劉苗鑫，劉 濤，原正庭，張國慶

（中國飛行試驗研究院，西安 710000）

彈射起飛是指用彈射器給艦載機(jī)施加外力，使其迅速增速而“彈射升空”。彈射起飛可以滿足不同起飛重量、不同推重比飛機(jī)在航母上起飛的要求，可以大大提高航母自身防衛(wèi)和攻擊能力，而且具有效率高、工作可靠、抗御風(fēng)和航母搖晃等外界干擾能力強(qiáng)的特點，能極大地滿足實戰(zhàn)需要。隨著現(xiàn)代艦載機(jī)作戰(zhàn)載重的不斷增加和固定翼預(yù)警機(jī)、反潛機(jī)等特種飛機(jī)的上艦，采用彈射起飛已是大勢所趨。

目前，美國海軍艦載機(jī)全部采用彈射起飛，法國的新型航母上亦采用了這種起飛方式[1]。但艦載機(jī)在彈射起飛過程中的運(yùn)動變化劇烈，并且受到多種環(huán)境因素的耦合影響，因而具有較大的復(fù)雜性和危險性[2]，因此很有必要對艦載機(jī)彈射起飛試驗的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探索和研究。

本文根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，確定了彈射起飛的安全評價準(zhǔn)則和影響因素，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國外彈射起飛經(jīng)驗，重點對艦載機(jī)彈射起飛試驗技術(shù)進(jìn)行研究，主要包括艦載機(jī)彈射包線、陸上彈射試驗、艦上彈射試驗等相關(guān)內(nèi)容，可為開展艦載機(jī)彈射起飛試驗提供技術(shù)參考。

1 彈射起飛影響因素分析

1.1 彈射起飛安全評價準(zhǔn)則

在開展彈射起飛影響因素分析前，需充分了解彈射起飛安全準(zhǔn)則，美國人Lucass[3]將仿真與試驗相結(jié)合，研究了不同型號艦載機(jī)彈射起飛規(guī)律，并進(jìn)行分析比較，討論了各參數(shù)對艦載機(jī)彈射起飛性能的影響，總結(jié)出了艦載機(jī)彈射起飛的一般安全準(zhǔn)則，趙一飛等[4]對艦載飛機(jī)彈射起飛安全評價準(zhǔn)則在飛行性能、飛行品質(zhì)兩方面進(jìn)行了深入研究，形成如下結(jié)論。

1）彈射起飛階段，飛行品質(zhì)指標(biāo)需要滿足等級1要求；

2）彈射起飛階段，必須保證艦載機(jī)離艦后下沉量不超過3 m；

3）彈射起飛階段，最大迎角應(yīng)不超過告警迎角，最小末速應(yīng)大于失速告警速度；

4）彈射起飛階段，飛機(jī)離艦后縱向加速度大于0.065 g；

5）彈射起飛階段，離艦后俯仰角速率不超過12°/s。

上述安全準(zhǔn)則主要涉及艦載機(jī)彈射后的縱向安全性要求，國外某型艦載機(jī)飛機(jī)手冊[4]指出，在非對稱裝載的情況下，期望飛機(jī)在彈射離艦后的3 s 內(nèi)滾轉(zhuǎn)角應(yīng)小于5°，故可以選擇滾轉(zhuǎn)角作為艦載機(jī)離艦后橫航向安全性評價準(zhǔn)則。

綜上所述，彈射起飛安全準(zhǔn)則主要涉及對飛行品質(zhì)、飛機(jī)加速性、飛機(jī)離艦后縱向姿態(tài)及橫航向姿態(tài)進(jìn)行了規(guī)定，如圖1 所示。

圖1 艦載機(jī)彈射起飛安全準(zhǔn)則

1.2 彈射起飛影響因素分析

為確定艦載機(jī)彈射起飛縱向姿態(tài)影響因素，在不考慮艦載機(jī)的偏航和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動的情況下，建立艦載機(jī)垂直和俯仰運(yùn)動動力學(xué)模型[5]，艦載機(jī)起飛過程中的受力示意圖如圖2 所示，動力學(xué)方程為

圖2 艦載機(jī)彈射起飛受力示意圖

式中：m為艦載機(jī)重量；p為發(fā)動機(jī)推力；σP為發(fā)動機(jī)推力線安裝角；FL為升力；F前和F主分別為艦載機(jī)前、主起落架軸向突伸力；FT為彈射力；θ 為艦載機(jī)俯仰角；θT為彈射力與甲板夾角；IZ為艦載機(jī)縱向轉(zhuǎn)動慣量；MC（P）為推力P作用在飛機(jī)質(zhì)心的力矩；MC（F前）和MC（F主）分別為F前和F主作用在飛機(jī)質(zhì)心的力矩；MZ為氣動力俯仰力矩。

通過上述艦載機(jī)彈射起飛動力學(xué)模型可以得到，影響艦載機(jī)彈射起飛離艦后縱向姿態(tài)的因素主要包括飛機(jī)重量、重心、彈射力、發(fā)動機(jī)推力、縱向轉(zhuǎn)動慣量和起落架突伸力。

此外，蔡麗青[6]和朱熠[7]通過建立彈射起飛控制仿真模型，明確了升降舵預(yù)置偏角對彈射起飛中迎角和俯仰角速率會帶來影響；王志偉[8]、賈忠湖等[9]、馮宇鵬等[10]通過艦面縱搖對彈射起飛的仿真分析，明確了航母縱搖對艦載機(jī)彈射起飛影響較大；林佳銘等[11]和于浩等[12]考慮非對稱影響因素對彈射起飛的仿真分析，明確了定位偏心、非對稱構(gòu)型、航母橫搖會使飛機(jī)在離艦后出板滾轉(zhuǎn)姿態(tài)偏離，不利于彈射起飛安全；綜上所述，影響艦載機(jī)彈射起飛安全因素主要包括飛機(jī)狀態(tài)、彈射裝置、航母運(yùn)動，如圖3 所示。

圖3 艦載機(jī)彈射起飛影響因素分析圖

2 艦載機(jī)彈射包線

艦載機(jī)彈射起飛，需綜合考慮飛機(jī)狀態(tài)（重量、重心、構(gòu)型和發(fā)動機(jī)狀態(tài)等）、彈射器性能、甲板風(fēng)條件和母艦運(yùn)動等相關(guān)因素。為保證彈射起飛的安全，需明確艦載機(jī)的彈射包線，典型的艦載機(jī)彈射包線如圖4 所示。

圖4 典型的艦載機(jī)彈射包線

從圖4 中可以看到，艦載機(jī)彈射包線主要考慮以下幾個方面。

其一，推薦彈射末速，即艦載機(jī)正常彈射所需的末端空速，以該末速彈射可保證艦載飛機(jī)順利彈射起飛；

其二，彈射器性能限制，指在彈射器最大彈射功量條件下，使艦載機(jī)加速到最大末端空速的限制；

其三，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制，指艦載機(jī)所能承受的最大彈射末速限制；

其四，最大彈射重量限制，指艦載機(jī)彈射的最大重量限制；

其五，所需WOD（甲板風(fēng)），當(dāng)艦載機(jī)重量達(dá)到一定程度以上，僅靠彈射器無法使艦載機(jī)的彈射末速達(dá)到推薦彈射末速，此時必須依靠甲板風(fēng)。

為得到各型艦載機(jī)的彈射包線，必須開展相應(yīng)的試飛驗證。通常情況下，彈射試飛驗證主要包括陸上試驗和艦上試驗2 個階段，首先需在陸上開展彈射起飛試驗后再開展艦上彈射起飛試驗。

3 陸上彈射試驗

艦載機(jī)彈射起飛試驗主要包括陸上彈射試驗和艦上彈射試驗[13]，艦載機(jī)在上艦前，建議首先開展陸上試驗，對于彈射型艦載機(jī)來說，也必須在陸上進(jìn)行充分驗證。結(jié)合彈射起飛影響因素分析及彈射包線，在艦載機(jī)陸上彈射性能試驗中，建議主要開展的試驗科目。①推薦彈射末速陸上彈射試驗；②最大彈射末速陸上彈射試驗；③偏中心定位陸上彈射試驗；④縱向配平設(shè)置陸上彈射試驗；⑤陸上側(cè)風(fēng)彈射試驗；⑥非對稱外掛陸上彈射試驗。

由于陸上彈射起飛試驗不涉及飛機(jī)離艦，因此無法驗證離艦后飛機(jī)的下沉量，除此之外，其他安全準(zhǔn)則均可在陸上彈射起飛試驗中進(jìn)行驗證。

3.1 彈射末速陸上彈射試驗

該項試驗的主要目的是在陸上對艦載機(jī)的推薦彈射末速進(jìn)行驗證，并充分驗證在推薦彈射末速下飛機(jī)狀態(tài)（重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量和發(fā)動機(jī)狀態(tài)等）對彈射起飛的影響。艦載機(jī)的推薦彈射末速首先由仿真計算得到，并通過陸上彈射試驗結(jié)果進(jìn)行修正。

為保證彈射試驗的安全開展，推薦彈射末速陸上彈射試驗應(yīng)按照以下程序進(jìn)行。

1）首先選定一組飛機(jī)狀態(tài)，先以較低的彈射器功量（CSV）開展陸上彈射試驗，由于彈射末速較低，尚達(dá)不到起飛條件，因此該部分試驗為陸上彈射滑行試驗，以驗證飛機(jī)與彈射裝置的適配情況[14]；

2）其次在該飛機(jī)狀態(tài)下，逐步增加彈射器功量（CSV），使試驗機(jī)的彈射末速逐步逼近推薦彈射末速包線，最終對試驗機(jī)在該狀態(tài)下的推薦彈射末速進(jìn)行驗證；

3）最后調(diào)整飛機(jī)重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量和發(fā)動機(jī)狀態(tài)等，在不斷逼近極限狀態(tài)情況下，對各狀態(tài)下推薦彈射末速進(jìn)行試驗驗證，從而得到推薦彈射末速下不同的重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量和發(fā)動機(jī)狀態(tài)等對彈射起飛的影響。

在推薦彈射末速陸上彈射試驗完成后，即初步確定了艦載機(jī)彈射包線的左邊界，也為后續(xù)試驗奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3.2 最大彈射末速陸上彈射試驗

該項試驗的主要目的是得到完整的艦載機(jī)彈射包線，同時驗證彈射力對彈射起飛的影響，最大彈射末速陸上彈射試驗可分為2 個部分。

1）當(dāng)飛機(jī)重量在圖4 中的交點以上時，即使在彈射器最大功量狀態(tài)，其彈射末速仍無法達(dá)到推薦彈射末速，必須依靠甲板風(fēng)才能實現(xiàn)彈射起飛，因此該狀態(tài)下的試驗在推薦彈射末速陸上彈射試驗中已經(jīng)完成，無需重復(fù)開展。

2）當(dāng)飛機(jī)重量在圖4 中的交點以下時，最大彈射末速大于推薦彈射末速，因此需開展專門試驗來確定該狀態(tài)下的最大彈射末速。

最大彈射末速陸上彈射試驗主要需考慮2 方面的限制，一為彈射器性能限制，二為飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制。在具體的試驗中，建議選定幾組飛機(jī)狀態(tài)，采取逐步增加彈射功量的方法逐步增加彈射末速，直至彈射末速達(dá)到2 個限制中的任何一個限制時，試驗結(jié)束。

當(dāng)最大彈射末速陸上彈射試驗完成后，即可確定艦載機(jī)彈射包線的右邊界，并得到不同彈射力對彈射起飛的影響。

3.3 偏心定位陸上彈射試驗

偏心定位陸上彈射試驗的主要目的是對艦載機(jī)的偏心定位彈射能力進(jìn)行驗證，同時驗證偏心定位對彈射起飛的影響。

目前的艦載機(jī)彈射起飛主要采用前輪拖曳的方式，所謂前輪拖曳式彈射起飛，就是給艦載飛機(jī)的前輪支架裝上拖曳桿，把前輪直接掛在彈射滑塊上，彈射時由滑塊直接拉著飛機(jī)的前輪加速起飛。

前輪拖曳的方式有可能導(dǎo)致艦載機(jī)在彈射器上就位時無法與彈射軌道完全對中，造成偏心定位彈射滑跑，如圖5 所示。

圖5 偏中心定位彈射滑跑示意圖

偏心定位彈射將導(dǎo)致彈射桿的受載變得非常復(fù)雜，同時使飛機(jī)在彈射拖曳過程中發(fā)生繞前起落架支柱的擺動，其擺動振幅隨初始偏心距離的增加而增加，嚴(yán)重時將影響飛機(jī)的起飛安全。因此，美軍對各型艦載機(jī)的偏心定位限制做了相應(yīng)規(guī)定[1]，見表1。

表1 美軍典型艦載機(jī)偏心定位彈射限制值cm

因此，在偏心定位彈射試驗中，建議首先通過仿真計算得到理論最大定位偏心量，之后在試驗實施中逐步增加偏心定位距離開展試驗，最終完成最大偏心定位限定值的驗證，從而得到不同偏心定位對彈射起飛的影響。

3.4 舵面預(yù)置偏度陸上彈射試驗

舵面預(yù)置偏度陸上彈射試驗的主要目的是確定艦載機(jī)彈射時的最優(yōu)升降舵預(yù)置偏度，同時驗證不同舵面預(yù)置偏度對彈射起飛的影響。

升降舵預(yù)置偏度產(chǎn)生的操縱力矩使艦載機(jī)在彈射起飛時獲得一個抬頭力矩，該力矩使飛機(jī)在離艦后迎角增大，升力增加。當(dāng)升降舵預(yù)置偏度增加時，飛機(jī)離艦俯仰角和最大迎角都隨之增大，航跡下沉量隨之減小。但過大的升降舵預(yù)置偏度會導(dǎo)致飛機(jī)離艦飛行段的迎角建立過快，容易造成飛機(jī)失速。

因此，在該項試驗中，建議選定確定的飛機(jī)狀態(tài)，逐步增加舵面預(yù)置偏度進(jìn)行陸基彈射試驗，通過試驗來確定最優(yōu)的升降舵預(yù)置偏度，從而得到不同舵面預(yù)置偏度對彈射起飛的影響。

3.5 陸上側(cè)風(fēng)彈射試驗

該項試驗的主要目的是驗證艦載機(jī)在大側(cè)風(fēng)條件下的彈射特性。

側(cè)風(fēng)是艦載機(jī)在艦上起飛時幾乎無法回避的環(huán)境條件，由于側(cè)風(fēng)會在船體側(cè)面上形成上洗氣流，增加飛機(jī)上風(fēng)側(cè)機(jī)翼的仰角，進(jìn)而增加彈射桿的扭矩，一旦飛機(jī)離艦，飛機(jī)會出現(xiàn)沿側(cè)風(fēng)向的偏航和滾轉(zhuǎn)。因此需要通過開展側(cè)風(fēng)條件下的彈射試驗來評估飛機(jī)在側(cè)風(fēng)條件下的起飛性能。

因此，在該型試驗中，建議首先通過仿真計算得到理論側(cè)風(fēng)彈射限制，為保證試驗安全，在試驗中應(yīng)逐步增加側(cè)風(fēng)開展彈射起飛，在達(dá)到艦載機(jī)的最大側(cè)風(fēng)彈射限制或安全準(zhǔn)則的邊界時結(jié)束試驗，從而確定彈射起飛的側(cè)風(fēng)要求。

3.6 非對稱構(gòu)型陸上彈射試驗

該項試驗的主要目的是驗證艦載機(jī)在非對稱構(gòu)型下的陸上彈射特性。

非對稱外掛彈射試驗是美軍艦載機(jī)彈射的一項試驗科目，由于飛機(jī)的非對稱構(gòu)型必然會帶來航向的非對稱扭矩，在飛機(jī)彈射起飛后，飛機(jī)不可避免地產(chǎn)生偏航和滾轉(zhuǎn)，試驗風(fēng)險較大。

因此建議在其他陸上彈射試驗全部完成，并對艦載機(jī)彈射特性基本掌握后，再開展非對稱外掛陸上彈射試驗。在該項試驗中，建議首先通過仿真計算得到理論最大非對稱扭矩的限制，為保證試驗安全，在試驗中應(yīng)逐步增加飛機(jī)非對稱扭矩，在達(dá)到艦載機(jī)的最大非對稱扭矩限制或安全準(zhǔn)則的邊界時結(jié)束試驗，從而確定彈射起飛非對稱扭矩的要求。

4 艦上彈射試驗

在艦載機(jī)陸上彈射試驗完成后，便可開展艦上彈射試驗。艦上試驗條件與陸上試驗條件有較大不同，其試驗科目與陸上也不盡相同。艦上彈射試驗科目主要有：①推薦彈射末速艦上彈射試驗；②最小彈射末速艦上彈射試驗；③縱向配平設(shè)置艦上彈射試驗；④艦上側(cè)風(fēng)彈射試驗；⑤航母運(yùn)動彈射試驗；⑥非對稱構(gòu)型艦上彈射試驗。

4.1 推薦彈射末速艦上彈射試驗

該項試驗的主要目的是對陸上試驗確定的艦載機(jī)各狀態(tài)下的推薦彈射末速進(jìn)行上艦驗證。

在進(jìn)行不同飛機(jī)狀態(tài)彈射起飛試驗時，為保證試驗安全，建議先以大于推薦彈射末速5~10 節(jié)的彈射末速進(jìn)行艦上試驗，然后逐步減小彈射末速，直至驗證到推薦彈射末速。

彈射末速的調(diào)整需以陸上彈射試驗結(jié)果為依據(jù)，通過改變彈射器彈射功量和甲板風(fēng)來實現(xiàn)。

4.2 最小彈射末速艦上彈射試驗

最小彈射末速，即艦載機(jī)能夠在艦艏安全彈射時所需的最低末端空速。在美軍規(guī)范中，將最小彈射末速作為基礎(chǔ)構(gòu)建飛機(jī)的彈射能力，而推薦彈射末速一般高于最小彈射末速15 節(jié)。

開展艦載機(jī)的最小彈射末速試驗，可對艦載機(jī)的小速度彈射性能進(jìn)行更深入的研究，同時也將拓展艦載機(jī)彈射包線，并將帶來以下優(yōu)勢。

1）降低彈射的甲板風(fēng)需求，從而提升船艦/飛機(jī)的操作性能；

2）降低彈射器施加于飛機(jī)上的負(fù)載，從而延長飛機(jī)的使用壽命；

3）降低船艦的蒸汽/電磁消耗，大量節(jié)省燃油/電磁消耗。

最小彈射末速艦上彈射試驗是一項高風(fēng)險的試驗，根據(jù)美國的最小彈射末速艦上彈射試驗經(jīng)驗，為保證試驗的安全開展，最小彈射末速試驗應(yīng)遵循以下原則。

1）最小末端空速項目里的第一個彈射，應(yīng)當(dāng)在高于預(yù)測最小值的15 節(jié)上（即推薦彈射末速）進(jìn)行；

2）接下來的彈射中，彈射器末端空速呈3～5 節(jié)遞減，通過觀測每次飛機(jī)離艦后的重心下沉量來判斷飛機(jī)是否達(dá)到起飛邊界，直到確定最小末端空速。

3）目標(biāo)剩余末端空速在15 節(jié)和6 節(jié)之間的下降通常是在恒定的甲板風(fēng)情況下通過減小彈射器功量實現(xiàn)，之后的試驗則是保持彈射器功量不變、通過減小艦船速度來減小甲板風(fēng)而實現(xiàn)。

F-35C 在開展最小彈射末速艦上彈射試驗時，其工況見表2[15]。

對于同一型艦載機(jī)，其最小彈射末速的測定通常需要在不同的飛機(jī)狀態(tài)（重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量、發(fā)動機(jī)狀態(tài)等）下開展。試驗時需要綜合考慮各項彈射起飛安全準(zhǔn)則、飛行員舒適度、飛行控制響應(yīng)在內(nèi)的多種因素，以獲得完整準(zhǔn)則的試驗結(jié)果，便于后續(xù)部隊的作戰(zhàn)使用。

4.3 舵面預(yù)置偏度艦上彈射試驗

該項試驗的主要目的是對舵面預(yù)置偏度陸上彈射試驗的結(jié)果進(jìn)行上艦驗證，以確定最終的最優(yōu)舵面預(yù)置偏度設(shè)置。

4.4 艦上側(cè)風(fēng)彈射試驗

該項試驗的主要目的是對艦載機(jī)抗側(cè)風(fēng)彈射能力進(jìn)行上艦驗證。

由于可以方便調(diào)整母艦航向和航速，因此艦上試驗可以得到較好的側(cè)風(fēng)試驗條件。在試驗中，建議逐步增大彈射側(cè)風(fēng)，直至驗證到最大側(cè)風(fēng)狀態(tài)。

4.5 航母運(yùn)動彈射試驗

該項試驗的主要目的是對艦載機(jī)在不同的航母運(yùn)動條件下彈射起飛能力進(jìn)行驗證。

由于航母縱橫搖均會對彈射起飛帶來影響，需要開展航母不同運(yùn)動條件下的彈射起飛驗證。在試驗中，由于航母的縱搖程度很大一部分是由海面環(huán)境因素決定的，所以在實際試驗實施時，需要在前述試驗中綜合考慮航母運(yùn)動帶來的影響，視情盡量控制航母縱橫搖程度，逐步增加縱橫搖程度，直到驗證到最大航母縱橫搖限制。

4.6 非對稱構(gòu)型艦上彈射試驗

該項試驗的主要目的是驗證艦載機(jī)在非對稱構(gòu)型時的艦上彈射特性。

由于該項試驗風(fēng)險較大，應(yīng)在其他艦上彈射試驗全部完成，并對艦載機(jī)彈射特性基本掌握后，再開展非對稱外掛艦上彈射試驗。

5 結(jié)論

通過本文研究，形成以下結(jié)論。

1）根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，確定了彈射起飛的安全評價準(zhǔn)則和影響因素；

2）對艦載機(jī)彈射包線進(jìn)行了研究確定，明確了艦載機(jī)彈射的各方面限制；

3）結(jié)合國外彈射起飛經(jīng)驗，對艦載機(jī)陸上和艦上彈射試驗的主要科目、試驗?zāi)康?、試驗方法提出了參考性建議。