美國(guó)F-35艦載機(jī)與艦船平臺(tái)的適配性設(shè)計(jì)分析

王春暉

(海軍裝備部飛機(jī)辦公室，北京 100083)

0 引 言

聯(lián)合戰(zhàn)斗攻擊機(jī)（F-35）項(xiàng)目是美國(guó)空軍（USAF）、美國(guó)海軍（USN）和美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)（USMC）的一項(xiàng)聯(lián)合項(xiàng)目，同時(shí)還有英國(guó)的全面合作參與。該項(xiàng)目旨在開發(fā)和部署一系列高度通用且在經(jīng)濟(jì)上可負(fù)擔(dān)的戰(zhàn)斗攻擊機(jī)，以滿足美國(guó)空軍、美國(guó)海軍、美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、英國(guó)和美國(guó)盟友的不同作戰(zhàn)需求，核心是通過提高通用性來降低成本——降低聯(lián)合戰(zhàn)斗攻擊機(jī)機(jī)航空系統(tǒng)的研制成本、生產(chǎn)成本和全壽期使用成本。這一戰(zhàn)斗攻擊機(jī)系列由3種型號(hào)組成：常規(guī)起降（CTOL）型F-35A、短距起飛/垂直降落型F-35B和航母彈射起飛/阻攔著艦型F-35C。

對(duì)于美國(guó)海軍，聯(lián)合戰(zhàn)斗攻擊機(jī)的航母艦載型（F-35C）將滿足對(duì)隱身多用途戰(zhàn)斗攻擊機(jī)的需求，以補(bǔ)充現(xiàn)役的F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”。航母艦載型將能開展攻擊性和防御性空對(duì)空和空對(duì)地任務(wù)，既可獨(dú)立運(yùn)行，也可與航母戰(zhàn)斗群的其他裝備協(xié)同作戰(zhàn)。其設(shè)計(jì)與“尼米茲”級(jí)航母（CVN 68）兼容，同時(shí)與美國(guó)海軍新一代“福特”級(jí)航母（CVN 78）項(xiàng)目緊密融合，以將武器系統(tǒng)之間的兼容性最大化。

美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)短距起飛/垂直降落型（F-35B）將執(zhí)行多樣化行動(dòng)，包括進(jìn)攻性空中支援、防空作戰(zhàn)、空中偵察、電子戰(zhàn)、攻擊支援護(hù)航等。其設(shè)計(jì)與“塔拉瓦”級(jí)（LHA 1）和“黃蜂”級(jí)（LHD 1）兩棲攻擊艦及“尼米茲”級(jí)航母兼容，同時(shí)與新型兩棲攻擊艦項(xiàng)目緊密配合。

英國(guó)需要一種隱身多用途飛機(jī)，能持續(xù)進(jìn)行空中攔截、近空支援、攻擊性和防御性制空、對(duì)敵防空壓制、戰(zhàn)斗搜救、偵察和反艦戰(zhàn)任務(wù)。短距起飛/垂直降落型聯(lián)合戰(zhàn)斗攻擊機(jī)（F-35B）將評(píng)估其與“無敵”級(jí)航母（CVS）的基本兼容性，同時(shí)也與英國(guó)未來航母（CVF）項(xiàng)目緊密配合。

1 F-35艦載機(jī)及其搭載艦船平臺(tái)的基本配置

F-35項(xiàng)目主承包商洛克希德·馬丁公司推出系列飛機(jī)F-35A，F(xiàn)-35B和F-35C三種型號(hào)，其結(jié)構(gòu)高度通用。所有型號(hào)的外觀設(shè)計(jì)基本相似，具有共同的結(jié)構(gòu)幾何形狀，機(jī)翼完全相同，尾部形狀大致相似。主起落架前有2個(gè)平行的彈倉，用于攜帶武器。機(jī)身的主要部分包含通用或緊密相關(guān)的部件。座艙罩、雷達(dá)、彈射系統(tǒng)、子系統(tǒng)和多數(shù)航空電子設(shè)備都是通用的。

航母艦載型F-35C的獨(dú)有特征包括，機(jī)翼面積比另外2個(gè)型號(hào)大35%左右，尾翼面也更大，且機(jī)翼后緣上有副翼，其目的是改善著艦所需的低速性能和飛行品質(zhì)。此外，起落架和其他主要結(jié)構(gòu)部件得到增強(qiáng)，可承受艦上的起飛和回收。另外還裝有彈射桿和尾鉤，可進(jìn)行彈射起飛和攔阻著艦。短距起飛/垂直降落型F-35B通過安裝1個(gè)軸驅(qū)動(dòng)升力風(fēng)扇和1個(gè)三軸旋轉(zhuǎn)式噴頭，實(shí)現(xiàn)其垂直能力。

考慮搭載F-35艦載機(jī)的平臺(tái)主要包括美國(guó)大型航母、兩棲作戰(zhàn)平臺(tái)及英國(guó)的中小型航母，這些平臺(tái)在尺寸、形狀、容納能力和任務(wù)方面差異很大。

表1 不同艦船平臺(tái)的主要參數(shù)

2 F-35艦載機(jī)與其搭載艦船平臺(tái)的艦機(jī)適配性

設(shè)計(jì)考量

對(duì)艦上環(huán)境、接口要求以及用戶的海上作戰(zhàn)概念予以充分考慮，是艦載機(jī)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。影響艦機(jī)適配性的因素非常多，以下討論最直接影響F-35艦載機(jī)設(shè)計(jì)的艦機(jī)適配性設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素。

2.1 幾何兼容性設(shè)計(jì)

幾何兼容性可能是影響艦載飛機(jī)設(shè)計(jì)最直觀的因素，即飛機(jī)的尺寸和形狀必須合適，以適應(yīng)艦船上有限的作業(yè)空間。

2.1.1 占位因子

占位因子是一種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，可作為一項(xiàng)指標(biāo)來評(píng)估艦船上停放給定數(shù)量飛機(jī)所需的飛行甲板或機(jī)庫甲板空間。占位因子不僅與飛行器的凈尺寸有關(guān)，還與飛機(jī)在甲板上的投影面積密切相關(guān)，此外還要考慮平臺(tái)的形狀是否容許在狹小的空間內(nèi)布置多架飛機(jī)。海軍空戰(zhàn)中心飛機(jī)分部提供了一系列規(guī)則來計(jì)算飛機(jī)的占位因子，并以相對(duì)于F/A-18C“大黃蜂”的比率來表示。F-35艦載機(jī)的《作戰(zhàn)需求文件》專為航母艦載型飛機(jī)的占位因子設(shè)定了一個(gè)閾值，即不能大于1.24。F-35艦載機(jī)的早期設(shè)計(jì)已表明，占位因子不會(huì)成為飛機(jī)尺寸和形狀的限制因素。實(shí)際上，即使沒有折疊機(jī)翼的能力，航母艦載型也有可能滿足《作戰(zhàn)需求文件》的占位因子閾值要求。

2.1.2 作業(yè)停放

占位因子只是量化飛機(jī)尺寸和形狀的一種學(xué)術(shù)性的方法。實(shí)際的作業(yè)停放分析有助于飛機(jī)調(diào)運(yùn)官確定如何最有效運(yùn)行艦船上的飛機(jī)。效率通常采用出動(dòng)架次率、飛機(jī)周轉(zhuǎn)時(shí)間等度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化。飛機(jī)起飛前、回收后和維護(hù)或維修時(shí)可停放的位置，將極大地影響這些度量標(biāo)準(zhǔn)。飛行甲板的布局是決定甲板效率的一個(gè)主要因素，與飛機(jī)本身的配置同樣重要。

通過開展作業(yè)停放分析，發(fā)現(xiàn)折疊翼可使航母艦載型戰(zhàn)斗機(jī)增加甲板調(diào)運(yùn)靈活性，足以抵消增加折疊機(jī)制帶來的額外重量、復(fù)雜性和成本等負(fù)面影響。航母艦載型戰(zhàn)斗機(jī)的折疊翼展接近F/A-18C，這種相似性可使航母艦載機(jī)調(diào)運(yùn)官在布置F-35艦載機(jī)時(shí)采用與當(dāng)前F/A-18C大致相同的位置。

不同于航母艦載型，短距起飛/垂直降落型F-35艦載機(jī)沒有占位因子要求。《作戰(zhàn)需求文件》只提出了一項(xiàng)作業(yè)停放要求，即能將6架短距起飛/垂直降落型F-35B全部停放在兩棲艦艦島尾部，這樣既不會(huì)對(duì)著艦區(qū)造成任何影響，在移動(dòng)飛機(jī)時(shí)無需先移動(dòng)其他飛機(jī)。按照這一要求，短距起飛/垂直降落型的翼展不能超過35英尺。

2.1.3 其他幾何約束

除容納飛機(jī)所需的飛行甲板空間外，還有若干約束會(huì)影響飛機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)。飛機(jī)存放的機(jī)庫，其凈空高度有一定的限制。庫內(nèi)凈高必須適合所有維護(hù)保障行動(dòng)的開展，包括拆除和更換座艙罩及彈射座椅等任務(wù)。此外，與甲板升降機(jī)的兼容性可能會(huì)限制飛機(jī)的長(zhǎng)度和/或?qū)挾取ＲＵ掀痫w和回收的安全，需要與所有甲板障礙物保持足夠的間隙，這一標(biāo)準(zhǔn)通常決定了飛機(jī)的形狀及其機(jī)翼掛架的位置。

2.1.4 幾何約束的影響

F-35艦載機(jī)的設(shè)計(jì)考慮了上述幾何限制。發(fā)動(dòng)機(jī)和短距起飛/垂直降落升力機(jī)制限制了短距起飛/垂直降落型飛機(jī)的尺寸，航母艦載型飛機(jī)的基本尺寸與短距起飛/垂直降落型的相同，但在必要時(shí)允許差異，以滿足不同兵種客戶的獨(dú)特需求。一般而言，這種尺寸的飛機(jī)在“尼米茲”級(jí)大型航母上的搭載較為容易，因?yàn)槠渑c目前部署的飛機(jī)尺寸大致接近。短距起飛/垂直降落型設(shè)計(jì)搭載在兩棲艦上，并且尺寸比美國(guó)原用的AV-8B飛機(jī)大很多，但也與現(xiàn)有空間兼容。但要將短距起飛/垂直降落型F-35艦載機(jī)部署在兩棲艦和“無敵”級(jí)這樣的小型航母上，飛機(jī)仍需要進(jìn)行一些調(diào)整，確保尺寸能與所有約束兼容（如飛行甲板升降機(jī)）。

表2 同艦船平臺(tái)機(jī)庫甲板和飛機(jī)升降機(jī)的尺寸約束

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考量

眾所周知，艦載機(jī)艦上起飛和回收作業(yè)十分嚴(yán)格，造成機(jī)身上的著艦負(fù)載通常遠(yuǎn)超過陸上作業(yè)經(jīng)歷的負(fù)載，在有彈射器及攔阻裝置提供協(xié)助的起飛和回收時(shí)更是如此。艦船配置對(duì)著艦負(fù)載的大小起著重要作用，這不僅與艦上安裝的起飛和回收設(shè)備類型有關(guān)，還由于艦上布局會(huì)顯著影響觸艦的偏差。

2.2.1 飛機(jī)彈射起飛和阻攔回收

F-35艦載機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)確保其可以利用目標(biāo)艦上的起飛和回收設(shè)備。例如，航母艦載型飛機(jī)的設(shè)計(jì)可承受C-l 3 Mod 1和Mod 2彈射器施加的加速負(fù)載，以及Mk-7 Mod 3攔阻裝置的減速負(fù)載。

2.2.2 滑躍甲板兼容性

由于英國(guó)是F-35的用戶之一，短距起飛/垂直降落型飛機(jī)的設(shè)計(jì)考慮了與“無敵”級(jí)小型航母艦首上的12°短距滑躍甲板兼容。通過滑躍甲板輔助短距起飛的飛機(jī)將承受更大的垂向負(fù)載系數(shù)，這是由于飛機(jī)在經(jīng)過曲線斜坡時(shí)會(huì)產(chǎn)生向心加速度。影響飛機(jī)起飛性能的主要是斜坡出口處傾角，而飛機(jī)負(fù)載與斜坡的曲率半徑及飛機(jī)起落架的幾何結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。F-35設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)分析表明，針對(duì)“無敵”級(jí)12°滑躍甲板上的短距起飛，預(yù)測(cè)的負(fù)載程度將低于高下沉率著艦等其他設(shè)計(jì)條件。因此，斜坡起飛不作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素。

2.2.3 著陸負(fù)載

針對(duì)設(shè)計(jì)足夠承受著艦載荷的飛機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，美國(guó)以著陸條件的概率性、多變量方法為依據(jù)。根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)指南，按飛行器類型（固定翼、旋翼、短距起飛/垂直降落）、作業(yè)場(chǎng)地（岸上基地、艦船、簡(jiǎn)易基地）及跑道條件進(jìn)行分類，針對(duì)飛機(jī)類型和作業(yè)場(chǎng)地的每種組合，統(tǒng)計(jì)抽樣確定了8個(gè)關(guān)鍵著陸參數(shù)分布：俯仰姿態(tài)、滾轉(zhuǎn)姿態(tài)、滾轉(zhuǎn)率、偏航姿態(tài)、偏心距離、進(jìn)近速度、接合速度和下沉率。美國(guó)采用的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是，飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)能完全承受概率超過1/1000的所有著陸且無任何損壞。

這種設(shè)計(jì)方法是否成功，取決于用于生成概率分布的歷史數(shù)據(jù)是否適用。飛機(jī)飛行品質(zhì)、作業(yè)程序或艦船配置若發(fā)生變化，都會(huì)對(duì)這些分布產(chǎn)生重大影響。例如，如果降落區(qū)變窄，留給飛機(jī)橫向偏離的空間就會(huì)變小，可能會(huì)造成滾轉(zhuǎn)姿態(tài)和滾轉(zhuǎn)率分布更高，又因著落在安全區(qū)所需的精確度提高，飛行任務(wù)的難度將會(huì)增加。

2.3 飛行品質(zhì)和性能設(shè)計(jì)

艦上作業(yè)會(huì)有眾多岸上沒有的環(huán)境因素，其中許多因素都對(duì)飛機(jī)的必要性能及其相關(guān)飛機(jī)品質(zhì)產(chǎn)生重大影響。

2.3.1 航母艦載型飛機(jī)的進(jìn)近速度

為了安全著艦，飛機(jī)速度必須足夠慢，以在攔阻裝置能力范圍內(nèi)回收，同時(shí)不對(duì)艦船產(chǎn)生的甲板風(fēng)提出過高要求。在獲得這種緩慢進(jìn)近速度的能力時(shí)，決不能犧牲飛行品質(zhì)。飛機(jī)還必須具有良好的復(fù)飛和逃逸特性，能在進(jìn)近中止和尾鉤未勾上攔阻索時(shí)再次復(fù)飛或逃逸。這些要求促使航母艦載型飛機(jī)增配了副翼，并且機(jī)翼和尾翼面比另外2種型號(hào)的都要大。

2.3.2 航母艦載型的復(fù)飛和逃逸性能

復(fù)飛代表進(jìn)近中止，發(fā)生在飛行甲板無法及時(shí)準(zhǔn)備好迎接著艦的飛機(jī)或條件不允許繼續(xù)進(jìn)近時(shí)。復(fù)飛性能是否合格，取決于飛機(jī)從命令復(fù)飛直至建立正上升率時(shí)失去的高度值。復(fù)飛性能是陸基飛機(jī)的一個(gè)必需考慮因素，對(duì)航母艦載機(jī)作業(yè)來說更是一個(gè)關(guān)鍵因素，這是因?yàn)榛厥罩芷诘目旃?jié)奏會(huì)讓復(fù)飛更加頻繁。在確定飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的理想推力響應(yīng)特征時(shí)，對(duì)良好復(fù)飛性能的需求是主要因素。

逃逸是飛機(jī)已經(jīng)觸艦，但因降落在著艦區(qū)外或降落時(shí)尾鉤未掛上阻攔索，飛機(jī)只能繼續(xù)飛離。實(shí)質(zhì)上，逃逸是一種意外情況下的觸艦復(fù)飛。逃逸性能的衡量指標(biāo)是飛機(jī)在飛行甲板邊緣滾轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)歷的沉降量。和復(fù)飛時(shí)一樣，因發(fā)動(dòng)機(jī)必須快速增加到起飛功率，所以推力響應(yīng)也是逃逸性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。逃逸性能是確定航母艦載型飛機(jī)尾面尺寸的關(guān)鍵因素。這個(gè)例子也說明艦船幾何結(jié)構(gòu)（特別是著艦區(qū)域長(zhǎng)度）會(huì)直接影響飛機(jī)的設(shè)計(jì)。

2.3.3 短距起飛/垂直降落型飛機(jī)的控制模式

垂直著艦與垂直著陸沒有太大的不同。艦船運(yùn)動(dòng)、氣流湍流等因素會(huì)影響飛行員的操作難度和觸艦點(diǎn)的分散特性，但最顯著的差異是艦船在水面平移的影響。顯然，垂直著陸時(shí)，飛機(jī)不會(huì)有相對(duì)地面的平移運(yùn)動(dòng)。而在海上垂直著艦時(shí)，需要飛機(jī)匹配艦船的速度，而這種速度通常不為零。能輕松控制飛機(jī)與移動(dòng)中艦船平臺(tái)相互靠近，這一要求也影響了短距起飛/垂直降落飛行狀態(tài)中所采用的控制規(guī)則的設(shè)計(jì)。

2.4 起落架幾何結(jié)構(gòu)

艦上環(huán)境對(duì)飛機(jī)起落架的幾何結(jié)構(gòu)有很大的影響，其中許多因素對(duì)起落架位置提出互相矛盾的要求。例如，要保證甲板調(diào)運(yùn)期間的穩(wěn)定性，起落架的觸地面積最好較大，以防有后翻或滾翻傾向。但同時(shí)如果起落架觸地面積較大，將使甲板調(diào)運(yùn)復(fù)雜化，并且機(jī)頭和主起落架之間的間隔增加，在飛機(jī)起飛和逃逸時(shí)就需要更多的俯仰控制力來旋轉(zhuǎn)飛機(jī)。起落架高度也會(huì)受艦船部署問題的影響。起落架越矮，對(duì)后翻和滾翻穩(wěn)定性及維護(hù)人員可接近性來說就越理想；起落架越高，越有助于清除甲板障礙和規(guī)避地面撞擊。聯(lián)合戰(zhàn)斗攻擊機(jī)的設(shè)計(jì)需要在兩個(gè)矛盾因素之間取得最佳平衡。

3 結(jié) 語

本文從幾何設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛行品質(zhì)等幾個(gè)角度，分析了美聯(lián)合戰(zhàn)斗攻擊機(jī)與其要搭載的艦船平臺(tái)間的艦機(jī)適配性設(shè)計(jì)考量因素和設(shè)計(jì)方法。艦機(jī)適配性是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)上艦和保障安全使用、實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)高效出動(dòng)回收和強(qiáng)大戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)是一個(gè)在各種限制和矛盾中不斷權(quán)衡取舍、并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化配置的過程。美國(guó)海軍在這方面擁有悠久的歷史和豐富的經(jīng)驗(yàn)，值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。