解密航母战机夜间起降背后的高科技,民航货架

  出品:科普中国

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  作者:矛隼工作室

  策划:宋雅娟

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  作者:于飞(资深科技媒体人)

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  一说到商业航天,大多数人脑子里的第一印象就是SpaceX太空技术探索公司,这家由埃隆马斯克创建的航天公司长期占据航天媒体的头版,而其他公司却在我国媒体发报道中难寻踪迹。

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  在去年12月,也就是美国空军正式提出B-52轰炸机的下一步延寿计划之后,美国著名航空发动机制造商普拉特-惠特尼公司(下文简称普惠)在近日首次公开了适用于延寿计划的发动机升级方案。当然,旗下军民成熟货架产品众多的普拉特-惠特尼并没有为“同温层堡垒”再专门研制一款新发动机,而是提出将成熟的PW815小涵道比涡扇发动机在稍加改造之后直接应用于B-52的延寿计划。

  5月24日,中央电视台公布了中国航母舰载机突破夜间起降的画面。从央视播出的画面上看,歼-15降落的过程非常平顺。这不仅说明中国航母战机驾驶员的素质非常过硬,也意味着中国航母的自动着舰系统(ACLS)和技术已相对成熟,我国成为世界上少数几个掌握舰载机夜间起降技术的国家。据了解,航母战机夜间能平稳起降,背后依靠的正是高水平的自动着舰系统和技术。而航母的舰载机自动着舰系统和技术的核心,是通过相关设备舰载机及航母的运动,由此得到飞机降落所需要的航迹,根据飞机的状态得到修正指令,然后自动控制飞机降落。

  而有这么一家公司,处处要和SpaceX相比,各位看官先别笑,这家公司还是有一定的资本的,这家公司就是蓝色起源公司。

  6月20日,俄罗斯11711型大型坦克登陆舰首舰“伊万·格林”号(舷号135)在波罗的海之滨的俄罗斯“琥珀”造船厂举行入役仪式,正式加入俄罗斯北方舰队,科拉海区舰队的登陆舰第121支队。

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  蓝色起源公司是一家美国公司,和spaceX一样,其也有一个传奇般的老板,不过这个老板不是和埃隆马斯克一样的技术天才,而是一个超级互联网富豪——杰夫·贝佐斯,在2018年3月发布的福布斯富豪榜中,贝佐斯以1120亿美元的资产成为了世界首富。

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  图为采用PW815发动机作为动力的通用MQ-25无人加油机。(来源:美国海军)

  战机夜降航母遇两大挑战 全自动着舰系统应运而生

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  自苏联建国以来,虽然红海军几起几落,特别是在冷战时期,红海军也曾经以185万吨的总吨位傲居世界第二,当年红海军的核潜艇、导弹巡洋舰等,是整个北约挥之不去的梦魇,也是大洋上盯梢美国海军航母战斗群的主力。但是,苏联海军在两栖登陆舰方面一直落后于西方。虽然在冷战时期,从西欧滨海地区实施登陆作战,以装甲部队对盟军进行侧面包抄一直是苏军的既定作战计划,但是苏军却一直缺乏现代化的大型两栖战舰,无论是量产的“北方”级还是“蟾蜍”级,都还是二战的模式——全通舰体,舰首开口,作战时靠舰只冲滩,以投放其携带的海军陆战队和陆军装甲部队。

  在此之前,PW815系列发动机是享誉全球的“湾流”G500/600商务机的动力系统,另外在近期热度颇高的美国海军MQ-25无人加油机选型当中,通用原子动力的参选方案也采用了PW815作为其动力的解决方案。

  航母上的舰载机夜间起降是一件非常困难的事情。因为航母是一个活动的战机平台,在进行舰载机起降作业时,航母本身也会高速航行,这样可以减少舰载机起飞、降落所需要的速度,获得更高的最大起飞重量、更好的降落成功率。即使是动力较弱的航母,移动的速度也会达到26到28节左右。

图为蓝色起源和亚马逊共同的老板——贝佐斯(来源:百度图片)

  也许是意识到了自身的缺陷,苏联在1980年代开始探索新式的登陆舰,但是由于遭遇苏联解体的冲击,所有的研究工作都停顿下来,许多方案被取消。一直到1998年,著名的俄罗斯“涅瓦”设计局才得到命令,开始设计11711型登陆舰。而该舰到2004年才正式在“琥珀”造船厂开工建造。11711型登陆舰是1171型登陆舰的升级版,但依然是一种二战模式的传统登陆舰。该舰排水量约5000吨,长120米,宽16.5米,吃水3.6米,安装有2台柴油机,全速18节,续航力3500海里,自持力30天。

  那么,诸如PW815之类成熟的民用航空发动机为何能中军机和军方的“法眼”?在军机研发和制造成本日渐提高的今天,民用航空制造业又如何完成对军用航空业的反哺?

  想一想,在夜间茫茫大海中,在运动的军舰上,飞行员只能借助自身的探照灯与跑道的标志灯等作为参照物进行着陆。舰母飞行甲板比陆地机场要小的多,并且还在不断的运动之中,海上的气候、气流也比陆地复杂和恶劣,这样就大大提高了舰载机着舰的难度。即便经验丰富的美国海军航母航母舰载机飞行员着舰的时候,着舰一次成功概率也不到50%,大部分需要进行复飞。

  在巨大的资金支持下,蓝色起源公司的目标也和SpaceX一样——通过快速复用火箭技术,打造自己的航天帝国。

  11711型登陆舰依然采用传统的二战登陆舰设计,舰首设计大开口,舰尾设计跳板和坞舱,舰体内部贯通,以方便装备调度。11711型登陆舰可装载13辆主战坦克或36辆各类装甲车辆和一个海军陆战队营(约300人),以及2架卡-29武装直升机。舰员编制为100人。该舰于2004年开始建造,但是由于经费问题,数次遭到停工,特别是2008年,由于俄罗斯和法国签订了购买“西北风”级两栖攻击舰的合同,整个11711项目完全停顿下来。后来,法国迫于美国压力,取消了和俄罗斯的合同,11711这才“起死回生”从2012年开始复工建造。到2016年下水海试,前天正式交付俄海军服役,整个建造过程长达14年,即使一贯拖拉懒散的印度海军也要自愧不如。

  多就是好:民用航发“参军”的最大优势

  对于夜间降落航母的战机来说,航母的高速运动会带来两大挑战。第一是航母航行时,会在俯仰、侧向等多个方向上都不断摇晃起伏,姿态始终处于动态变化中,这样会导致航母着舰区域的甲板高度不断变化;当甲板高度过低时,舰载机会错过拦阻索,只能拉起复飞;而甲板高度过高,舰载机甚至会直接撞毁在扬起的舰尾上。所以一般舰载机降落,航母上必须有雷达,用于精密跟踪测量舰载机降落的姿态轨迹。

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  虽然11711是俄罗斯目前最新锐的登陆舰,但是其吨位和载荷只相当于我国072系列登陆舰,特别是其作战方式还是二战式的抢滩登陆,即由登陆舰冒着敌方炮火直接开上滩头,然后打开舰首坞舱大门,让运载的坦克、装甲车等重武器直接冲滩登陆。在整个登陆过程中,11711舰要完全暴露在敌方岸基火力打击之下长达数小时,这在现代作战中是不可想象的。我军新式的071型船坞登陆舰已经开始使用直升机+两栖气垫船实现“超地平线登陆”。也就是登陆舰停在敌方岸基武器“视距”以外(由于地球有曲率,所以岸基雷达和光电侦查装置通常最大“视距”只有40公里),然后直接用直升机和气垫船向滩头投放部队,这样登陆舰本身隐蔽在滩头火力射界之外,可以大大提高舰艇的生存能力。

  事实上,美国空军早在上个世纪八九十年代就曾经想为B-52“换心”,使其在油耗经济性和可维护性方面更上一个台阶。不过,当时的备选方案不是典型的大涵道比大推力发动机,就是适用于战斗机的小涵道比发动机,二者都不是能令美国空军首肯的选择,因为前者需要部分修改B-52的机翼结构、气动布局和短舱设计,而后者价格昂贵,并不能比B-52当时装配的TF-33发动机更有成本优势。

  第二个挑战来自于航母的舰岛,航母在高速航行时会因为自身阻挡气流的作用而在后方形成范围非常大的紊乱气流区域,舰载机进入紊流区以后飞行姿态和轨迹会遭受到相当大的干扰。所以对于传统舰载机驾驶员来说来说,克服混乱气流的不可预知影响,精确控制飞机姿态和轨迹实现着舰的表现,一直是他们水平高低的最显著特征之一。

  图为各种主要运载火箭的示意图,右数第二到第四个是新格伦火箭(来源:蓝色起源)

  不管怎么说,11711型“伊万·格林”号的服役,还是在一定程度上可以增强俄罗斯海军的两栖作战能力。特别是在目前俄军大规模支援叙利亚的巴沙尔政府军,迫切需要传统坦克登陆舰承担“敖德萨——塔尔图斯”运输任务。把支援给巴沙尔政府军的坦克、火炮和其他物资从敖德萨运往塔尔图斯,11711这样的登陆舰是最好的选择。

  实际上,TF-33这个代号听起来陌生,但若提起它的另一个名字JT3D,那就可谓是如雷贯耳了。这一款经典民用涡轮风扇发动机由于装配在波音707、道格拉斯DC-8等知名民航机型上,所以拥有恐怖的存量——其制造数量达到了8500台,以至于美国空军现役的大量E-3预警机、KC-135加油机到今天都不需要订购大量替换用零部件,只消从退役的民机上“拆件”即可满足后勤需求。

  为了克服这两大挑战,美国20世纪40年代末期就提出了自动化着舰系统的构思,但一直到20世纪80年代中期,才在F18战斗机上实现这一功能的实用化突破,并成为无人机自动着舰的技术基础。因为航母的这一整套自动着舰系统不仅有着非常高的硬件要求,而且其软件系统的难度也非常高。一旦成功,舰载机就无需人工干预,实现全自动着舰。

  蓝色起源的超重型火箭名字为“新格伦”,其体型介于重型猎鹰和SLS太空发射系统之间。而且,这种超重型火箭也将具有其复用回收能力。

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  全自动着舰系统的技术含量很高。从实现原理上看,航母的交通管制中心首先会引导舰载机飞到精确跟踪雷达的截获窗口,然后雷达会一直跟踪舰载机,直到着舰前的1.5~1.8秒——此时舰载机进入跟踪雷达盲区。这个过程中,雷达会不断测量飞机的位置,并根据航母自身的摇摆起伏情况进行修正,计算出当前时间内,飞机相对于航母的精确空间关系。随后计算机会将这一数据与事先储存好的理想着舰轨迹进行对比,并一方面将差异数据发送给舰载机的平显仪,提示飞行员;另一方面,这些差异数据会按照导引规律进行计算,随后按每秒10次的频率不断发送给飞机上的设备。机载设备接受并根据这些引导信息,通过飞行控制系统不断纠正飞行姿态和轨迹,最终让飞机按设置的理想着舰轨迹飞行。

  新格伦火箭的设计与重型猎鹰不同,其有多个可旋转的空气动力侧翼,这些侧翼将可以起到减速和控制飞行方向的作用。其作用更类似于猎鹰九号的格栅舵和反冲火箭的联合效果。随后的新格伦火箭将在接近回收船的时候打开火箭引擎进行减速。全程中只有这一次减速火箭启动,而与之对比的猎鹰火箭在减速时要三次启动反冲火箭。

  图为试验TF-39(为C-5“银河”运输机设计)航发的B-52。可见改造幅度和变化之大。(图源:wikipedia)

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  新格伦火箭也是进行海上着陆,这样可以更加节省火箭的运力。而其海上着落船与SpaceX相比可以说是豪气无穷——其将用一个数万吨的轮船直接改装成着陆平台,而SpaceX的着陆船只有几百吨。

  如此之大的存量,自然就在无形之中降低了TF-33的维护成本。同样的,随着湾流公务机热卖被大量生产出来的PW815发动机也拥有成本低的优势,其规格也基本上和JT3D/TF-33相仿,使得B-52不需做过多改造即可适配新航发上机。

  我国航母舰载机距离“全自动着舰”又近了一步

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  当然,在航空发动机技术发展得最为“高深”的军用战斗机小涵道比发动机领域,现有的民用货架成品航发都无法胜任战斗机严苛的使用环境:和平时飞得比较“规整”的其它军/民用航空器不同,倒飞、大过载机动等动作是战斗机的常态,而这些动作将大幅影响涡扇发动机的进气、工况等指标,因此需要专门设计制造的发动机也就不足为奇。

  全自动着舰系统的运用,可以让航母可以高效率出动大批次航母舰载机,平时可以提高航母舰载机的训练水平,而战时可以有效的增强航母打击能力,更好发挥航母编队的作战能力。

  图为新格伦火箭着陆在平台船上的示意图(来源:蓝色起源)

  不过我们也必须认识到,战术战斗机仅仅只是遍及陆、海、空三军的,军用航空体系中的一个小小分支,在直升机和大型飞机领域,民用发动机的竞争力依旧是压倒性的。

  由于战机的全自动着舰技术比较复杂,目前,世界上仅有美国、法国的航母系统能够实现全自动着舰功能。而美国航母上真正能自动着舰的,也仅有F18系列、X47B、F35C等型号。其它型号飞机只能做到半自动引导降落,将飞机自动引导到最后一段距离,然后飞行员再根据菲涅耳光学助降系统的指引着舰。

  新格伦火箭的初步预计近地轨道运载能力约为45吨,略低于SpaceX的重型猎鹰。支撑起巨大推力的是其BE-4发动机,这种发动机除了将装备新格伦火箭之外,还将装备ULA联合发射联盟的火神级火箭。2009年NASA商业载人发展技术第一阶段开启之后,两家公司开始了一系列的合作,BE-4就是合作产物之一。

  华丽转身:民航客机和军用战机的无缝切换

  苏联在解体前开发了“电阻器”系统,功能和原理类似于全自动着舰,但研制中途即遭遇苏联解体,随后停滞不前。而且,“电阻器”的实际水平很低,不仅是各分系统、设备、部件的性能较差,更重要是在数据积累、引导、控制规律的算法设计和软件编写上极不成熟,其整体性能勉强相当于美国20世纪70年代的第二代早期型的水平,在实际使用中只能勉强做到半自动引导。

  7台BE-4发动机将排列在新格伦一级火箭的底部,采用了单轴富氧分级燃烧技术(single-shaft oxygen-rich staged combustion)每个发动机将提供2400千牛推力。BE-4将使用液化天然气和液氧作为反应燃料,这最大的好处是积碳较少。

  聊到本文一开始提起的波音B-52“同温层堡垒”,那当然就不可避免地要提起波音在二战期间设计制造的传奇机型B-29“超级空中堡垒”,后者不仅是前者的祖辈,更是战略轰炸机概念的开创者。

  我国在引进“瓦良格”号航母时,并未获得“电阻器”系统,“瓦良格号”航母还在乌克兰时,所有重要设备就已经被悉数拆除,所以我国航母的自动着舰系统应该是自主研发的。

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  但实际上,波音B-29的源头“1332方案”正是从“1307方案”改进而来,而1307方案便是波音307“平流层”客机的设计代号。该机是世界上首架设有全增压客舱的民航飞机,首度具备了爬升到云层上空躲避恶劣极端天气的能力。

  从中国首艘航母“辽宁”舰服役,到这次歼-15首次在上面降落,已经过去了五年多时间,现在终于具备了夜间气象的作战能力。这也就是说,我国自动着陆系统至少经历了五年研发时间,离实现全自动地着舰功能又近了一步。

  图为BE-4火箭发动机(来源:蓝色起源)

  而在战后,波音也于B-29的基础上改造出了波音377“同温层巡航者”客机,要说这一个系列是在军机和民机间“无缝切换”,那真是一点都不为过。

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  积碳指的是火箭发动机启动时,未燃烧完全的碳元素的堆积。液化天然气相对来说更为清洁,尤其是相对于SpaceX的梅林(Merlin 又名灰背隼)发动机的液氧煤油燃料来说。这将大大降低后期火箭的复用清理流程,据悉,一个BE-4发动机将可以复用100次。

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  我国自动着舰系统等航母技术发展较晚 但具有后发优势

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  图为执飞大西洋航线,把邮轮送进坟墓的波音377客机。(图源:Air-Britain)

  和美国、法国的成熟自动着舰系统相比,我国自动着舰系统等航母技术确实发展比较晚。中国海军从20世纪80年代开始着手航空母舰的前期技术准备工作,其中舰载机航母起降作为重点领域进行技术攻关,在20世纪90年代在舰载机起降技术方面的取得了初步成果,在此基础上开展了自动着舰系统与飞行控制系统方面的研究。

图为两种新格伦火箭的构型和单独着陆状态的新格伦火箭(来源:蓝色起源)

  而在这之后,波音对这种“军民互补”的手法也玩得越来越熟稔:大名鼎鼎的波音747,其实原本就是与洛克希德C-5A“银河”争夺美空军大型运输机计划的失败者,在稍加改造之后便推向民用市场;KC-135/RC-135/E-3/E-8等美国空军现役的特种机平台,全部来自现代客机的开山祖师爷波音707;美国海军的下一代反潜机,在平台上也直接取自波音成熟的短程干线客机737NG。所有这些平台在当时(或之前)都是年产量至少过百的商用热门机型。由此一来,军用机项目所提供的庞大资金能为民用机的研发提供助力,而民用机的产量又能控制军用机的成本,二者可谓是“相得益彰”。

  不过,我国自主研发全自动的着舰系统,有着巨大的后发优势——不需走太多的弯路,可以直接沿着最有效率的正确方向高速追赶,就如同在歼10项目上,中国花了20年时间完成了对国外先进水平从望尘莫及到能够同台竞技,又在歼20项目花了10年时间,完成了跻身于世界顶尖行列的壮举。

  不过,液化天然气的密度远远小于煤油,这迫使蓝源不得不在新格伦火箭上采取超大型的储箱,大大增大了一级火箭的体积,事实上是不利于火箭的回收的。就目前为止,世界上尚未如此吨位火箭的整体回收记录——重型猎鹰火箭虽然比新格伦更大,但是其一级火箭是分开为三部分分别回收的。

  从相关新闻报道来看,歼-15能够在计算机控制之下自动完成着舰系统,说明中国相关单位已经完成自动着舰系统的研制,凭借后发优势,歼-15采用了比较先进的数字式三轴四余度电传操纵系统,能够与自动着舰系统形成更加紧密的联系,这样就可以像F -18那样着舰过程之中不需要飞行中的操作,形成真正意义的全自动着舰,这是中国航母航舰载机领域一个突破。

  此外,新格伦火箭的另一个优势在于其只有七台发动机,可靠性相较于重型猎鹰火箭的27台发动机要高得多。而需要清理的发动机数量也就少得多。蓝色起源公司也为之提出了快速复用理念——发射回收后快速清理检查然后重新加注,曾有报道称蓝色起源公司计划在回收船上将完成火箭的发射——回收——检查——加注——再发射的一条龙。

  中国北斗卫星导航定位系统的应用也在深入发展,它可以提供更加精确的位置和航迹,所以中国海军和相关单位可以在此基础上发展更加先进的舰载机自动着舰系统,,进一步提高航母舰载机的出动能力,尤其是昼夜恶劣气侯条件下着舰能力,并且为以后的舰载无人作战飞机上舰打下基础。

  使用BE-4的新格伦和火神两型火箭的主要服务对象除了传统的美国空军、美国国家侦察局、美国航空航天局之外,还将更多地服务于民间公司。值得一提的是,蓝色起源公司将使用新格伦火箭与oneweb公司进行合作,发射数百枚网络卫星为世界提供无线网络。而这一计划与spaceX和Starlink的计划非常相似,也确实可以看出这是一个处处与spaceX对比看齐的公司。

  尽管我国的航母体系才刚建立起来,有些地方还有欠缺,比如舰载和机载惯性导航设备的精度。但笔者相信,只要中国奋起直追,将全自动着舰系统研究工作扎扎实实的做到实处,战机全天候地自动降落对于我国航母来说并不遥远。(本文图片来自央视视频截图)

  在这个重型火箭的黄金时代,很多公司都计划着地外探索,例如spaceX的目光一直订在火星上,而ULA联合发射联盟则也提到过将建立月球殖民地。蓝色起源的老板贝索斯却觉得,蓝色起源将更多地考虑如何通过零重力工业和太阳能造福人类,而不是探索外星球。

  无论怎么样,蓝色起源也将为世界贡献自己的运载火箭,或许,他们将会是人类太空时代的新答案。

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