艦載直升機垂直補給能力提升關鍵問題分析

李曉華,王 海,楊 林,劉 康

(1.海軍研究院,上海 200436;2.92074部隊,浙江 寧波 315000)

0 引言

美航母編隊平均每年在海上活動時間長達6個月以上,航母編隊的后勤保障工作有一半以上是在海上進行的。航母戰(zhàn)斗群典型補給周期為4天左右,加之后勤保障條件苛刻,困難較大,所以海上已成為保障的主要方向。美海軍堅持以在作戰(zhàn)海區(qū)為航母編隊提供可靠的物資資源作為海上保障的重點。美海軍航母編隊的海上補給模式及補給船編成就是建立在這個基點上的。海上補給不僅能有效擴大艦艇的作戰(zhàn)半徑,延長執(zhí)行任務時間,還能持續(xù)保持戰(zhàn)斗力。海上補給使艦艇不必為取得自身補給而往返于作戰(zhàn)海區(qū)和補給基地之間,避免了沿途遭受攻擊或削弱一線戰(zhàn)斗力量的風險。因此,海上補給是現代化海軍必不可少的海上后勤保障手段。發(fā)達國家海軍都非常重視海上補給能力的發(fā)展與提升。海上補給主要包括航行縱向補給、航行橫向補給、靠幫補給和航行垂直補給等方式[1]。

垂直補給是指通過艦載直升機在補給艦和接收艦之間傳送貨物等。垂直補給被各國認作最為迅捷而有效的海上補給方式,是一種重要的海上補給方式。該方式可以同時為多艘艦艇提供補給;既可以遠距離的海上補給,又不存在補給船與受補給艦之間的復雜點位問題;補給速度快,機動性強;既適用于艦艇航行狀態(tài),也適用于艦艇錨泊狀態(tài)。因此,垂直補給在各國海軍廣泛應用[2]。

1959年,美國海軍首次利用直升機成功實現應急物資的運送。美國現役補給艦均搭載運輸直升機,而且大中型作戰(zhàn)艦艇所載直升機在必要時也可進行垂直補給。美國海軍的垂補數量占到海上干貨補給總量的30%以上。盡管垂直補給費用昂貴,但由于占據時空優(yōu)勢,現已成為海上補給的主要手段[1]。

本文基于國外艦載直升機垂直補給發(fā)展現狀,從不同方面探討制約垂直補給能力的原因,針對問題提出可行性意見和建議,以期為海上補給能力的發(fā)展與提升起到牽引和支撐作用。

1 國外垂直補給發(fā)展現狀

艦載直升機機動靈活,運輸效率高,補給設備簡單,人力需求少,能夠在較高海況下工作。垂直補給是一種立體補給方式,通過艦載直升機在補給艦和接收艦之間運載物資,是最快速有效的補給方式。

垂直補給按作業(yè)方式不同,可以分為絞車吊掛補給、鋼纜吊掛補給和連桿吊掛補給等。

1)絞車吊掛補給,吊掛點一般在機身側邊,受飛行安全及絞車性能約束,吊掛重量遠小于直升機外吊掛最大載荷。

2)鋼纜吊掛補給,吊掛點一般在機腹,通常在旋翼軸下方。該方式能夠充分發(fā)揮直升機外吊掛性能,但是每次補給作業(yè),直升機需起降,相關補給系統(tǒng)復雜,準備時間長、作業(yè)繁瑣。

3)連桿吊掛補給是現在歐美海軍垂直補給的主要方式。該方式完美解決了鋼纜吊掛補給的缺陷。吊掛連接桿與貨物相連,補給作業(yè)時將吊掛連接桿掛到直升機機腹下的貨物掛鉤上。直升機不需要頻繁起降,簡單快捷高效。

艦載直升機一般搭載于補給艦,對接收艦進行補給作業(yè)。如美國“薩克拉門托”級快速戰(zhàn)斗資源艦搭載了3架“海騎士”直升機,“劉易斯和克拉克”級彈藥干貨補給船搭載了2架MH-60R“騎士鷹”直升機;俄羅斯“別烈津河”級綜合補給艦搭載了2架“卡-25C”直升機;英國“格蘭杰堡”級補給船搭載了4架“海王”直升機;法國“迪朗斯河”級綜合補給艦搭載了1架“山貓”多用途直升機;日本“摩周”級補給艦搭載了2架“CH-53E”直升機。艦載直升機垂直補給作業(yè)如圖1所示。垂直補給能力主要取決于艦載直升機的性能。各艦載直升機性能參數如表1所示。

表1 補給艦搭載的直升機性能對比[3]

圖1 艦載直升機實施垂直補給

艦載直升機垂直補給作為一種高效快捷的補給方式,利用直升機吊掛投放系統(tǒng)吊掛運輸貨物,不受地理環(huán)境、交通、海況、貨物體積形狀等限制,具有其他補給方式無法比擬的優(yōu)勢。以美國和俄羅斯為首的軍事強國的艦載直升機垂直補給應用及其配套的外吊掛設備、管理體系和標準都非常成熟。

20世紀50年代,直升機開始應用吊掛投放系統(tǒng)。早期的吊掛投放系統(tǒng)技術落后,結構比較簡單,較為笨重。1959年,美國首次運用直升機吊掛投放系統(tǒng)進行垂直補給。

美國的直升機吊掛投放系統(tǒng)的主吊點絕大部分采用在機腹艙口安裝貨物掛鉤,也有極小部分設置在主減速箱支架下方。目前,垂直補給直升機已經涵蓋了輕、中、重系列的直升機,相關吊掛投放系統(tǒng)最大外掛載荷16,300 kg。CH-53等重型直升機的吊掛投放系統(tǒng)設計有3個吊掛點:前后貨物掛鉤裝置安裝于前后艙口的地板艙口內;主貨物掛鉤安裝于主艙口的地板艙口內。垂直方向載荷通過一定的傳力機構傳遞給主減速箱支架俄羅斯的直升機大多是在吊掛艙口的地板上安裝支架,在支架上安裝吊掛投放系統(tǒng)。吊掛投放主要采用中大型以上直升機。其中,米-26直升機的吊掛投放系統(tǒng)最大吊掛載荷達到了20,000 kg。大的直升機吊掛投放系統(tǒng),只有一個主吊點,通過支架安裝于主艙口上方。

美國和俄羅斯的直升機吊掛系統(tǒng)最大的區(qū)別在于:以美國為代表的北約國家的直升機吊掛投放系統(tǒng)配備的吊索幾乎全部為高強度纖維吊索,具有重量輕,易收納,使用方便,耐腐蝕能力強等特點;俄羅斯的直升機吊掛投放系統(tǒng)配備的吊索全部為金屬吊索,重量重,收納困難,如米-26配備的吊索達到了470 kg,并配備了專用的電動絞車輔助吊索的連接。

美國在直升機垂直補給方面的研究已經實現了系列化和標準化[4-5],對外吊掛系統(tǒng)的吊索、吊網、吊鏈、吊掛連接設備全部制定了專用標準,垂直補給形成了標準作業(yè)流程。目前,美軍已經完成了31類500多個吊掛運輸方案,針對不同直升機、不同貨物、不同補給和受給艦艇等,均制定了詳細的運輸方案。盡管是在嚴格的標準和管理條件下,美軍仍認為“由于貨物掛鉤故障、吊索斷裂、操作失誤等原因導致的直升機吊掛運輸事故經常發(fā)生”。可見垂直補給作業(yè)相對于其他運輸作業(yè),仍然是高風險科目。

2 提升垂直補給能力的關鍵因素

垂直補給可以擴大和增強平行補給能力,也可以給補給計劃,尤其是航行補給作業(yè)時間、地點增加靈活性和適當的活動余地。垂直補給具有以下獨特優(yōu)勢:

1)縮短受援兵力(或作戰(zhàn)艦艇)補給所需時間;

2)縮短或免去艦艇脫離陣位時間;

3)減少參加補給作業(yè)人員;

4)能夠對分散隊形的艦艇進行補給;

5)能夠對因執(zhí)行任務而不能前來并行補給的艦艇進行補給;

6)在惡劣天氣時,能夠對并行會有危險或不能并行的艦艇進行補給;

7)能夠對位于淺水區(qū)或駐泊的艦艇進行補給;

8)垂直補給的運送量通常不及主力艦艇航渡補給,但可以節(jié)約時間,省去平行補給運輸所需的接近、掛接和脫離時間。

艦載直升機垂直補給作業(yè)通常需要補給作業(yè)任務規(guī)劃系統(tǒng)、直升機吊掛運輸系統(tǒng)和艦艇搬運系統(tǒng)等配合完成。垂直補給作業(yè)前,艦艇和直升機有關各方應熟知對方信息,確保艦機之間相互滿足要求。直升機詳盡了解接收艦的著艦區(qū)、保障設施、甲板標志、垂直補給操作區(qū)、障礙物方位和其他影響直升機著艦環(huán)境的物理性細節(jié);艦艇詳盡了解前來補給的直升機的情況,包括旋翼直徑、總重量、機身長度、起落架規(guī)格說明以及相應的維護要求等。根據貨物的尺寸、形狀和重量,運輸人員的數量和狀態(tài),飛行甲板穩(wěn)定性,任務緊急程度等因素可續(xù)合理地確定垂直補給形式[6]。

2.1 任務規(guī)劃

通過任務規(guī)劃系統(tǒng),可以科學合理地規(guī)劃直升機、補給艦和受給艦的工作內容。任務規(guī)劃系統(tǒng)獲取被補給艦的內部倉室位置、裝倉路線和存儲位置,被補給貨物倉室位置、裝倉路線和存儲位置等,根據任務情況,規(guī)劃直升機補給方案[5, 7-10]。

任務規(guī)劃過程中,需考慮以下內容:

1)艦載直升機運載能力。直升機運載能力包括艙內裝載能力和外吊掛能力,與直升機最大起飛重量直接相關。

2)垂直補給相對風向。受艦船上層建筑產生的紊流影響,直升機垂直補給作業(yè)時,應該逆風起飛、進場和懸停,相對風速和夾角均不宜過大。

3)垂直補給貨物的尺寸、形狀和重量。貨物的尺寸、形狀和重量決定了貨物的運輸方式以及所需卡鉤的數量等。緊湊的載荷可以在艙內運輸或外掛運輸,而超大貨物必須采用外吊掛運輸。由于外吊掛載荷氣動特性的影響,直升機空速會受到限制。

4)飛行距離和氣象條件。直升機性能受溫度、空氣密度、飛行高度和相對風速等因素影響。隨著溫度的增加或大氣壓力的降低,直升機最大升力減小,這是由于發(fā)動機性能和槳葉的空氣動力性能下降所致。因此,高氣壓的寒冷、干燥的天氣和強而穩(wěn)定的相對風速對垂直補給作業(yè)有利。

5)艦艇的就位樣式。一般來說,長距離(對重的、高比重貨物超過60 km,對輕的低比重貨物超過45 km)的攜帶外掛,不應該視為一種標準的垂直補給程序,而應該看作是一種對要求緊急優(yōu)先運輸的貨物貯備的能力。

6)艦船之間相互影響。倘若補給艦和受給艦的舷側還有另一艘艦艇,則進行垂直補給的困難增大:直升機投放/提吊作業(yè)區(qū)上空會有擾動的氣流和熱的燃氣排煙;投放/起吊作業(yè)區(qū)的風受阻塞;這艘艦艇可能成為飛行航線上的障礙物,迫使直升機采用順風進場/起飛,而帶外掛進行順風進場和起飛特別危險,應盡量避免。除非作業(yè)必要,帶外掛的直升機務必不要在艦艇頂空飛越。

7)直升機駕駛員的工作時間。白天進行垂直補給作業(yè),駕駛員的耐力極限為6～8小時,夜間垂直補給作業(yè)則為2～3小時。影響駕駛員耐力的因素還有:甲板縱橫搖,天氣條件,機組人員的經驗/體力條件,連續(xù)工作時間,夜間作業(yè)和低的能見度。

8)直升機架數需求。這取決于補給和受給艦艇的艦型和數量,艦艇之間的距離,可調用直升機的數量,受給艦艇投放區(qū)的受貨能力,補給艦艇的最大供貨速度,直升機機組人員的技術/訓練水平。

9)內部裝載通常要比外掛貨物更耗時間,因此一般應該避免內部裝貨運輸,除非運輸的距離很遠而又能為卸貨提供著艦場地。

2.2 垂直補給設備

垂直補給作業(yè)設備通常包括托板、集裝箱、吊網、可調吊索、提升吊索、貨物掛鉤、連桿等。

不同裝載能力的部件或不同類型的吊掛組件不可互換。不同裝載能力或吊掛類型的部件混合使用可能導致不可預計的吊掛特性或吊掛組件故障。

2.3 垂直補給作業(yè)流程

垂直補給作業(yè)流程包括補給貨物準備,貨物起吊,飛行和卸載等。

1)垂直補給貨物準備。貨物準備的目的是保證飛行中的安全和到達目的地無損壞。外掛貨物在運輸期間可能經歷強風,應做好準備。做好垂直補給貨物重量標識。采取使貨物高效運輸的貨物組合:每個貨物組合前,標記重量和直升機機組及貨物接收人員所需的其他信息;組合貨物時,各貨物應當具有近似或一致的尺寸和重量,以減小吊起或運輸過程中翻轉的可能性。貨物高度必須使起吊人員在不爬到貨物頂部的情況下就可完成吊索連接。避免運輸輕的貨物,小于70 kg間貨物易產生不穩(wěn)定性。

2)垂直補給的起吊。直升機進場,到達艦船外側懸停位置,然后進入著艦區(qū)域或起吊區(qū)域;在貨物上方穩(wěn)定懸停,掛鉤人員進入位置將貨物與直升機相連;當貨物掛上,掛鉤人員撤離后,直升機機組人員發(fā)出指令吊起貨物,飛離艦船。

2.4 夜間垂直補給

晝間和夜間垂直補給流程相同,但夜間飛行需更加小心,要求的精度更高。夜間貨物運輸速度通常慢于晝間操作。艦船保持航向,煙囪排放的氣體偏離垂直補給區(qū)域。進場時飛行員要避免穿過煙囪氣流飛行,因為煙囪排放的氣體會降低能見度,并可導致空間定向障礙。

2.5 垂直補給其他影響因素

1)避免輕/不規(guī)則形狀的外部載荷。這可能產生不可預測的擺動、振蕩等。如果出現過大的載荷振蕩,必須立即降低空速,以防失控或對直升機施加過大的載荷。在拾取或交付期間,必須極其小心地處理此類負荷,避免對直升機造成損壞或對降落區(qū)附近的設施、設備或人員造成損壞/傷害。若對直升機性能產生嚴重不利影響或威脅到直升機,不穩(wěn)定載荷可能在前飛中丟棄。

2)無線電高度正常工作受影響。在懸停和低速飛行時,外部載荷影響可能導致無線電高度表指示不穩(wěn)定和不可靠。

3)格外注意具有空氣動力學特性的外部載荷。這些載荷的氣動升力可能會放大任何載荷,并導致載荷傳遞到直升機上。在水平飛行時,低密度大體積貨物可以通過平滑地控制運動來防止直升機振蕩。

4)防止負載意外釋放。應特別小心,以確保負載不會因意外而釋放。

經驗表明,對于任何類型的外部貨物載荷,都有一個最適合它的空速。對于有外部載荷的飛行,沒有一條固定的規(guī)則,重量、尺寸和形狀的組合都會對飛行期間的載荷作用有直接影響。

3 垂直補給能力建設

艦載直升機具有定點懸停、機動靈活、快速高效等獨特優(yōu)勢,是進行垂直補給的最好手段。垂直補給能力建設的重點有以下幾個方面:

1)卓越的艦載直升機平臺能力

艦載直升機執(zhí)行垂直補給作業(yè)時,懸停、小速度飛行在整個飛行譜中占有較大時間比例。直升機在飛行甲板保持相對懸停狀態(tài),操作員將貨物通過連接桿手動連接到直升機吊掛系統(tǒng)。直升機的懸停性能直接影響其任務執(zhí)行能力,因此要求直升機具備較高的懸停精度和良好的飛行控制能力。為能在極端的環(huán)境和設計總重條件下仍具有良好的任務執(zhí)行能力與安全性,艦載直升機還需要具有足夠的功率裕度和較低的空重比。

2)科學合理的任務規(guī)劃系統(tǒng)

使用多架直升機同時對多艘艦艇進行多種物質補給,要有科學合理的任務規(guī)劃,有效避免“艦等機、機等艦、機機沖突”等問題,保證直升機能夠安全高效地進行垂直補給。

3)完善的垂直補給配套設施設備

不同貨物的垂直補給作業(yè)需用的設備各不相同,例如散裝物品使用托板、吊網等,大型標準件采用集裝箱。相關設施設備還有可調吊索、提升吊索、貨物掛鉤、連桿,以及艦船上搬運用的叉車、轉運車、搬運機器人等。因此,需要有完善的配套設施設備,才能保證各種物資的正常補給作業(yè)。

4)健全的標準規(guī)范體系

隨著技術的發(fā)展,補給艦、受給艦和直升機的能力和要求不斷提高,垂直補給方式也在不斷升級更新。艦載直升機垂直補給作業(yè)流程、配套設施設備、作業(yè)方式等也需要與時俱進。因此,需建立健全標準規(guī)范體系,朝標準化、系列化、通用化方向發(fā)展。

5)扎實的作業(yè)訓練

再好的設備也需要反復磨練才能最大化地發(fā)揮效能。也正因為垂直補給作業(yè)屬于高風險科目,所以更需要平時進行扎實的訓練,才能更好地提高垂直補給作業(yè)能力。

4 結語

本文首先分析了海上補給需求及海上補給方式,垂直補給費用盡管昂貴,但由于占據時空優(yōu)勢,現已成為海上補給的主要手段;然后研究了國內外垂直補給的現狀,著重分析了美、俄兩國的垂直補給吊掛系統(tǒng);針對垂直補給整個作業(yè)過程,分析了提升垂直補給能力的關鍵因素;最后建議從直升機平臺能力、任務規(guī)劃系統(tǒng)、配套設備、法規(guī)及訓練等方面入手,提升垂直補給能力。