自1910年11月14日美國人尤金·伊利完成了史上第一次從軍艦上起飛升力飛行器的壯舉之后，艦載機這個名詞從此進(jìn)入海軍，并成為今日海軍繼續(xù)發(fā)展的重要角色之一。不可否認(rèn)的是，在航空母艦和艦載機100多年的發(fā)展歷程中，航空母艦的布局一直在順應(yīng)艦載機本身的變化，每當(dāng)艦載機發(fā)生一次重大的動力更新?lián)Q代，航母本身的布局就要被重新設(shè)計?？v觀今天的航空母艦，和上世紀(jì)40年代的航空母艦相比，雖然一些概念詞匯比如攔阻索等能夠沿用至今，但是基本的構(gòu)造和甲板布局已經(jīng)大相徑庭。毫無疑問的是，如果今日的艦載機相比70年前的艦載機了無變化，那么如此變動的布局只能說是軍艦設(shè)計和制造上的浪費。
短短幾十年間，航母的甲板布局已經(jīng)變得大相徑庭
今天我們從上世紀(jì)20年代的艦載機開始說起，以艦載機動力的變動為主線，不僅穿插艦載機本身氣動布局等等的參數(shù)變化，同時也影射出航空母艦百年的發(fā)展歷程。
最早的發(fā)動機：活塞式內(nèi)燃機
內(nèi)燃機是最早的航空動力，它的壽命是如此之長久，以至于直到今天仍有不少輕型飛機仍然在使用內(nèi)燃機作為動力。當(dāng)然，僅限于輕型飛機。
在航母剛剛誕生的年代，活塞式的內(nèi)燃機卻是航空動力的不二之選。當(dāng)時，人類所能制造出來的熱機僅有活塞式蒸汽機、活塞式內(nèi)燃機和蒸汽輪機三種。外燃機笨重龐大，還需要在外面附加鍋爐，必然無法成為航空動力的選擇。而活塞式內(nèi)燃機，卻是那個年代能夠裝到航空飛行器上面的唯一動力選擇方案。
一戰(zhàn)時的戰(zhàn)斗機互相僅僅采用水平機動來占據(jù)攻擊陣位
當(dāng)然，彼時的活塞式內(nèi)燃機鑒于當(dāng)時技術(shù)的限制，其功率無法讓飛機獲得滿足的航速。所以當(dāng)時的艦載機基本都采用了上下雙翼的氣動布局以保證低速航行狀態(tài)下的升力。此外，當(dāng)時的內(nèi)燃機推力僅僅能夠滿足飛機在水平面之內(nèi)的機動，快速的垂直爬升基本上不可能實現(xiàn)，緩慢飛行的戰(zhàn)斗機空戰(zhàn)僅僅是水平面咬斗，盲目的向上拉動機頭，飛機基本上會進(jìn)入失速尾旋狀態(tài)。在當(dāng)時，戰(zhàn)列艦的裝甲防護(hù)還很強大，而功率小的發(fā)動機能將飛機從甲板上起飛已經(jīng)很不容易，更遑論攜帶能夠擊沉戰(zhàn)列艦的足夠重量的彈藥。即使是攜帶少量彈藥對戰(zhàn)列艦進(jìn)行攻擊，由于航速太慢，自身目標(biāo)又大（有兩個翅膀的雙翼機的彈著點實在是太多了），非常容易遭到防空火炮的攔截。也正是由于這一點，當(dāng)時的其他水面艦艇都沒有拿艦載機當(dāng)一回事，甚至19世紀(jì)40年代下水的戰(zhàn)列艦也沒有安裝多少防空火炮，這也注定了日后戰(zhàn)列艦被航空母艦迅速淘汰的結(jié)局，因為實在是太不重視飛行器了。
垂直機動：活塞式革命
從1920年到1940年，航空動力的發(fā)展是快速的。短短20年時間，艦載機的最高速度從100節(jié)左右提高到了300節(jié)，續(xù)航能力從幾十公里發(fā)展到超過2000公里，發(fā)動機功率從140馬力突破了1000馬力。也難怪二戰(zhàn)中戰(zhàn)列艦面對艦載機是如此的力不從心，因為這個時候大多數(shù)戰(zhàn)列艦的防空火力布置思路還是20年前的。
這就是星型發(fā)動機，其軸向的尺寸十分緊湊
這個時候的艦載機所使用的仍然是活塞式汽油機，但在內(nèi)燃機本身的設(shè)計和制造水平已經(jīng)大大提高。星形發(fā)動機采用星形的向心布局來安放汽缸，空氣流通汽缸之間的空隙來為發(fā)動機提供必要的冷卻功能。這種發(fā)動機可以被制造的非常緊湊，在艦載機狹小的前機身內(nèi)就能容納相當(dāng)大功率的汽油發(fā)動機。同時，采用易于得到的空氣作為發(fā)動機的冷卻工質(zhì)，無疑減小了航空母艦上對艦載機進(jìn)行維護(hù)的地勤壓力。
當(dāng)然，采用液冷發(fā)動機的V型汽缸布局也沒有被完全淘汰，在英國航空母艦上所使用的“海噴火”式艦載戰(zhàn)斗機就采用了V12缸的液冷活塞式汽油發(fā)動機。
新發(fā)動機所提供的充沛動力，讓艦載機的氣動布局也隨之變化。隨著飛機飛行速度的提高，艦載機無需額外使用雙翼布局提供額外升力，低阻力高速度的單翼布局成為主流；更大的推力讓戰(zhàn)斗機在空戰(zhàn)中首次有了垂直機動的概念，高度-速度平衡的能量空戰(zhàn)法成為空戰(zhàn)理論中最重要的一環(huán)；同時，利用高度和速度對敵目標(biāo)實行俯沖轟炸的艦載轟炸機也得到實用列裝。正是航母上搭載的俯沖轟炸機在中途島海戰(zhàn)中扭轉(zhuǎn)了太平洋戰(zhàn)場的戰(zhàn)局。
活塞式艦載戰(zhàn)斗機甚至裝上了氣泡座艙，圖為美國F8F艦載戰(zhàn)斗機
然而，新發(fā)動機為飛行器帶來的不僅僅是數(shù)字指標(biāo)上的革命，更是從根本上改變了空戰(zhàn)模式。由于發(fā)動機馬力的加大，飛行員可以通過在平飛時加大油門獲得速度，通過獲得的動能拉升高度搶占空戰(zhàn)中的有利位置?！八俣?高度”的能量空戰(zhàn)理論，正是針對這一新戰(zhàn)術(shù)而出現(xiàn)的新型空戰(zhàn)理論。從此，飛行員之間的格斗不僅僅是在同一高度縮小轉(zhuǎn)彎半徑以咬住對方或者甩脫對方，盡量消耗對方的空戰(zhàn)能量成為了各國戰(zhàn)斗機飛行員的標(biāo)準(zhǔn)教材，飛行器的能量包線也成為了飛機設(shè)計制造單位所執(zhí)行的重要設(shè)計指標(biāo)。
二次大戰(zhàn)為航空母艦最終擊敗戰(zhàn)列艦成為海洋霸主提供了最好的擂臺。1941-1945年短短的五年間，艦載機的各方面性能都再次大大提升。到了1945年，已經(jīng)有裝備超過2000馬力活塞發(fā)動機的艦載機，以及能夠攜帶超過1000公斤載荷的艦載攻擊機問世。
但是，活塞式發(fā)動機的螺旋槳推進(jìn)原理在這個時候也被挖掘到了極限。為了進(jìn)一步提高活塞式發(fā)動機的推力，只能通過增加螺旋槳的槳葉數(shù)量或者長度來實現(xiàn)。這樣做的效果不僅僅是飛機在艦上存放或起降安全方面受影響的問題，在推力提升的同時螺旋槳本身產(chǎn)生的阻力甚至也大大超過了增加的推力，反而使得這樣的改進(jìn)毫無效果。一系列失敗證明，為了使得飛行器獲得進(jìn)一步的優(yōu)良性能，不得不對發(fā)動機的工作原理模式進(jìn)行革命性的創(chuàng)新，在這樣的大背景下，人類有史以來最強大的常規(guī)能源發(fā)動機——噴氣式發(fā)動機誕生了。
從汽缸到燃燒室：噴氣發(fā)動機誕生史
四沖程發(fā)動機有三個沖程不在做功，也就是說發(fā)動機3/4的時間都被浪費了
首先我們說一下內(nèi)燃機的工作原理。在工作時，燃料與空氣的混合物在氣缸內(nèi)被壓縮點燃；點燃后，燃?xì)庠跉飧變?nèi)膨脹，推動活塞做功。飛機上的活塞式發(fā)動機會通過曲軸等一系列復(fù)雜的機構(gòu)將燃?xì)馀蛎浲苿踊钊耐鶑?fù)式運動轉(zhuǎn)化為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運動，通過螺旋槳旋轉(zhuǎn)時與空氣的相互作用，使得飛機獲得向前推進(jìn)的動力。首先，在活塞式發(fā)動機中，燃料的燃燒并不是連續(xù)性的，必須經(jīng)歷一個將燃料和空氣注入封閉空間，單次點燃，而后排出廢氣的一個間斷過程；其次，在這一系列復(fù)雜的過程中，從燃料燃燒做功到飛機最終獲得推力，在每一個機械轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)都要經(jīng)歷一次功率消耗。以上這些因素，使得活塞式發(fā)動機的推進(jìn)效率隨著速度提高而急劇下降。最致命的一點在于，對于螺旋槳飛機來講，即使可以不計油耗盡量的增加發(fā)動機的功率，但當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時，槳葉外輪的速度已經(jīng)超過音速；此時空氣的流體性能會發(fā)生巨大變化，不僅螺旋槳的推力會減少到極小值，引發(fā)的振動問題甚至?xí)沟蔑w機發(fā)生事故。也就是說，對于螺旋槳飛機，速度越高，推力越小。
火箭發(fā)動機的推重比令人咋舌，這種一噸半的導(dǎo)彈其火箭發(fā)動機推力高達(dá)28噸，雖然僅僅能夠工作幾秒鐘，但當(dāng)火箭燃燒完畢導(dǎo)彈的速度能夠突破5倍音速。
利用反沖作用獲得高速度的火箭發(fā)動機早在一千多年前就被運用于軍事領(lǐng)域。這是一種在燃燒室內(nèi)填裝燃料與氧化劑，進(jìn)行一次性使用的發(fā)動機。雖然燃料和氧化劑的消耗量驚人，但是火箭發(fā)動機能夠獲得相當(dāng)強大的推力。在航母彈射器還不太成熟的年代，火箭發(fā)動機經(jīng)常被捆綁在重載的艦載機上，用以使飛機在短小的航母甲板上獲得足夠的起飛速度。
利用火箭助推艦載機起飛實驗
對于飛機來講，空氣是最容易獲取的氧化劑。所以一種可行的思路是：改進(jìn)火箭的結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動機能夠從空氣中取得氧化劑，與燃料在開放的燃燒室內(nèi)燃燒獲得推力。這就是噴氣發(fā)動機的基本設(shè)計思路。雖然在燃油經(jīng)濟(jì)性上或許不如螺旋槳飛機，但是和活塞式發(fā)動機相比，噴氣式發(fā)動機在高速飛行時仍然能夠保持相當(dāng)?shù)耐屏Γ@一點尤為可貴。
雖然原理簡單，但是噴氣式發(fā)動機工作時的溫度相當(dāng)高，氣流也更為強烈，內(nèi)部零部件的工作條件十分苛刻，一般的金屬材料難以應(yīng)付；其次，其設(shè)計、實驗的難度和技術(shù)要求也高于以往僅僅考慮輸出功率的內(nèi)燃機。
Jumo004發(fā)動機，其壽命僅有短短50小時，噴氣發(fā)動機的溫度實在是太高了
最早投入實戰(zhàn)的德國Jumo004發(fā)動機自重715公斤，能夠提供880公斤的推力，兩臺Jumo004發(fā)動機使得二戰(zhàn)時的Me262型戰(zhàn)斗機達(dá)到了時速870公里，這一速度超過了幾乎全部的螺旋槳戰(zhàn)斗機。噴氣發(fā)動機大大提高了人類所能實現(xiàn)的發(fā)動機的重量與功率比。例如，折算成功率來講，運用在教練機上的AI-222-25噴氣式發(fā)動機，重500千克左右，等效功率達(dá)到了6000千瓦；而二戰(zhàn)時的普惠R-2800活塞式發(fā)動機，重達(dá)1073千克，功率僅有1567千瓦。
既然噴氣式發(fā)動機如此之優(yōu)秀，那么我們是不是可以立即將其運用在艦載機上呢？且慢，這里說一下二戰(zhàn)后飛機的發(fā)展問題。
既然噴氣式發(fā)動機給航空界提供了如此良好的一個高速動力源，那么除了發(fā)動機本身，在氣動設(shè)計上，飛機設(shè)計師也致力于為發(fā)動機提供一個良好的高速平臺。特別是對德戰(zhàn)爭中，東西方陣營都吃夠了高速飛行的苦頭，為了追求己方飛機的最高飛行速度，飛機的高速阻力被設(shè)計的越來越小，飛機的翼展也越來越窄。窄小的機翼使得飛機在低速時的升力大打折扣，也使得飛機的起飛速度更高，降落更困難。在過去活塞式發(fā)動機的年代，飛機在航母甲板上僅需要加速到時速150公里即可起飛，簡單的直通式甲板完全能夠勝任；而噴氣式戰(zhàn)斗機米格21的起飛速度高達(dá)每小時330公里，在陸地上需要800米長的跑道才能完成起飛——目前最長的船舶都沒有達(dá)到800米長。也同樣是為了高速，為了使得飛機機體具有足夠的強度在高速飛行時不會解體，原有的木材能輕質(zhì)材料被完全放棄，改換為能夠耐高溫也更重的金屬；同時，導(dǎo)彈武器的重量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過去的機槍機炮；為了能夠負(fù)擔(dān)更重的機體重量，又需要更多的燃油和更大的發(fā)動機。二戰(zhàn)初期的零式戰(zhàn)斗機不到兩噸重，而蘇-33艦載機的重量近30噸。當(dāng)艦載機動力剛剛實現(xiàn)從活塞式發(fā)動機到噴氣式發(fā)動機的過渡時，出現(xiàn)在美軍航母上的起降事故層出不窮，甚至到了要用傷亡率衡量的地步。
早期噴氣式艦載機在航母上起降時事故率居高不下
現(xiàn)在對飛機的要求又回到了推力上：雖然渦噴發(fā)動機有足夠的推力實現(xiàn)高速飛行，但是現(xiàn)在需要提供一種至少在起飛階段推力更強勁的發(fā)動機，能夠使得飛機的起飛距離盡量短，對于艦載機來說，意味著更加安全的起飛。在這個時候，人們又想起了已經(jīng)淪為初級飛機主要推進(jìn)器的螺旋槳。誠然，高速飛行的螺旋槳存在失效效應(yīng)，但是低速的時候，螺旋槳發(fā)動機又有著良好的可靠性和不高的油耗，也難怪低速飛機從來沒有用過噴氣式發(fā)動機。
渦輪噴氣式發(fā)動機的工作原理其實不難，噴氣式發(fā)動機有一根主軸，軸的前端是風(fēng)扇，后端是能夠承受高熱的渦輪。工作時，主軸高速旋轉(zhuǎn)，將前方的空氣吸入發(fā)動機并賦予一定的壓力，壓入燃燒室；燃料被噴入燃燒室，與高壓空氣混合并被點燃；爆燃的燃燒氣體一方面帶動渦輪，驅(qū)動主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，另一方面噴出形成推力?？梢?，高速轉(zhuǎn)動的主軸是渦輪噴氣發(fā)動機的一個重要部件；同時，這是一個連續(xù)的工作流程，不存在傳統(tǒng)內(nèi)燃機分沖程工作的間斷過程。為此，將噴氣式發(fā)動機主軸延長，使其帶動一個在外面的螺旋槳，是不是可以既能滿足低速工況下的大推力，又能滿足高速飛行時保持推力的情況呢？
全集完
