃烧的高压,并将其转化为强劲的动能,因此可以以极小的体积满足直升机的功率需求。今天的舰载直升机,如果不注意观察,几乎难以发觉发动机(一般紧贴螺旋桨根部),而舰载直升机已经可以用来反潜、救援甚至运输,其直上直下的特性使得千吨级的中小型舰艇都可以轻松搭载,这都是涡轮发动机发展的有益成果。

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我国海军的舰载直升机,其发动机大小和直升机大小比起来近乎忽略不计

当时人们通过计算发现,以当时的涡喷发动机的技术水平,在涡喷发动机加装了风扇变成了涡扇发动机之后,其技术性能将有很大的提高。当涡扇发动机的风扇空气流量与核心发动机的空气流量大至相当时(函道比1:1),发动机的地面起飞推力增大了百分之四十左右,而高空巡航时的耗油量却下降了百分之十五,发动机的效率得到了极大的提高。这种加装了外置风扇的发动机就被称为涡轮扇发动机(涡扇发动机),今天绝大多数的舰载战斗机,包括我们的歼-15用的都是这种类型的发动机。歼-15所用的涡扇发动机单台推力接近13吨,两台发动机使得一架飞机就具有了25吨以上的巨大推力。相比之下,米格-21所用的涡喷发动机推力仅有6600千克。与歼-15机械参数基本相同的苏-33舰载机,满载起飞重量超过32吨,并且一次加油能够飞行3000公里。得益于大推力的涡扇发动机,歼-15和苏-33能够在不借助外力弹射的情况下,仅仅滑跑150米就能从航母的甲板上顺利起飞。

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-15的发动机属于小涵道比涡扇发动机,风扇直径较小不外露,拥有多级并且转速更高

不过,即使发动机的推力一再提高,让动辄二十吨上下的舰载机在航母上正常起降也不是一件易事。为了适应舰载机的变化,现今的航母几乎全部采用斜角甲板,飞机起飞时不是借助弹射器的外力,就是使用滑跃甲板给飞机以向上的初速度。同时,航母的吨位变化也说明了舰载机对空间的巨大需求。航空动力和水面舰艇建造之间的螺旋发展,还将持续相当长的一段时间,随着更新型的航空动力(比如冲压发动机)的发展,我们应该会看见全新的舰载航空兵装备,乃至由此而来的新型海军装备和海军战术的的问世。

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