艦載機的矢量噴管演變史

對艦載戰鬥機來講,矢量推力(TVC)技術多用於短距起飛/垂直降落(STOVL)構型。不過,常規起降艦載戰鬥機與TVC技術並不排斥。畢竟今天的艦載戰鬥機大多是陸基型號的衍生版本,將後者的矢量推力噴管用於前者在理論上是可行的。當然,這不會是一個簡單的拿來主義。即便是陸基戰鬥機,TVC噴管也只獲得了有限範圍的應用,這意味着TVC技術並不成熟。而海軍又一向以技術保守著稱,這就決定了將TVC噴管用於艦載戰鬥機,首先要邁過思想上的那道門檻。

坦白地說,這取決於美國海軍是否先有所行動。美國海軍對於航空技術一慣保守,即便在冷戰年代也是如此。從噴氣式飛機上艦到隱身技術,始終比空軍慢了半拍。冷戰結束後又進一步冷卻了美國海軍對先進技術的熱情,TVC技術遲遲沒有用於艦載機也在情理之中。更何況,今天的美國海軍仍然擁有地表最強大的海空力量,保守估計,其航母力量至少佔全世界的8成左右。當然,或許這些航母平臺搭載的F/A-18E/F與F-35C沒有F-22、F-35A強大,但這只是相對而言。在其他國家的同類面前,它們仍然是強悍的存在。無論是數量還是質量都是如此。所以在美國海軍眼中,TVC不是用來維持技術優勢的必須,畢竟過度的技術也是一種浪費。某種程度上美國海軍是一個風向標。歷史經驗告訴我們,一項沒有經過美國海軍驗證的前沿技術,很難有別的國家願意當這個出頭鳥——技術試錯的過程從來都代價不菲——當然英國人或許除外。

然而,隨着美國的國防戰略重歸大國競爭,就不能排除海軍對TVC態度的由冷轉熱,將之視爲“抵消戰略”(用技術優勢抵消對手的數量優勢)的一個可行選項。說穿了,海軍所謂的技術保守主義,歸根到底反映的是威脅環境——威脅強一些,保守就要消退一些。

艦載機的使用環境有其特殊性,TVC技術是否有助於滿足這些需求,這還得具體問題具體分析。

首先是短距起降。合理的利用TVC技術無疑將大幅度提高艦載機的短距起降能力。艦載機起飛時,推力矢量不但可以產生直接升力,還能利用推力矢量產生抬頭力矩,使飛機在較低的速度下抬起前輪,增大迎角,儘快離地。1989年5月16日,F-15 STOL/MTD驗證機進行了安裝推力矢量噴管後的首飛。試飛表明在同等起飛重量下,推力矢量噴管能使起飛滑跑距離降低25%(一說38%)。在後續試飛期間F-15STOL/MTD又進行了多次推力矢量起飛,抬前輪速度低至67.6千米/時,最短的降落距離低至416米,而標準F-15的降落距離爲2 286千米。將這種能力用於航母甲板的方寸之間是很自然的想法。事實上,世界上第一種裝備推力矢量噴管的噴氣式軍用飛機就是一架艦載機——美國海軍A-6攻擊機的原型機——絕非偶然。該機的尾噴管在起降時可下偏產生直接升力,用於提高起降升力,降低起降速度。雖然由於技術不夠成熟的原因,推力矢量噴管最終在量產型版本的A-6上被放棄,但這已經很能說明問題了。

艦載機的矢量噴管演變史

航母是一個系統工程,艦載機只是其中的一部分。這個系統工程除了單純的性能考量外,最重要就是成本問題了。十萬噸級核動力超級航母的使用成本在每天百萬美元級,造價更是天文數字。造價高達129億美元的“福特”級已經讓美國國會大呼喫不消了。所以在2016年預算案中,便責成美國海軍研究降低航母造價和尋找“福特”級替代方案的問題。2017年10月6日,蘭德公司爲此發佈了題爲《未來航母選擇》的研究報告,僅從公開的縮略版來看,蘭德公司爲美國海軍建議了4個用來替代“福特”級的選項:CVN 8X,CVN LX,CV LX,CV EX。這些選項從10萬噸級到2萬噸級不等,但即便是10萬噸級的CVN 8X,也是“福特”級的簡化版本,着眼點在於以適度的性能縮減來換取成本的可控。由此可見,在航母系統工程的建設中,造價與成本因素的重要性。但這與TVC提供給艦載機(戰鬥機)的短距起降能力有關麼?答案是肯定的。航母的最高航速越大,艦載飛機的離艦速度越高,起飛重量越大,戰鬥力越強。假定在航母靜止狀態下彈射可使得30噸重的典型艦載戰鬥機達到270千米/小時的離艦速度,那航母速度從25節增加到30節可使機翼升力增加3%,也就是說,飛機可額外攜帶1.8噸有效載荷,這是相當可觀的。

但巨大的航母要提高速度,動力代價必然巨大,並且不可避免地轉嫁到成本上來。增加彈射功率是相對簡單的辦法,但無論是蒸汽還是電磁彈射器,歸根到底都是從動力上打主意。大量的研究表明,從28節到34節,在這個速度範圍內,航母平臺功率與航速大體成立方關係。適當降低對航母最高航速和彈射功率的要求,可顯著降低對動力功率要求,也就是降低成本——CVN 8X降低成本的一個重要舉措,就是將航速由“福特”級的30節降低到28節,從而省下1臺反應堆。退一步來講,即便不考慮成本因素。TVC爲艦載機提供的短距起降能力,對於某些關鍵技術儲備相對落後(如航母平臺動力),但又至力於發展航母的新興海軍國家來講也是有意義的——比如法國海軍的“戴高樂”號就由於動力不足,最高航速還不到27節。這是一個相當難堪的數字,對航母的作戰效能造成了不小的負面影響。

艦載機的矢量噴管演變史

除了縮短起降距離之外,TVC技術還能提高艦載機的敏捷性。而改善這種能力,對艦載機的使用環境來講有着特別的針對性。艦載機的着艦經常被形容成在針尖上跳舞或者是受控的高速墜落,這與陸基飛機的着陸方式完全不同。下滑角和下沉率是影響飛機下滑軌跡的兩個重要因素,要控制飛機在理想着艦點上安全着艦,就必須明確着艦過程中的下滑角和下沉率範圍。在着艦過程中,只有將艦載機保持在這兩個指標的設計範圍內,才能保障安全。但在航母平臺運動、尾流和自然風的影響下,艦載機下滑着艦時的實際下滑角和下沉率隨時都在發生變化。雖然從進入下滑道窗口到着艦僅僅30秒時間,但飛行員則需要反覆調整飛行姿態,以確保飛機在正確的下滑通道內。例如,F/A-18E/F“超級大黃蜂”飛行員在實施着艦的最後18秒內,就需要對航線、攻角和速度進行數十次微小的調整。因此降落是艦載機飛行作業最危險的階段,也是飛行員淘汰率最高的階段。而引入TVC技術無疑將提高飛行員對艦載機進場着艦時的精確控制能力,這相當於降低了着艦難度,並使飛行員的安全着艦更有保障。

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