一、起飞辅助装置及起飞操作
链球式起飞的装置示意图如下:在航母甲板的一端固定一旋转轴,飞机用一根机械臂连接在旋转轴上。机械臂的另一端连接一配重块,配重的重量应不小于起飞飞机最大重量的1.2倍。飞机与旋转轴的距离r约45米,配重与旋转轴的距离L可调。
图1 装置示意图
飞机起飞操作示意图见下。
图2 飞机起飞操作示意图
飞机起飞时,先调节配重与旋转轴之间的距离,以满足:
L=r x 飞机重量/配重重量。(1)
然后飞机用自身动力带动自身及配重块绕旋转轴旋转,并逐渐加速。飞机及配重由于角速度相等,且旋转半径满足(1),理论上所需的向心力相等,这个向心力通过机械臂互相抵消,故旋转轴理论上不受力。
当飞机逐渐加速,飞行员承受的离心力越来越大。如果抗荷服过关,飞行员能承受的最大过载约9g 。本文假设飞机加速至飞行员承受的7g的离心力,此时飞机与机械臂脱离进入直线跑道,同时配重块释放减速伞制动。
飞机沿直线跑道继续加速,直至离舰起飞。
二、简单算例
本算例所用参数参考J10飞机相关数据。
假设飞机发动机推力12.5吨,飞机起飞重量18吨,飞机绕跑轨迹半径45米,配重块重30吨,则据等式(1),配重块与旋转轴之间距离 应调为27米。同时飞机由于要同时给自身和配重块加速,故加速度为:
a = 12.5/18*9.8/2 = 3.4 m/s^2
脱离机械臂时的飞机速度v取决于飞行员能承受的过载值,假定为7g。
v = sqrt (r x 7g) = sqrt (45 x 7 x 9.8) = 55.6 m/s = 200 km/h
至此,飞机已绕行16.4秒、行程454米(1.6圈)。
此时飞机脱离机械臂,沿圈道切线方向进入直线跑道,由于配重已脱离,加速度a升为6.8 m/s^2 。跑道直线段约长200米,飞机需要时间为:
t = [(sqrt(v^2+4 x 0.5a x 200) - v] / a = 3 秒
因此在直线跑道的终点,飞机速度为55.6 m/s + 6.8 m/s^2 x 3s = 76 m/s =274 km/h。
相信这是一个合理的起飞速度。
三、讨论
在上述算例中,假定飞机的滑跑加速度只有6.8m/s (合0.7g ),对舰载机而言,偏低。
事实上即便是滑跑加速度再低,飞机脱离机械臂时的速度都能达到 ,因为限制这个速度的唯一因素是飞行员能承受的过载值。动力不强的飞机加速度低,可以通过延长跑圈距离来获得相同的脱臂速度。
如果适当增加圈道半径或者提高飞行员过载值,这个脱臂速度会进一步提高。这给需要较长滑跑距离的预警机、加油机等提供了一个机会。
然而飞机在跑圈过程中除了质心速度外,本身还有一个围绕飞机质心的一个角速度,如果直接把飞机从机械臂上分离,飞机会有水平旋转的风险,这个可能是致命的。好在这个角速度并不大,可以在机械臂与飞机的连接处做些文章,比如飞机在前后两个点上与机械臂绞接,前绞接点先于后点与机械臂脱离。此时后绞接点依然提供向心拉力,这个拉力会有一个附加的力炬作用于飞机,从而产生一个角速度,抵消掉其绕圈运行所具有的角速度,使飞机在脱离机械臂时只有平移速度。初步的估算显示如果前后两个绞接点在同一个地点但不同的时间释放,就能做到这一点。
一项显见的改进是在配重上加装动力,比如说用一台航空发动机。这样虽然不能提高受限于飞行员能承受的向心加速度的飞机脱臂速度,但是可以有效缩短飞机所需的绕行行程,更重要的是可以大大降低旋转轴需要承受的剪力。
四、结论
这种通过跑圈使飞机获得一个比较大的初速度的方法,实际上与链球通过旋转而获速是同样原理。优点是纯机械操作(当然也可以用电脑编程控制飞机速度、机械臂的释放等),机械臂本身甚至可以没有动力,技术难度不大,而且所需要的空间与现有的航母甲板尺寸相比,相差不大,在结构设计方面不是太大课题。
链球式起飞的精髓在于利用了圈道的封闭性,可以循环使用,因而理论上说将飞机的滑跑距离无限延长,不再受到航母甲板长度的限制。缺点是引入了直线跑道无需考虑的向心力(向心加速度)。
如果航母本身对这个向心力不敏感(可能高达300吨,甚至更高),那么用以抵消向心力的机械臂可以取消,圈道甚至可以采用高铁的相关技术,引导飞机脱离圈道进入直线跑道的目的可以采用类似铁路的扳轨来实现。
跑道的直线段应予保留但长度可以缩短,一来飞机起飞时在直线段上可以做一些自我修正,二来直线段能为飞机的降落提供场地。
如本文开头所言,本文是这种链球式起飞的一个大致概念,具体细节及可行性尚需进一步验证、探究。