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0 e' e' N5 ]( }9 H1 J1 P( a" t D网传的空警600图片
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最近网上开始流传空警600试飞的图片,据说这是与中国航母配套的舰载预警机。如果属实,这是美国E-2系列,之后的世界上第二种舰载预警机,如果不算早期的半试验性、半实用的预警机和苏联时代的夭折的设计的话。E-2A在1964年首飞,但E-2A和E-2B很短命,1971年首飞的E-2C才成为真正定型的舰载预警机,E-2D在2010年开始交付使用。除了E-2A到E-2B的外垂尾面积略有增加外,E-2系列的改进集中在电子设备和发动机,气动外形和尺寸基本不变。9 s8 h9 z. |# Z9 s2 a
$ ~0 g9 L8 T& {# N7 Q舰载预警机的重要性不言而喻,但舰载预警机在设计上充满挑战,在某种程度上,比舰载战斗机还要难设计。舰载预警机的起飞重量未必超过舰载战斗机。同样采用弹射起飞,E-2D的最大起飞重量为26吨,F-18E则达29.9吨。舰载预警机的航程也未必超过舰载战斗机,E-2D的航渡航程为2700公里,F-18E则达3300公里。不过舰载预警机的留空时间倒是更长,E-2D可达6小时,F-18E只有3-4小时。长航时决定了舰载预警机的设计特征。9 [ T. v& `5 h# I4 n: [
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E-2D的气动设计已成经典,并不是说这气动设计有多先进,而是因为围绕上舰要求,这已经最优化了8 N( |" U4 E: i1 g- P$ e4 y
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雅克-44随“乌里扬诺夫斯克”号的夭折而下马了,这比E-2D大一圈
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; r2 h( _4 _% @% _2 m7 {安-71的设计很是科幻,但最终还是因为不适合上舰需要而落选了
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同比例比较之下,E-2系列(这里是E-2C)显然小巧得多,小巧对于上舰很是重要6 K- E$ L- ?% H: d: S& B
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模型航母平台上的模型舰载预警机显然与E-2系列很相似$ t2 N! Q( d2 w& l$ {
4 e! ~' A! J& D _; v7 g长航时需要大展弦比的机翼,也就是像滑翔机那样的细长机翼。但太大的翼展对于航母使用很不友好,即使在停机时可以折叠,起飞、着舰的时候还是要展开的。E-2D的翼展为24.56米,雅克-44为25.7米,不是偶然的。翼展31米的U-2有过上舰记录,但那是清空甲板后才做到的。安-71的翼展达到31.9米,落选与此不无关系。
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# y6 X9 X( ]* K: V+ t' ~同时,舰载预警机的长度也不宜太大,长度决定舰上的占地,影响甲板上和机库里的停机数量。高度也受到限制,机库高度是一定的。E-2D的长度为17.6米,雅克-44为20.4米,安-71为31.9米。高度方面更离谱,E-2D为5.6米,雅克-44为7米,安-71竟然高达9.2米。作为参照,“尼米兹”级航母的机库高度为8米,俄罗斯夭折的“乌里扬诺夫斯克”号的机库不比“尼米兹”级更高。这样看来,安-71实在太大了,早早落选就不奇怪了。一直有说法,中国第一代舰载预警机将从运-7改装,运-7的翼展为38米,长度为34米,高度为11.2米,直接上舰显然是不行的,修改到E-2D的尺度的话,那就是彻底重新设计了。所以用运-7做陆基测试是可以的,从运-7改装上舰是不现实的。( l, c% M) u) g( Y; l
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运-7改装的JZY-01用作技术验证机是可以的,但直接上舰是不行的,太大了
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) Z. u6 T& ]) r难说这是不是精确测绘,但从这里也可以看到,JZY-01比空警600大一号
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舰载预警机的尺度限制严重影响了气动设计。由于长度受限,而雷达罩对垂尾的干扰太大,只能用四片垂尾增加方向稳定性,否则就要采用特殊手段,重建方向稳定性。当然,四垂尾相对于单垂尾和双垂尾来说,阻力和重量增加了,但其他特殊手段同样有代价,只是途径不同而已。垂尾不是用来转弯的。垂尾的作用与风向标相仿,用于在偏离风向(对飞机来说就是航向)的时候,由于不对称风压而自动重新对准风向。垂尾面积加上重心之后的机身侧面积要大于重心之前的机身侧面积,才能起到风向标的作用,战斗机有时用腹鳍,也是同样的道理。
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垂尾和风向标尾羽一样,是用来稳定航向(在风中指向风向)的,不是用来转弯的
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' ~# {) [# z) q1 C& l5 Y如果尾翼不能足够高大,也不能足够远离雷达罩的气动干扰,那就只有增加垂尾片数,才能达到足够的“尾羽”面积
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* o u0 {5 o+ K2 P+ l7 }0 O7 W8 @7 t由于机身较短,还要尽可能使得雷达罩避开垂尾,雷达罩的支架只有靠近机身中点。但这使得机翼无法向上折叠,只能向后折叠。这也对发动机的位置有所限制,现在流行的做法是发动机“悬吊”在机翼前方,位置越高越好,便于气流吹佛机翼(尤其是上表面),增加升力。但沉重的雷达本身已经接近重心位置了,发动机过于前置就要造成重心问题,所以发动机的位置也不能太“前悬”。
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E-2系列机翼是以这样的奇怪方式折叠的,向上折叠要与雷达罩冲突,只能向后折叠,结构上没有向上折叠那样坚固2 S+ _8 ^' G( B! H) y2 T
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所以E-2系列的气动外形和尺度是高度优化的结果,空警-600高度相似并不是照抄。两点之间最近的距离是直线,再优化、再原创也是同一个结果。一切“21世纪中国舰载预警机还在照抄60年前的美国设计”的说法只能说是无知。' F; z3 _# M1 Z' o' k
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4 a7 H5 ^4 H2 U9 l- a雅克-44的设计与E-2系列貌似近似,但实际上是不同的设计思路* ^" p- F' R9 _2 s( l
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对比之下,雅克-44与E-2系列貌合神离,实际上是不同的设计思路。由于苏联的“库兹涅佐夫”级航母是滑跃起飞,雅克-44需要能像苏-33一样,靠自己的动力就能滑跃起飞,因此采用两台“进步”D-27桨扇发动机,功率比E-2系列的艾利逊T-56要大1.5倍。
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O" A$ w, m# d6 I! w# u) V$ U涡桨在低速的时候扭力更大,推进效率更高,适合短距起飞,油耗较低,所以低速飞机大多采用涡桨,舰载预警机也不例外。但涡桨说到底是通过桨叶产生推力的,而桨叶的转速和直径是受到限制的。涡桨的桨叶叶尖线速度不能超过音速,否则激发的激波会像无形的钢刀一样,在反复扫过中对机体结构造成损坏。传统上要增加发动机的出力,只有增大螺旋桨直径,降低转速,但这需要更大的减速器,不光重量大,减速器的机械损耗也增加。对于舰载预警机来说,还有螺旋桨直径很难大幅度增加的大难题。增加桨叶数是另一个办法,但桨叶数增加到一定程度后,阻力急剧增加。这不难理解,桨叶数增加到一定程度后,就相当于一个实心的盘子了,阻力肯定大。桨叶数增加后,桨叶之间的机械平衡也越来越难,平衡不好的螺旋桨震动严重,这是不行的。双发变四发也是办法,但翼展更大,对上舰更不友好。/ x4 u2 u4 u& M3 `. Z$ N$ ?! t
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桨扇发动机大多具有大弯度、后掠叶尖的桨叶,很多还是同轴反转,但为了降低噪声,前后桨叶数不同,避免噪声特征互相加强。这是D-27,前桨7叶,后桨叶
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桨扇也有推进式和拉进式之分" O( ]9 Y# Z" X' L# S
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* K& n+ g6 f! M# R+ x4 a3 x安-70是唯一达到量产(但最后还是没有投产)的桨扇飞机7 \6 } z0 X& a% E6 H; c5 f/ B
% s5 ]7 w F; r c g" t桨扇是70年代才发展起来的新型涡轮发动机,在构型上与涡桨相似,但采用大弯度、带后掠的桨叶,以便提高转速,提高出力。螺旋桨的另一个问题是靠近圆心的地方几乎不产生推力,但阻力还是少不了,螺旋桨越大,浪费也越大。采用大弯度桨叶可以有所补偿,降低推力损失。后掠的叶尖则推迟激波的产生,容许螺旋桨有更高的转速。有的桨扇不仅叶尖带后掠,整个桨叶也采用更加复杂的弯刀形,可以进一步推迟激波的产生,但桨叶的设计和制造更加复杂。前后的同轴反转双桨可以“拧直”推进气流,降低涡流损失,进一步提高出力。 I# p2 U8 e' E* H" e' _
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采用全新的桨叶设计后,桨扇容许核心发动机的功率大大提高,桨叶转速增加,但核心发动机的冷却问题出来了。涡桨和桨扇都是靠桨叶做功的,只有最大限度地把喷流能量转化为机械驱动功率,才能提现桨扇的效率。但这样一来,核心发动机的出力大大提高,可流量小,温度高,冷却不足,故障率高。在某种程度上,桨扇可以看作无穷高涵道比的涡扇,但涡扇的外涵道与内涵道的整合紧密,外涵道的气流对内涵道壁是有效的冷却,桨扇的桨叶气流绕发动机壳体外流过,实际上对内涵道没有多少冷却作用。- w' e U" u6 y$ {3 [; }
0 R4 T6 Q4 b& ^! a0 ~3 H' z. AD-27就是这样的同轴反转双桨。安-70是首先采用D-27的,发动机可靠性一直是个问题,在2001年1月最后定型试飞的时候,四台发动机有两台在起飞中停车,飞机硬着陆,机上33人中4人受重伤。此后安-70计划再也没有恢复元气,俄乌交恶后,更是回生无望。* f" b2 Q" x7 Y5 O& _, x
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% f* g' P* E5 N! c# |安-70功亏一篑,本来就在拼最后一口气,抢在设计局资金和俄乌下马令的倒计时到点前投产,但在最后关头在试飞中失事,再也没有恢复元气2 N4 h+ y8 r7 A% B; u0 O* H3 S
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雅克-44要用D-27,可靠性这一关就难过。即使发动机可靠性最后解决了,大大超出巡航推力要求的发动机意味着重量和耗油率很不友好,影响留空时间。但不用D-27,则根本没有能提供那么大功率的涡桨发动机。图-95的NK-12涡桨功率更大一点,但太重了,几乎比D-27重一倍,没法用,螺旋桨的尺寸也太大,根本没法上舰。; d' w4 A0 ]* ~5 _2 K0 J1 v# Q
2 g% [+ j( D' X" l' {0 T雅克-44也为这样超大推力的发动机付出了代价。最大起飞重量40吨,比E-2系列高50%。作为参考,采用4台D-27的安-70的最大起飞重量高达145吨,雅克-44的“过度推力”可想而知。另一个代价是沉重的发动机使得重心靠前,雷达罩必须靠后一点,才能平衡。但这使得垂尾进一步推后,要增加机身长度。好处是机翼可以直接向上折叠,比E-2系列那样向后折叠更加简单、可靠。
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雅克-44的发动机不成比例地大。这是雷达罩降低的位置,对比前面图中雷达升高的位置7 f! e' E9 R4 d3 G$ H# `
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还要换成更大更重的NK-12就根本不可能上舰了
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" X2 `0 Z6 k0 ?1 ]& T由于起飞重量大,翼展又受到限制,只能用翼尖小翼增加等效翼展,而小翼又使得机翼的折叠比较别扭,要互相避让,这里能看到机身上方机翼折叠的情况
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- j$ n( y1 d: u雅克-44的办法是用雷达罩的高大的单片支撑结构本身兼作大型垂尾,补尝距离较近的双垂尾。雷达罩也大大高于垂尾顶端,否则雷达罩对气流的遮蔽作用使得垂尾效用进一步降低。这在气动上是很巧妙的设计,雷达罩的位置较高也改善视界。不过这样使得雷达罩太高,进出机库不便,所以雷达罩的单片支撑结构是可升降的,带来重量和可靠性问题。
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/ f- `( { t# T# f) q" K安-71则是完全不同的思路。与雅克-44是全新设计的不同,安-71是从安-72运输机改装而来的,发动机喷流吹拂机翼上表面,产生引射增升作用,有助于降低起飞、降落距离。雷达罩也别出心裁地安装在前倾的高大垂尾顶端,垂尾和雷达支撑结构共用,降低重量和阻力代价。不过这原来是作为前线航空兵的预警和指挥机设计的,上舰的话,短距起飞能力不足,翼展、长度和高度都太大,而最大起飞重量实际上只有32.1吨,比雅克-44还小1/3,意味着航程和留空时间大大弱于雅克-44。这对于前线航空兵不是太大的问题,但对于舰载预警机就要命了。
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安-72是很有特色的设计,但发动机喷流对机翼上表面的烧蚀也厉害,需要特殊处理,歼喷口后涂黑的区域,那是防热涂层" k0 k8 `/ M/ c- ?
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苏联解体后,安-72重新设计,发动机改到更加常规的翼下,成为安-148
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- B6 d! ~3 t D% H0 F# y. G9 C7 `要上舰的话,安-71需要完全重新设计,全面缩小,但保持大号的涡扇,以满足短距起飞的要求。事实上,这正是安东诺夫提出的安-75方案,而且把发动机改到翼下,像C-17一样采用喷气襟翼。苏联解体后,安东诺夫把安-72改进为安-148,最主要的气动变化就是发动机改到翼下。这是比上表面喷气增升更加直接可靠的增升方法。但设计变动太大,需要投资太大,考虑到雅克-44的方案成熟度更高,安-75下马了。. z8 Y. F1 e* p- N" G
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中国实际上是现在世界上量产预警机型号最多的国家,已有空警2000、空警200、空警500,现在加上空警600。这不是叠床架屋、重复建设。
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1 i* \) Y" Z+ X5 B/ K$ }中国已有空警-2000、空警-200、空警-500三种空军预警机
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! K* ], D6 {# ]% ~8 J$ Q, i空警2000是中国第一种 量产的预警机,在伊尔-76的基础上加装机背碟形雷达罩。三面固定的主动电扫雷达具有很高的数据率、抗干扰性能和可靠性,这是很大的成就,但也因为成本高、伊尔-76平台数量太少而产量受到限制。
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空警200采用运-8作为平台,雷达天线则为平衡木构型。这比空警2000的成本降低很多,条形的雷达罩对垂尾的影响也较小,只需要在平尾翼尖增加端板,就恢复了方向稳定性。但条形的天线阵只有两侧视界,需要另外的前向和后向雷达在至关重要的前后方向上补盲,这是令人遗憾的。/ \8 |0 i e L- G% y. \' P
" T/ r, e8 J7 [1 k空警500采用运-9作为平台,雷达天线恢复到空警2000的碟形,恢复了全向预警和指挥能力。运-9是运-8的深度发展型,主动电扫雷达和数据处理能力也更进步了,使得空警500具有接近空警2000的性能,同时具有接近空警200的成本。但对上舰来说,这依然太大太重,短距起飞能力不足。所以还需要有空警600。考虑到中国电子技术的飞速进步和从空警2000、空警200到空警500的使用经验,空警600的电子设备能力可能有更进一步的惊喜。; l+ b/ D$ Y- B
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# V% [* u- F% c6 g“辽宁”和“山东”现在依靠直-18预警机,希望空警600能从长起飞点滑跃起飞
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/ E( V% q2 C/ ?$ Y5 Y6 V& \中国缺乏D-27级别的发动机,从正常起飞位置出动,空警600可能难以实现安全的滑跃起飞,但可以从长滑跑位置起飞。这对甲板运作的干扰较大,但预警机不是高出动率机种,偶尔为之是可以接受的。据报道,美国海军试验过在165米滑跑距离(带滑跃甲板)上无弹射起飞E-2C,在25节甲板风的情况下,可以达到2.5米/秒爬升率,满足单发起飞标准,操控无明显负担。实际上,飞机在进入滑跃甲板时已经达到离地速度,12度斜角滑跃加强了飞机的升空趋势。据不同估计,“辽宁”、“山东”的长滑跑点的滑跑距离(带滑跃甲板)为195-210米,本舰航速都可达到30节以上,空警600的滑跃起飞是现实的。
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+ e' T) U" Y$ c! c* t" [$ p更加彻底的解决办法是为“辽宁”号和“山东”号加装电磁弹射。电磁弹射与滑跃甲板并不冲突,这一点与蒸汽弹射不一样。电磁弹射在原理上与磁悬浮相似,磁悬浮列车可以在弯曲轨道上运行,电磁弹射也可以在弯曲甲板上弹射。如果在设计和建造时预留空间,加装是可行的。“辽宁”和“山东”加装电磁弹射后,歼-15都能满载起飞,意义重大。( W: c, j7 R) Z6 `! l
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另一方面,在预警机之后,可以用同一个飞行平台发展反潜机、加油机、运输机等舰载特种飞机,打造完整的舰载空中力量。
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m" @! n8 b; X6 a4 W( h在信息化、网络化的未来战场上,预警机的作用越来越大。歼-15是中国海基空中力量从无到有的标志,空警-600则是中国海基空中力量从有到强的标志。
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