艦載飛機總體設計關鍵約束分析

王釗，何紅妮

(中國航空工業集團公司 第一飛機設計研究院，西安　710089)

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艦載飛機總體設計關鍵約束分析

王釗，何紅妮

(中國航空工業集團公司 第一飛機設計研究院，西安710089)

摘要：艦載飛機除了必須具有陸基飛機應有的設計要求外，還需要考慮其特殊的起降方式和使用環境、獨特的結構/機構設計特點等因素，其設計難度比陸基飛機大。本文以支援類艦載飛機為研究對象，分別從機/艦適配性、動力、結構、座艙設計等方面對艦載飛機總體設計過程中所遇到的主要問題和關鍵約束進行分析，總結歸納出艦載飛機設計時需要關注的特殊設計約束。在前期方案論證和初步設計階段，為艦載飛機的總體設計提供了一定參考。

關鍵詞：艦載飛機；支援；總體設計；約束；座艙；結構

0引言

艦載飛機是航空母艦編隊的重要組成部分，是航空母艦戰斗群攻防作戰的核心力量。艦載飛機按照功能可分為預警機、偵察機、反潛機、殲擊機、電子對抗飛機和加油機等[1]，涵蓋了作戰、支援、保障等類型。功能各異的多種艦載飛機組成了航空母艦航空聯隊，擔負著為水面艦艇編隊奪取局部海域制空權、制海權，實施對陸打擊、反潛作戰、遠程預警、作戰指揮等重要作戰使命[2]。二戰以來，各海軍強國的航空母艦陸續實現了艦載飛機的動力噴氣化、主要武器導彈化和機上系統電子化，并分類別地發展了艦載戰斗機、攻擊機、預警機、電子對抗機、反潛機、直升機等[3]。在現代各國之間的海上博弈及戰爭中，艦載飛機都發揮著其舉足輕重的作用。

發展初期的艦載飛機與陸基飛機基本相同，甚至一些艦載飛機就是在陸基飛機的基礎上改進而來的。隨著航空技術的不斷進步和飛機現代化程度的提高，當代艦載飛機的性能大幅度提高，飛機重量也急劇上升，因此，艦載飛機除了需滿足陸基飛機的設計要求外，還必須滿足因特殊使用環境而產生的特殊要求。

本文從艦載飛機的主要特點出發，以支援類艦載飛機，尤其是國外艦載預警/運輸類飛機為研究對象，對艦載飛機總體設計中的機/艦適配性、動力、結構、座艙等設計內容進行分析，歸納總結出需要關注的關鍵約束，以期為今后艦載飛機的總體設計提供參考。

1艦載飛機的主要特點

航空母艦是一個尺寸有限的海上浮動平臺，在海上存在縱傾、橫搖和升沉的六自由度相對運動。其艦首和艦尾處的大氣擾流比較復雜：航空母艦龐大的艦體及其自身的運動會使艦首產生上洗氣流，并在艦尾處形成較強的尾流。在該平臺上起降并存放的艦載飛機，無論是其工作環境，還是總體設計方面都具有與陸基飛機不同的特殊要求和使用維護特點。

目前，國外的艦載預警/運輸類飛機多采用亞音速常規布局、兩臺渦輪螺旋槳發動機驅動的形式，例如美國E-2“鷹眼”系列艦載預警機、C-2“灰狗”系列艦載運輸機，如圖1所示，該布局形式的艦載飛機具有良好的升阻特性及高、低速飛行特性。

(a) E-2艦載預警機

(b) C-2艦載運輸機

與陸基飛機相比，艦載預警/運輸類飛機的主要特點有：(1) 能夠在航空母艦面積有限的飛行甲板上安全地起飛與著艦；(2) 艦載預警/運輸類飛機在起飛、著艦時，飛行速度很小，故其俯仰、滾轉阻尼系數較小，動穩定性較差；(3) 艦載預警類飛機縱、航向靜穩定性會受螺旋槳滑流及機身上部雷達罩的影響；(4) 外形尺寸控制要著重考慮航空母艦的停放空間有限；(5) 必須具備比陸基飛機好很多的抗腐蝕性和電磁兼容性。

海洋環境及特殊的起降、存放條件給艦載預警/運輸類飛機帶來海水、蒸汽、鹽霧、霉菌、煙囪煙氣及飛機上油液等影響，因此，艦載預警/運輸類飛機應避免使用某些材料和設計技術，同時必須考慮自然風、排氣噴流以及高密度電磁環境的影響。

艦載預警/運輸類飛機因其特殊的使用環境，在飛機設計時，除需要滿足總體、氣動力等基本要求外，還需著重對機/艦適配性、動力、結構、座艙視界等進行分析研究。

2機/艦適配性設計約束

機/艦適配性是指艦載飛機和航空母艦在設計及使用過程中各種約束接口的兼容性，包括艦載飛機在進行彈射、回收、調運、補給、維修和特情處理等操作時，在幾何、性能、結構、功能、系統等方面與航空母艦及艦面設備之間的各種協調關系[3]。簡而言之，艦載飛機能夠充分有效地利用航空母艦的特性、設施和裝備的能力即為機/艦適配性。在飛機總體設計過程中，應充分考慮艦載飛機與航空母艦的這種交聯關系。機/艦適配性是一個廣泛而復雜的概念，本文僅選擇五個主要方面進行其設計約束的分析。

(1) 幾何適配性

艦載飛機的外形尺寸受航空母艦甲板空間、停放機庫、相對應的升降機尺寸和彈射器位置等的限制。航空母艦上的菲涅爾光學助降裝置和攔阻索裝置的位置必須與艦載飛機著艦時的尾鉤眼距相匹配。

(2) 結構、強度適配性

艦載飛機在彈射起飛、攔阻著艦時，其質量和速度要與航空母艦的彈射裝置相匹配；艦載飛機著艦時其起落架受到的沖擊比陸基飛機大得多，其結構、強度在設計時應重點考慮；艦載飛機在不斷運動著的航空母艦上停放時，其自身的系留點應與航空母艦的系留裝置相匹配。

(3) 氣動、環境適配性

海洋環境復雜多變，艦載飛機的氣動布局及外形設計要充分考慮其對海洋環境的適應和相應的技術需求。

(4) 機載系統設備適配性

飛機的機載設備主要由航電系統和機電系統組成[4]。航電系統主要由飛行控制、飛行管理、任務系統等組成；機電系統主要由電氣系統、環控系統、燃油液壓系統、救生系統、動力系統等組成。對于艦載飛機，任務系統是一個較為完整的空中飛行、指揮和控制中心，能對陸地和海洋上各種高度的目標進行探測識別并跟蹤[5]。

艦載飛機要與航空母艦編隊進行信息交互，即要求飛機本身的機載設備要與航空母艦編隊作戰指揮等信息相匹配。

(5) 綜合保障適配性

綜合保障是指在裝備的壽命周期內，綜合考慮裝備的保障問題，確定保障性要求，影響裝備設計，規劃保障并研制保障資源，進行保障性試驗和評價，建立保障系統等，以最低的費用提供所需保障而反復進行的一系列管理和技術活動。艦載飛機保障較為關注的機艦適配要素主要包括：保障設施、保障設備、人力與人員、規劃維修、供應保障、設計接口等。

3艦載飛機起降動力設計約束

3.1起降約束

艦載預警/運輸類飛機在航空母艦上起降與陸基預警/運輸類飛機起降明顯不同。陸基飛機降落時，有緩沖階段，而艦載飛機對下滑軌跡有嚴格的控制，按照預定的飛行軌跡，定點、定速、直線下降，直接觸及甲板。速度是艦載飛機設計的關鍵因素，速度越小，著艦距離越短，著艦下沉速度越小，對著艦安全越有利。以美國E-2C艦載預警機為例，該機采用渦輪螺旋槳發動機，為了能夠在母艦上安全起降，其對失速特性要求很高，在巡航、起飛和著艦構型下的無動力失速速度分別為205、185和163 km/h，受最大起飛重量的約束，該機采用幾乎接近極限的較簡單的增升裝置。

航空母艦在風浪中會劇烈的俯仰、搖晃以及上升下沉，艦載飛機著艦瞬間會產生很大的沖擊力，由于起飛著艦時飛機飛行的速度較小，受到環境的影響，其迎角、姿態角的變化可能較大，此時飛機必須具有良好的安定性、各活動翼面應具備較好的操縱能力。

3.2動力裝置設計約束

艦載預警/運輸類飛機必須在很短時間內在距離有限的航空母艦甲板上起飛、著艦、攔阻、應急回收及復飛，上述特點要求艦載飛機的發動機要比同量級的陸基飛機具有更高的推力、更大的喘振余度，艦載飛機自身要具備較好的加速性能，以及更高的可靠性來適應復雜的海洋環境。

艦載飛機發動機的推力比陸基飛機大12%～19%，要保證發動機具備較好的加速性能，則要求發動機轉子需質量輕、慣性小；壓氣機及渦輪的效率高、燃燒穩定、延遲時間短、加力接通快。美國海軍相關標準要求，艦載飛機的發動機從正常進場狀態加速到最大推力狀態，所需時間不大于2.5 s。在過載方面，彈射起飛的飛機所受的縱向過載遠遠大于陸基飛機或滑躍起飛式飛機，設計彈射起飛的發動機時，應充分考慮機械部件的連接性能。艦載飛機著艦時向下的過載可能高達10 G以上，發動機承受很大的沖擊載荷，因此對發動機推進系統各主要安裝對接部位(包括進氣道、尾噴口、發動機各機匣等的安裝對接處)的可靠度[6]具有較高要求。

根據使用環境的特殊性，美國E-2C艦載預警機提高了其渦槳發動機的抗沖擊過載能力，動力裝置的功率、抗畸變能力，以及起降過程中的動力響應特性，同時，具備滿足更高設計要求的電磁兼容能力，并有效解決了發動機的海上腐蝕防護問題等。由于預警類艦載飛機上安裝有大功率的預警雷達，飛機對用電功率的要求更加嚴格，E-2D飛機的單臺發動機驅動的交流用電功率高達170 kVA。

4艦載飛機結構設計約束

4.1結構重量約束

相對于陸基飛機，艦載預警/運輸類飛機特殊的結構需求使得飛機本身的結構重量明顯增加，包括大尺寸飛雷達罩、帶有彈射裝置的前起落架、大功率主起落架、大展弦比折疊機翼和攔阻裝置等。按照國外艦載飛機的類型和結構設計特點計算，不同體積和類型的艦載飛機需要增加的結構重量約為500～1 800 kg，即艦載飛機需要更強的低速穩定性和操控能力。

4.2折疊機翼設計約束

航空母艦雖然是排水量最大、內部空間最充足的現代海軍戰艦，但是其飛行甲板、機庫和陸基機場相比，仍相去甚遠。不能因為停放空間受限而影響艦載飛機的性能，故在艦載飛機設計時，必須采用結構措施來減小飛機的占地面積，機翼折疊(如圖2所示)、升降等措施在設計之初被考慮應用，但這些措施也會給艦載飛機的結構造成一定的影響。

(a) 折疊形式

(b) 折疊連接處布置

起降場地限制了艦載飛機的最大尺寸規格，機翼是受尺寸限制的最大部件，按照航空母艦甲板尺寸進行計算，因受到起降區飛行甲板寬度的限制，艦載飛機最大翼展不應超過19 m，機翼折疊后的最大翼展最好不超過10 m。艦載預警/運輸類飛機通常采用大展弦比直機翼，例如E-2C飛機的機翼采用空間內斜向后向上的折疊形式。相比而言，機身長度并未受到太大的限制，但為了避免影響艦上運動并適應升降機的尺寸，機身長度在正常情況下不超過25 m也是各國海軍相對統一的標準；對機身高度也有一定的要求，設計時需考慮機庫的凈高度限制。

4.3起落架裝置設計約束

加長主起落架緩沖支柱的行程可以增加緩沖效果、減小飛機著艦時的沖擊力；加大主輪距可以防止飛機在起降和停放時遇到風浪而發生側翻；前輪轉彎機構使得飛機可以在小面積的甲板上被牽引和迅速將飛機移出著艦區；前起落架內增設突升機構，彈射時，使前起落架伸長，以保證飛機能以最佳的迎角起飛。

艦載飛機的起落架裝置在總體參數、起落架結構及在飛機上的布置形式上，均與陸基飛機有著明顯的不同，加強后的起落架裝置如圖3所示。

(a) 側視圖

(b) 仰視圖

由于彈射起飛的緣故，艦載飛機的起落架裝置需要帶上滿足使用要求的、與艦上彈射器配套的彈射桿和牽制桿；其著艦下沉速度大，故對起落架緩沖器的要求也高于陸基飛機。艦載飛機著艦時，決定起落架結構重量的主要參數是飛機的下沉量，在重量不變的前提下，大的下沉量會產生更高的撞擊力，該撞擊力主要由起落架的機輪、緩沖支柱以及起落架與機身、機翼的連接機構等來負擔。飛機著艦時受到攔阻索的作用，前起落架、主起落架和尾鉤均要承受很大的沖擊力[7]。

4.4攔阻裝置設計約束

攔阻裝置是艦載飛機著艦時必備的裝置，通常設置在飛機后機身的加強框上，位于主起落架之后，如圖4所示。艦載飛機飛行時，攔阻鉤收起；著艦時，攔阻鉤放下，鉤住航空母艦甲板跑道上的攔阻索，攔阻鉤一旦鉤住攔阻索，飛機的速度便可在幾秒鐘內銳減為0[8]。

(a) 收起狀態

(b) 放下狀態

航空母艦普遍使用液壓式攔阻系統，艦載飛機著艦時，會產生很大的阻尼，要求飛機具有更強的機體結構，故在機體后部下方設置攔阻鉤加強框，用于連接攔阻鉤，分散機體受到的沖擊力。例如E-2C飛機為了使機身后體的受力和傳力得到有效過渡，采用“Y”形攔阻鉤。

5艦載飛機座艙設計約束

艦載飛機著艦時，其下降速度很快，加之海洋環境惡劣，飛機的操縱、與指揮員之間交聯復雜，要求艦載飛機的飛行員對外觀察的視界清晰，確保飛行員能夠及時找到航空母艦編隊、準確對正著艦區域。

美國海軍視場規范(FOV準則)要求，飛機在離艦2 180、183 m高度時，以最小飛行速度平飛，當截獲了4°的光學下滑軌道時，飛行員從設計眼位能夠看到航空母艦艦艉的吃水線(由于必須看到吃水線與艦艉的交點，限制了飛機機頭以上的視場)。艦載飛機著艦視界示意圖如圖5所示。

圖5　艦載飛機著艦視界示意圖

光學下滑軌跡起點(即航空母艦著艦引導裝置菲涅耳鏡所在點)在艦艉前約152 m處，高于吃水線19.8 m[9]。飛機以要求的迎角進場，如果飛機進場時與航空母艦形成的幾何關系符合要求，則認為滿足FOV準則。

艦載飛機著艦下滑過程中對下滑跟蹤角和下滑軌跡有著嚴格的控制，艦載飛機進近時，通常采用定常下滑角/迎角駕駛技術[10]，其著艦的下沉速度比陸基飛機大得多，易發生撞擊式著艦(即“硬著艦”)。為了在等角下滑著艦時，使飛行員能夠看見著艦航空母艦的吃水線，飛行員座椅參考點應比陸基飛機高，使視野更開闊。

通常情況下，艦載飛機應以8°的迎角下滑進場，前下方的視場角大約需要15°～17°。考慮到艦載飛機的諸多視野需求，為保證飛行員有足夠的視界，設計艦載飛機時，通常采取下垂機頭、加高座艙等措施來實現上述角度要求[11]。

艦載飛機要滿足其座艙各項設計參數(包括設計眼位、駕駛桿操縱點、腳蹬參數、座椅數據、彈射通道、儀表板和操縱臺參數等多個主交點參數)[12]，還應保證在規定的人體尺寸范圍內，飛行員可高效、安全、舒適地操縱飛機，因此合理的座艙主交點參數設計是充分發揮艦載飛機整體效能的關鍵因素。

6特殊設計約束分析

艦載預警/運輸類飛機的機/艦適配性、起降動力、結構、座艙等方面都有著比陸基飛機更苛刻的要求。航空母艦上飛機停放空間的局限性，要求艦載飛機的體積要小；航空母艦甲板上跑道的限制，要求艦載飛機的起降速度不能過大；彈射器、攔阻鉤的設置，要求艦載飛機應進行機體結構局部加強設計；在海洋環境下進行存放和使用，要求艦載飛機的發動機應具有較大推力、良好的加速性、更強的抗過載和抗沖擊能力、大的喘振裕度、較高的可靠性、耐久性和可維護性。

艦載飛機的結構強度和動力系統是其與陸基飛機相比最需要改進的關鍵，艦載預警/運輸類飛機的彈射起飛和攔阻著艦對飛機的外形、結構、氣動和一些特殊裝置有主要影響，對其他設計因素有次要影響；此外，由于海上環境及航空母艦尺寸空間限制而產生的特殊要求，也是飛機總體設計初期需要考慮的關鍵約束。

縱觀目前世界各國的艦載預警/運輸類飛機，尤其是美國E-2系列飛機，發現該類飛機在設計之初與艦載飛機有著大范圍的共通點，但艦載預警類飛機機身上部還配備有天線罩用來容納大尺寸的預警雷達天線及設備，除了與其他類型艦載飛機相同的設計約束之外，還應考慮特殊的設計約束：

(1) 天線罩體很難設計成翼面形狀，其外形設計要滿足氣動力要求，不能影響飛機性能，同時天線罩與飛機機身的距離要控制在不遮擋雷達波束的范圍之內；

(2) 天線罩體與飛機垂尾之間的距離很近，氣動布局設計時要充分考慮前方來流經過大尺寸天線罩體產生的氣流分離和阻滯，保證飛機的航向穩定性不受影響；

(3) 天線罩體內有大量的電子設備，功率大小不一，頻段高低不同，飛機電磁兼容設計要綜合多種設計手段來完善。

7結束語

艦載飛機的設計是一項復雜的系統工程。艦載飛機通常具有機體尺寸小、設計難度大、結構重量大、工藝要求高、制造成本高、機載系統復雜、綜合保障工作繁瑣等特點。與陸基飛機相比，艦載飛機設計的要求更加苛刻，因此，艦載飛機設計時應采用綜合設計手段，盡可能全面地考慮多方面影響因素，采用先進系統與結構、輕型復合材料、一體化設計等手段來實現艦載飛機的完善設計，確保艦載飛機能夠更好的在未來海上戰爭中發揮強有力的戰略作用。

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王釗(1985-)，女，工程師。主要研究方向：飛機總體設計。

何紅妮(1984-)，女，碩士，工程師。主要研究方向：飛機總體設計。

(編輯：馬文靜)

Analysis of Constraints in Conceptual Design of Carrier-based Aircraft

Wang Zhao, He Hongni

(The First Aircraft Institute, Aviation Industry Corporation of China, Xi’an 710089, China)

Abstract:The carrier-based plane is a special aircraft, which is the main component of the carrier. The design of the carrier-based aircraft is more difficult than that of land-based aircraft. In addition to meet the land-based aircraft design requirements, the special way of landing and the use of the environment, unique structural/mechanism design features, etc. must be considered. The constraints of carrier-based aircraft on the cockpit design, adaptation, power plant and structure are analyzed and summarized. This paper can be provided as the design reference for the conceptual design of carrier-based aircraft.

Key words:carrier-based aircraft; support; conceptual design; constraint; cockpit; structure

作者簡介：

中圖分類號：V271.4+92

文獻標識碼：A

DOI：10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.01.001

文章編號:1674-8190(2016)01-001-06

通信作者：王釗,187055026@qq.com

收稿日期：2015-11-17；修回日期：2016-01-21