固定翼飛機(jī)空中受油方式研究

彭 珂 ，喻振華 ，謝 超

（1.中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京 211106；2.航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106）

空中加油技術(shù)對提高飛機(jī)作戰(zhàn)效能具有十分重要的意義，通過空中加油可以加大飛機(jī)航程和作戰(zhàn)半徑，增加飛機(jī)載彈量，延長飛機(jī)留空時(shí)間，提高飛機(jī)利用率，減少飛機(jī)出動(dòng)數(shù)量。雖然發(fā)展只有幾十年的時(shí)間，但多次高技術(shù)條件下的現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭的實(shí)踐表明：空中加油技術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中得到越來越廣泛應(yīng)用，并起到了至關(guān)重要的作用。為此美國軍方專門規(guī)定：所有新機(jī)都應(yīng)具備空中加油的能力或具有供空中加油使用的空間和結(jié)構(gòu)措施，我國GJB 1003A-2006 《飛機(jī)燃油系統(tǒng)通用規(guī)范》中也作了同樣的規(guī)定。而多年的理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也證明，空中加油能力是直接決定加油設(shè)備研制復(fù)雜度和影響空中加油系統(tǒng)使用效能（空中加油時(shí)間或加油效率）的一個(gè)重要指標(biāo)，但真正決定空中加油系統(tǒng)使用效能的往往是受油機(jī)的受油能力[1]。

隨著空中加油技術(shù)的不斷發(fā)展，空中加油專業(yè)也不斷細(xì)化，逐步劃分為以加油機(jī)為主的空中加油技術(shù)和以受油機(jī)為主的空中受油技術(shù)?？罩惺苡图夹g(shù)是指將安裝在飛機(jī)上的受油設(shè)備與加油機(jī)加油設(shè)備（錐套或硬管）對接，在加油機(jī)與受油機(jī)之間提供燃油通道的技術(shù)，其重點(diǎn)是受油方式的選擇和受油設(shè)備的研制。國內(nèi)外對空中受油技術(shù)已做了大量研究工作，但缺乏全面的總結(jié)、分析與比較，限制了相關(guān)研究工作的進(jìn)行。本文對固定翼飛機(jī)空中受油方式進(jìn)行全面分類與總結(jié)，介紹不同方式的基本原理，并進(jìn)行深入分析與比較。最后針對國內(nèi)固定翼飛機(jī)的發(fā)展趨勢，對其空中受油方式的發(fā)展方向給出建議。

1 基本分類

空中加油和空中受油相伴而生，要研究空中受油，必須與空中加油緊密結(jié)合。目前，空中加油方式有軟管-錐套式（Hose-and-Drogue，俗稱軟式）和伸縮套管式（Boom，俗稱硬式）兩種。

一般而言，軟管-錐套式加油方式是指以加油吊艙或加油平臺作為平臺，通過加油吊艙或加油平臺放出加油軟管，軟管末端安裝一個(gè)錐套（主要包括加油接頭和穩(wěn)定傘），用以在飛行中穩(wěn)定軟管并為受油機(jī)插入受油插頭提供一個(gè)漏斗形對接輔助裝置，受油機(jī)飛行員操縱飛機(jī)使受油插頭與錐套對接，頂開錐套內(nèi)的活門實(shí)現(xiàn)加油的加油方式。

軟管-錐套式加油方式優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：可在大型加油機(jī)上多點(diǎn)安裝，具備多點(diǎn)加油能力（可同時(shí)為2～3架小飛機(jī)加油）；受油機(jī)控制加油過程，對加油員的操作技能要求低，甚至不需要專職加油員（如艦載伙伴加油機(jī)，由飛行員或武器控制員兼任）；可為固定翼飛機(jī)、直升機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)加油。主要缺點(diǎn)是：加油速度相對較慢；加油對接時(shí)錐套易受氣流擾動(dòng)影響，不易控制；對受油機(jī)飛行員的技能要求較高。

軟式加油設(shè)備主要有加油吊艙（翼下加油吊艙（圖1）、伙伴加油吊艙（圖2））和機(jī)身中心線加油平臺（圖3）兩類。其中加油吊艙的加油能力一般為750～2200L/min之間，機(jī)身中心線加油平臺的加油能力一般為2000～2800L/min之間。此外，也有在硬管上搭接軟管-錐套適配器（BDA）（圖4）的，經(jīng)地面轉(zhuǎn)換后，可提供軟式加油能力[2]。

與軟管-錐套式加油方式對應(yīng)的軟式受油方式主要以固定式受油裝置和可收放式受油裝置為代表。

圖1 翼下加油吊艙Fig.1 Refueling pod under wing

圖2 伙伴加油吊艙Fig.2 Buddy-buddy refueling pod

圖3 機(jī)身中心線加油平臺Fig.3 Refueling store along fuselage centerline

圖4 軟管-錐套適配器Fig.4 Hose-and-drogue adapter

伸縮套管式加油方式（圖5）是指使用一根飛行可控的伸縮式硬質(zhì)套管，由一名操作員控制其舵面，使硬管處于受油機(jī)上方，伸長套管的內(nèi)管并將加油嘴插入受油機(jī)的受油插座的加油方式。

圖5 伸縮套管式加油方式Fig.5 Refueling method by boom

伸縮套管式加油方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：加油速度快，明顯優(yōu)于加油吊艙和機(jī)身中心線平臺，為大型飛機(jī)（受油能力強(qiáng)）加油時(shí)效率很高；硬管的可控性好、抗湍流干擾性強(qiáng)，能夠在較復(fù)雜的氣象條件下使用；由加油機(jī)控制加油過程，對受油機(jī)飛行員的技能要求較低。伸縮套管式加油方式的主要缺點(diǎn)是：只能進(jìn)行單點(diǎn)加油，不能同時(shí)為多架受油機(jī)（與受油機(jī)尺寸大小無關(guān)）加油，為受油能力弱的小飛機(jī)加油時(shí)，加油速度快的優(yōu)勢難以有效發(fā)揮；對加油員的操作技能和動(dòng)作規(guī)范要求高；不能用于艦載機(jī)伙伴加油及為直升機(jī)、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)加油。

現(xiàn)階段硬式加油設(shè)備只有硬管空中加油系統(tǒng)一種類型，安裝在大中型加油機(jī)的后機(jī)身底部的中心線附近，加油能力一般大于3400L/min。

與伸縮套管式加油方式對應(yīng)的硬式受油方式以受油插座為代表。

2 固定式受油裝置

固定式受油裝置是安裝在飛機(jī)機(jī)體外部，連接受油機(jī)空中受油系統(tǒng)的入口，能夠與加油機(jī)軟管-錐套式加油系統(tǒng)中的錐套聯(lián)合工作的一種受油裝置，一般固定在飛機(jī)機(jī)頭前部、座艙上方、座艙右前方或機(jī)翼下方等位置，其安裝原則是保證對接時(shí)飛行員有良好的視野，不能影響飛行員的操作和在任何情況下都不能危及飛行員的安全。值得注意的是此安裝原則所有受油方式均需嚴(yán)格遵守。

固定式受油裝置由受油插頭和受油管組成，并可根據(jù)需要加裝整流罩，主要實(shí)現(xiàn)空中對接、提供受油通道等功能，其中受油管外形一般為直線型或倒L型。

固定式受油裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、易于布置、拆卸容易，這些優(yōu)點(diǎn)使得固定式受油裝置成為最早使用的受油方式，并獲得了廣泛應(yīng)用，其主要用在大型飛機(jī)（圖95（圖6）、A-400M（圖7）、E-3、A-50）、飛行速度較低的飛機(jī)（幻影-5/50、掠奪者、流星、F-100（圖8））及定型飛機(jī)加裝空中受油裝置（殲8、殲10（圖9））。但飛機(jī)安裝固定式受油裝置會(huì)在飛行中帶來氣動(dòng)噪聲及產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)，產(chǎn)生飛行員無法忍受的噪聲，不僅對飛行員的無線電通話產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，還影響了飛行員作戰(zhàn)或訓(xùn)練時(shí)的注意力；另外也不利于飛機(jī)隱身。國內(nèi)羅乖林[3]、胡萍等[4]對受油管尾流特性及噪聲，祝立國等[5]對受油管繞流特性展開了研究，取得了一定成果，改進(jìn)改善了因固定式受油裝置帶來的噪聲和振動(dòng)問題。

圖6 圖95固定式受油裝置（機(jī)頭）Fig.6 Fixed fuel receiving device of Tu95 (nose)

圖7 A-400M固定式受油裝置（座艙上方）Fig.7 Fixed fuel receiving device of A-400M (above the cockpit)

圖8 F-100固定式受油裝置（機(jī)翼下方）Fig.8 Fixed fuel receiving device of F-100 (below the wing)

圖9 殲10固定式受油裝置（座艙右前方）Fig.9 Fixed fuel receiving device of J10 (right front of the cockpit)

3 可收放式受油裝置

隨著空中加受油技術(shù)的不斷發(fā)展以及新研飛機(jī)飛行速度的不斷提高，戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)對飛機(jī)氣動(dòng)外形和隱身性能的要求越來越苛刻，攻擊機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等飛機(jī)的空中受油技術(shù)已全面從固定式受油裝置向可收放式受油裝置轉(zhuǎn)換。

可收放式受油裝置是指安裝在飛機(jī)機(jī)體內(nèi)部，連接受油機(jī)空中受油系統(tǒng)的入口，執(zhí)行正常飛行任務(wù)時(shí)收藏在機(jī)體內(nèi)，需要執(zhí)行空中受油任務(wù)時(shí)從機(jī)體放出，能夠與加油機(jī)軟管-錐套式加油系統(tǒng)中的錐套聯(lián)合工作的一種受油裝置。

此類受油裝置是通過改變飛機(jī)外形，進(jìn)而改善飛機(jī)氣動(dòng)性能，提高飛機(jī)隱身性能、增強(qiáng)飛機(jī)戰(zhàn)斗力的一種有效手段，一般安裝在飛機(jī)頭部、座艙左前方、座艙右前方、座艙右下方或機(jī)翼外掛油箱等位置的機(jī)體內(nèi)，在非加油工況完全消除了由固定式受油裝置引起的振動(dòng)和噪音。可收放式受油裝置主要由受油插頭、收放式受油探管、信號機(jī)構(gòu)、整流罩等部分組成，主要實(shí)現(xiàn)收放、收放鎖緊、提供收放到位信號、空中對接、提供受油通道等功能。

可收放式受油裝置工作原理是依靠液壓作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)收放式探管正常放出和收回并鎖緊，并發(fā)出適時(shí)的指示信號；如果液壓能源發(fā)生故障，啟用應(yīng)急氣源，將受油探管一次性放出并鎖緊，保證受油機(jī)空中加受油任務(wù)完成，保障了飛機(jī)的飛行安全。

可收放式受油裝置按收放方式一般分為伸縮式受油裝置和搖臂式受油裝置，其中伸縮式受油裝置的收放方式類似于液壓作動(dòng)筒的直線運(yùn)動(dòng)，主要是Su-24（圖10）、Su-33（圖11）、Su-35、MIG-29、MIG-31、F-16（圖12）等型號戰(zhàn)斗機(jī)中采用或裝在機(jī)翼外掛油箱上使用，其收放式受油探管組件內(nèi)部集成了液壓作動(dòng)系統(tǒng)、鎖緊機(jī)構(gòu)、燃油通道等功能部件，具有集成度高、占用機(jī)體空間少、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，適合于新研飛機(jī)或定型飛機(jī)增加受油能力；缺點(diǎn)是制造精度高，加工較困難；另外其為半封閉結(jié)構(gòu)，影響了隱身性能。

圖10 Su-24伸縮式受油裝置（機(jī)頭）Fig.10 Retractable fuel receiving device of Su-24 (nose)

圖11 Su-33伸縮式受油裝置（座艙左前方）Fig.11 Retractable fuel receiving device of Su-33 (lift front of the cockpit)

圖12 F-16伸縮式受油裝置（機(jī)翼外掛油箱）Fig.12 Retractable fuel receiving device of F-16(external hanging tank of wing)

搖臂式受油裝置的收放方式是利用搖臂圍繞定點(diǎn)做上下運(yùn)動(dòng)，主要是“狂風(fēng)”（Tornado）（圖13）、F-14、F/A-18、美洲虎（圖14）等型號戰(zhàn)斗機(jī)使用。搖臂式受油裝置和伸縮式受油裝置的區(qū)別主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和布置上。搖臂式受油裝置的液壓作動(dòng)系統(tǒng)與燃油通道在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了分離，無需擔(dān)心燃油和液壓油的交叉污染，且鎖緊機(jī)構(gòu)為開放式，其設(shè)計(jì)相對簡單，便于制造和調(diào)節(jié)，易維護(hù)，故適合新研飛機(jī)采用，特別是可以做成全封閉結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)隱身功能；缺點(diǎn)是占用機(jī)體空間縱向距離較長，涉及飛機(jī)機(jī)體改動(dòng)較大，不利于已定型飛機(jī)改裝。

圖13 狂風(fēng)搖臂式受油裝置（座艙右前方）Fig.13 Fuel receiving device by rocker of Tornado(right front of the cockpit)

圖14 美洲虎搖臂式受油裝置（座艙右下方）Fig.14 Fuel receiving device by rocker of Jaguar(lower right of the cockpit)

4 受油插座

受油插座是指安裝在受油機(jī)空中受油系統(tǒng)的入口，能夠與加油機(jī)伸縮套管式加油系統(tǒng)的加油接嘴聯(lián)合工作的一種受油裝置。

受油插座一般安裝在飛機(jī)座艙前方、座艙頂部、座艙后部、機(jī)翼等位置的機(jī)體內(nèi)（圖15～18），主要由殼體、鎖緊機(jī)構(gòu)、自封活門和通信線圈等部分組成，用于實(shí)現(xiàn)硬式空中加油空中對接、提供燃油流道和加受油機(jī)之間通訊等功能，其工作原理是加油機(jī)加油接嘴插入受油機(jī)受油插座后，推動(dòng)受油插座自封活門打開，實(shí)現(xiàn)燃油流道導(dǎo)通，并由鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊加油接嘴，同時(shí)通信線圈提供對接信號給加/受油機(jī)，并可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)通信。

受油插座由于具有受油能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在大型飛機(jī)上獲得了廣泛使用，特別是對加油速度要求很高的遠(yuǎn)程戰(zhàn)略大型轟炸機(jī)而言，受油插座成為唯一可選的受油方案，一度成為美國空軍的唯一受油方式，但是硬式加/受油設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研制難度大，且需專門的加油人員操作進(jìn)行加受油，限制了大范圍應(yīng)用，故現(xiàn)僅有美式空軍戰(zhàn)斗機(jī)使用受油插座。

圖15 F-117受油插座（座艙前方）Fig.15 Receptacle of F-117 (front of the cockpit)

圖16 KC-10受油插座（座艙上方）Fig.16 Receptacle of KC-10 (above the cockpit)

圖17 F-35受油插座（座艙后方）Fig.17 Receptacle of F-35 (behind the cockpit)

圖18 F-15受油插座（機(jī)翼）Fig.18 Receptacle of F-15 (wing)

5 結(jié)束語

提高加油設(shè)備的加油能力和受油機(jī)的受油能力都是提高空中加油系統(tǒng)工作效率及飛機(jī)作戰(zhàn)效能的有效途徑。在提高受油機(jī)受油能力時(shí)，更重要的是努力提高受油系統(tǒng)參數(shù)匹配能力，從而縮短加油時(shí)間。

近年來我國進(jìn)行了大量新型號飛機(jī)的研制，這些飛機(jī)均提出了具備空中受油能力的要求。從我國國情考慮，在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，國內(nèi)需要空中加油支持的固定翼飛機(jī)主要是各種戰(zhàn)斗機(jī)、艦載機(jī)、預(yù)警機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、指揮機(jī)，結(jié)合我國空中加油技術(shù)的發(fā)展趨勢，對空中受油方式的發(fā)展方向提出如下建議。

（1）對于戰(zhàn)斗機(jī)、艦載機(jī)等中小型飛機(jī)，建議采用軟式受油方式，優(yōu)先發(fā)展可收放式受油裝置。如果是新研飛機(jī)，采取伸縮式受油裝置和搖臂式受油裝置都是適合的，具體選擇因素取決于飛機(jī)結(jié)構(gòu)布局需要；對于定型飛機(jī)增加受油能力來說，伸縮式受油裝置是一個(gè)較好的選擇，如果飛機(jī)結(jié)構(gòu)所限，可采取固定式受油裝置。

（2）對于預(yù)警機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、指揮機(jī)等大型飛機(jī)來說，從現(xiàn)有國情考慮，建議采用軟式受油方式，主要方式為固定式受油裝置，以滿足各型預(yù)警機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、指揮機(jī)的空中加油需求；從空中加油技術(shù)發(fā)展情況考慮，建議適時(shí)發(fā)展能與伸縮管式加油系統(tǒng)配套的受油插座，以滿足日后技術(shù)發(fā)展的需要；如果飛機(jī)結(jié)構(gòu)布局允許，可以在飛機(jī)上部署受油裝置和受油插座兩種方式，以適應(yīng)不同的加油方式。

（3）從技術(shù)層面來講，固定式受油裝置需要向簡單實(shí)用、輕型方向發(fā)展，采用復(fù)合材料是大勢所趨；可收放式受油裝置和受油插座則除了需要更加簡單實(shí)用、輕型外，良好的隱身性能更是發(fā)展趨勢，將會(huì)越來越受到軍隊(duì)和主機(jī)所重視。

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