用高中物理知識(shí)解讀艦載機(jī)起飛方式

徐超

(南京市雨花臺(tái)中學(xué) 江蘇 南京 210012)

我國首艘航母平臺(tái)“遼寧號(hào)”已經(jīng)正式入列， “遼寧號(hào)”長302 m，寬近70.5 m，吃水10.5 m，標(biāo)準(zhǔn)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(gè)移動(dòng)的機(jī)場，它更是一個(gè)科技含量極高的現(xiàn)代化作戰(zhàn)平臺(tái)，應(yīng)用了諸多的學(xué)科知識(shí).本文就用中學(xué)物理知識(shí)解讀航母是如何巧妙地在有限空間讓固定翼飛機(jī)起飛的.

在陸地上，飛機(jī)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(jī)在這么短的跑道上起飛呢?這就需要飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)具有很強(qiáng)的推動(dòng)力，能在短時(shí)間、短距離內(nèi)推動(dòng)飛機(jī)達(dá)到起飛速度，所以,對于艦載機(jī)的起飛質(zhì)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(yīng)用.

圖1 飛機(jī)起飛時(shí)機(jī)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(gè)方面采取措施，航母第一件事情就是利用自身的動(dòng)力給飛機(jī)一個(gè)初速度30節(jié)即55.56 km/h，大概15 m/s，這個(gè)作用不容小視，根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)的知識(shí)可知

(v-v0)2-0=2ax

經(jīng)計(jì)算可以得到x=422.5 m，減小滑行的距離作用明顯，然而這個(gè)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(jù)這個(gè)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(qū)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(jī)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(jī)在經(jīng)過滑躍角后，因?yàn)榧装迥┒寺N起，翹起的角度加大了機(jī)翼的攻角，造成升力大幅度提升，而且由于機(jī)身向上傾斜，因?yàn)闄C(jī)翼傾斜，阻力作用瞬間加大而將一部分動(dòng)力變?yōu)樯仙?這也是飛機(jī)襟翼的工作原理.平飛的話，這一部分上升力只能靠機(jī)翼后部的襟翼來提供，相同動(dòng)力下由于阻力小，產(chǎn)生的上升力也小，所以,只有靠增加動(dòng)力來增加上升力.另外,可以把飛機(jī)飛離航艦的剎那軌跡切線分解成水平及豎直向上的兩個(gè)矢量，發(fā)動(dòng)機(jī)推力會(huì)產(chǎn)生向上的分力，產(chǎn)生類似于推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)的效果，雖然向上產(chǎn)生的分力并不大，但是可以使艦載機(jī)即使離艦也能保持約2 s的滯空時(shí)間，兩者結(jié)合可以讓戰(zhàn)斗機(jī)的滑跑距離降低50%以上，而且推重比越大的飛機(jī)，距離減小的幅度越大，大量的計(jì)算和試驗(yàn)證明，斜坡甲板的上翹角為10～15°時(shí)，艦載機(jī)的滑跑距離最短.像“遼寧”號(hào)航母的滑行甲板末端上翹的角度約為14°，為飛機(jī)離艦提供額外的升力，我國最新裝備的殲-15戰(zhàn)機(jī)在滑躍起飛的航艦上只需100多米就行了，而這個(gè)長度對于“遼寧”號(hào)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(jī)的最佳選擇，但它的缺點(diǎn)是對于預(yù)警機(jī)等推重比小的飛機(jī)不行，它們沿斜坡上升要克服重力做功，這樣速度就會(huì)降低，抵消了提升升力的作用，離開預(yù)警機(jī)的引導(dǎo)和指揮,戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)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(jī)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(nèi)對艦載機(jī)施加額外的推力.根據(jù)牛頓第二定律，推力增大也就提高了飛機(jī)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(jù)

(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(diǎn)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(tái)彈射器，并于1912年11月12日實(shí)現(xiàn)了人類歷史上的艦載機(jī)首次彈射起飛.二戰(zhàn)之后，噴氣式艦載機(jī)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(jī)的起飛重量越來越大，彈射器也在隨之不斷地改進(jìn).現(xiàn)在預(yù)警機(jī)的重量有70 t以上，根據(jù)F=ma，需要的推力要達(dá)到1.05×106N，實(shí)際需要遠(yuǎn)大于此.因?yàn)閺椛溲b置的重量也是很驚人的，移動(dòng)過程中阻力也是非常大的，況且這個(gè)推力還要飛機(jī)一起加速移動(dòng).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(shí)際上是一種活塞行程較長的往復(fù)式蒸汽機(jī)[2].使用時(shí)，先由核動(dòng)力航母上的反應(yīng)堆蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高壓蒸汽，并把這種高壓蒸汽儲(chǔ)存在儲(chǔ)汽罐內(nèi).彈射前，用拖索將艦載機(jī)鉤在往復(fù)車上，一旦將高壓蒸汽充入汽缸筒，蒸汽的巨大壓力推動(dòng)活塞，活塞帶動(dòng)往復(fù)車和艦載機(jī)飛速向前滑動(dòng)，從而將飛機(jī)加速彈射出去.

這是一個(gè)很好的辦法，然而蒸汽彈射器僅自重就達(dá)500～600 t，再加上輸汽管道等裝置，其占據(jù)的總體積就達(dá)600 m3.蒸汽彈射器的機(jī)械磨損嚴(yán)重，尤其是金屬密封條，艦載機(jī)每彈射一次都會(huì)與之摩擦一次，更換量非常大.此外，彈射艦載機(jī)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(jī)，就需耗費(fèi)1 t淡水.理論與試驗(yàn)都表明,現(xiàn)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(gè)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(jī)與往復(fù)車相連牽引飛機(jī)起飛，但內(nèi)部與傳統(tǒng)的蒸汽彈射器不同，電磁彈射器使用直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)行彈射、制動(dòng)，達(dá)到起飛速度后釋放并使往復(fù)車復(fù)位.直線電動(dòng)機(jī)是交流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)特例，把定子一線鋪開，轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動(dòng)，而是沿著定子隨電磁場的遞進(jìn)移動(dòng)而拉動(dòng).直線電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)原理就是利用電磁產(chǎn)生的安培力加速往復(fù)車并帶動(dòng)相連的飛機(jī)，這個(gè)原理很早就在電磁炮中利用，可是由于艦載機(jī)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(xiàn)=2nBIL,只要增大n,B,I,L中任何一項(xiàng)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(shù)就會(huì)使往復(fù)車的質(zhì)量加大，增加電流就會(huì)使熱量大增，就可能會(huì)使磁性消失，所以增加每一個(gè)量都有邊界效應(yīng)的問題，即使在允許的范圍內(nèi)也有另一個(gè)問題，就是在短短的幾秒內(nèi)消耗大量的電能.一個(gè)70 t的預(yù)警機(jī)，達(dá)到100 m/s的起飛速度至少需要能量

代入數(shù)據(jù)得

Ek=3.5×108J

而且必須3 s左右供給，耗能極快.

圖2 根據(jù)直線電動(dòng)機(jī)原理用于電磁彈射器

這些電能不可能由發(fā)電機(jī)現(xiàn)發(fā)，而是需要一個(gè)強(qiáng)儲(chǔ)能裝置，現(xiàn)在應(yīng)用的儲(chǔ)能裝置是電容器，實(shí)驗(yàn)證明對于彈射器這種大家伙，目前的電容器也難當(dāng)重任.另外一個(gè)就是當(dāng)線圈在磁場中切割磁力線運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢E=BLv，進(jìn)而產(chǎn)生電流，而且這個(gè)電流的效果是阻礙往復(fù)車的運(yùn)動(dòng)，要想持續(xù)產(chǎn)生恒定的推力就必須使磁場向前運(yùn)動(dòng)，而且速度超過線圈的速度

E=nBL(v磁場-v線圈)

這時(shí)就有了向前的動(dòng)力，而線圈是加速的，所以磁場也要不斷加速，這是一個(gè)復(fù)雜的控制過程，據(jù)說目前只是設(shè)計(jì)出這樣的控制器圖紙，樣機(jī)還沒有真正制造出來.

艦載機(jī)起飛是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)，它的基本原理用高中物理可以解釋，在實(shí)際操作過程中需要超高的技術(shù)和堅(jiān)強(qiáng)的意志去克服重重困難，才能實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)短距起飛的夢想.

參考文獻(xiàn)

1 解永平.艦載機(jī)在航空母艦上是怎樣起飛的? 物理教學(xué),2012(8)

2 李杰.航母彈射器選哪個(gè)：蒸汽OR電磁?.科學(xué)大觀園 , 2011(1)