用高中物理知識解讀艦載機起飛方式

徐超

(南京市雨花臺中學 江蘇 南京 210012)

我國首艘航母平臺“遼寧號”已經正式入列， “遼寧號”長302 m，寬近70.5 m，吃水10.5 m，標準排水量約55 000 t,滿載排水量約67 000 t.航母不僅是一艘巨大的船，是一個移動的機場，它更是一個科技含量極高的現代化作戰平臺，應用了諸多的學科知識.本文就用中學物理知識解讀航母是如何巧妙地在有限空間讓固定翼飛機起飛的.

在陸地上，飛機的起飛助跑一般需要3 000 m長的跑道，而航母的飛行甲板只有300 m長，如何讓艦載機在這么短的跑道上起飛呢?這就需要飛機發動機具有很強的推動力，能在短時間、短距離內推動飛機達到起飛速度，所以,對于艦載機的起飛質量(包括武器裝備和油等)有所限制,除此之外,還有很多巧妙的辦法被應用.

圖1 飛機起飛時機翼受力分析

從以上公式來看，減小起飛距離可以從增加加速度和改變相對速度兩個方面采取措施，航母第一件事情就是利用自身的動力給飛機一個初速度30節即55.56 km/h，大概15 m/s，這個作用不容小視，根據相對運動的知識可知

(v-v0)2-0=2ax

經計算可以得到x=422.5 m，減小滑行的距離作用明顯，然而這個距離依然超過最大航母的甲板長.下面的措施就只有減小離艦速度或者是增大加速度了，根據這個思路目前主流的方法一是滑躍式起飛，二是彈射起飛.

1 滑躍起飛

滑躍式航母甲板與普通飛行甲板的主要區別是，后者的跑道基本上是水平的，而前者分為平直段和上翹段兩部分.為了減小因坡度加大而引起機體和起落架受力陡增，滑躍式甲板平直段與上翹段之間并非折線連接，而是傾角均勻過渡，采用與直線段相切的弧形曲線.

滑躍式航母甲板是如何做到減小加速距離的呢？原來艦載機在經過滑躍角后，因為甲板末端翹起，翹起的角度加大了機翼的攻角，造成升力大幅度提升，而且由于機身向上傾斜，因為機翼傾斜，阻力作用瞬間加大而將一部分動力變為上升力.這也是飛機襟翼的工作原理.平飛的話，這一部分上升力只能靠機翼后部的襟翼來提供，相同動力下由于阻力小，產生的上升力也小，所以,只有靠增加動力來增加上升力.另外,可以把飛機飛離航艦的剎那軌跡切線分解成水平及豎直向上的兩個矢量，發動機推力會產生向上的分力，產生類似于推力矢量發動機的效果，雖然向上產生的分力并不大，但是可以使艦載機即使離艦也能保持約2 s的滯空時間，兩者結合可以讓戰斗機的滑跑距離降低50%以上，而且推重比越大的飛機，距離減小的幅度越大，大量的計算和試驗證明，斜坡甲板的上翹角為10～15°時，艦載機的滑跑距離最短.像“遼寧”號航母的滑行甲板末端上翹的角度約為14°，為飛機離艦提供額外的升力，我國最新裝備的殲-15戰機在滑躍起飛的航艦上只需100多米就行了，而這個長度對于“遼寧”號航母302 m長很容易辦到.

所以說滑躍起飛是中小型航母艦載機的最佳選擇，但它的缺點是對于預警機等推重比小的飛機不行，它們沿斜坡上升要克服重力做功，這樣速度就會降低，抵消了提升升力的作用，離開預警機的引導和指揮,戰斗機的作戰能力大打折扣，于是有了另外一種方式.

2 彈射起飛

彈射起飛是指航母上的艦載機在彈射器的幫助下提高滑行速度，縮短起飛所需要的滑行距離的起飛方式，利用飛行甲板布置的彈射裝置，在一定行程內對艦載機施加額外的推力.根據牛頓第二定律，推力增大也就提高了飛機的加速度.在其他條件不變的情況下，如果加速度提高到a=15 m/s2.根據

(v-v0)2-0=2ax

同樣起飛條件,只要140 m的跑道，這對于航母來說太容易辦到.

這一點很早就被工程師們看到.1911年,美國西奧多·埃利森海軍上尉[1]最先研制成功世界上第一臺彈射器，并于1912年11月12日實現了人類歷史上的艦載機首次彈射起飛.二戰之后，噴氣式艦載機相繼搭載上艦，起飛所需的甲板跑道越來越長，對跑道路面的要求也日漸提高，特別隨著艦載機的起飛重量越來越大，彈射器也在隨之不斷地改進.現在預警機的重量有70 t以上，根據F=ma，需要的推力要達到1.05×106N，實際需要遠大于此.因為彈射裝置的重量也是很驚人的，移動過程中阻力也是非常大的，況且這個推力還要飛機一起加速移動.目前正在使用的是蒸汽彈射器，正在研究之中的是電磁彈射器.

蒸汽彈射器實際上是一種活塞行程較長的往復式蒸汽機[2].使用時，先由核動力航母上的反應堆蒸汽發生器產生高壓蒸汽，并把這種高壓蒸汽儲存在儲汽罐內.彈射前，用拖索將艦載機鉤在往復車上，一旦將高壓蒸汽充入汽缸筒，蒸汽的巨大壓力推動活塞，活塞帶動往復車和艦載機飛速向前滑動，從而將飛機加速彈射出去.

這是一個很好的辦法，然而蒸汽彈射器僅自重就達500～600 t，再加上輸汽管道等裝置，其占據的總體積就達600 m3.蒸汽彈射器的機械磨損嚴重，尤其是金屬密封條，艦載機每彈射一次都會與之摩擦一次，更換量非常大.此外，彈射艦載機還需要消耗大量的淡水.以美國尼米茲級航母為例，每彈射一架艦載機，就需耗費1 t淡水.理論與試驗都表明,現役美國尼米茲級航母的蒸汽彈射器效率只有5%，如果采用電磁彈射器，則可將輸出效率提高到60%.

電磁彈射器是一個最佳的解決方案.電磁彈射器的外部與蒸汽彈射器相同，將艦載機與往復車相連牽引飛機起飛，但內部與傳統的蒸汽彈射器不同，電磁彈射器使用直線電動機進行彈射、制動，達到起飛速度后釋放并使往復車復位.直線電動機是交流電動機的一個特例，把定子一線鋪開，轉子不再轉動，而是沿著定子隨電磁場的遞進移動而拉動.直線電動機的基礎原理就是利用電磁產生的安培力加速往復車并帶動相連的飛機，這個原理很早就在電磁炮中利用，可是由于艦載機往往都是幾十噸重，需要的能量要高得多，帶來的困難也就成倍的增加.

由圖2可知，F=2nBIL,只要增大n,B,I,L中任何一項都可以增加推力F，然而,這些不是簡單加大就可以的，比如增加匝數就會使往復車的質量加大，增加電流就會使熱量大增，就可能會使磁性消失，所以增加每一個量都有邊界效應的問題，即使在允許的范圍內也有另一個問題，就是在短短的幾秒內消耗大量的電能.一個70 t的預警機，達到100 m/s的起飛速度至少需要能量

代入數據得

Ek=3.5×108J

而且必須3 s左右供給，耗能極快.

圖2 根據直線電動機原理用于電磁彈射器

這些電能不可能由發電機現發，而是需要一個強儲能裝置，現在應用的儲能裝置是電容器，實驗證明對于彈射器這種大家伙，目前的電容器也難當重任.另外一個就是當線圈在磁場中切割磁力線運動，就會產生電動勢E=BLv，進而產生電流，而且這個電流的效果是阻礙往復車的運動，要想持續產生恒定的推力就必須使磁場向前運動，而且速度超過線圈的速度

E=nBL(v磁場-v線圈)

這時就有了向前的動力，而線圈是加速的，所以磁場也要不斷加速，這是一個復雜的控制過程，據說目前只是設計出這樣的控制器圖紙，樣機還沒有真正制造出來.

艦載機起飛是一個復雜的技術，它的基本原理用高中物理可以解釋，在實際操作過程中需要超高的技術和堅強的意志去克服重重困難，才能實現艦載機短距起飛的夢想.

參考文獻

1 解永平.艦載機在航空母艦上是怎樣起飛的? 物理教學,2012(8)

2 李杰.航母彈射器選哪個：蒸汽OR電磁?.科學大觀園 , 2011(1)