微观航母之舰载机拦阻钩

与一般印象不同，和拦阻索对应配套的拦阻钩（亦称“尾钩”）并不是舰载机的专属。事实上，不只舰载机有短距离着舰的需求，陆基飞机尤其是前线机场部署的战斗机有时候也有着较短距离着陆的硬性需求。所以在西方空军的部分战斗机上我们也可以看到拦阻钩。拦阻钩与地面的应急拦阻装置配合使用，就可在数百米距离内拦停飞机。这是飞机上的任何一种刹车装置都无法达到的制动效果。不过陆基飞机上的拦阻钩与航母舰载机的使用要求是不可同日而语的。这主要是源于海军舰载机与陆基空军的战机在降落方式及结构强度上的差异。应急拦阻装置为了适应空军战机结构强度较弱的特点，采用了长达数百米的拦阻索，其减小的加速度较小，一般不大于2个重力加速度，这对空军战机是非常理想的使用情况。陆基飞机的拦阻钩使用概率较低，而且降落时也不需航母舰载机在未能钩住拦阻索时的拉起复飞，因此一般钩索时的速度相对较低，对拦阻钩的设计要求也不如对舰载机的那般苛刻，设计上不需那般坚固。也因此，像F/A-18系列的陆基版的拦阻钩的质量为34千克，而作为舰载机的F/A-18E/F的拦阻钩质量为70千克。陆基飞机降落时可以有几百米甚至上千米的滑跑距离，但这样的条件在大海中的航母上是完全不存在的。像“尼米兹”级这最大的航空母舰，甲板的长度是300多米，在精打细算地分割为弹射起飞区、停机区和拦阻降落区后，能真正用于舰载机降落的甲板长度实际上仅有200米左右。为了能够在如此短的航母甲板上顺利降落并迅速停稳，具有一定航速且并不关闭发动机（准备拦阻失败时拉起复飞）的舰载机必须借助于着舰辅助设备及系统。其中的拦阻系统就是必备之一，对航母而微观航母之舰载机拦阻钩文/希弦◎拦阻钩并非舰载机的专利。不过对于“狂风”和F-15这类标准的陆基飞机而言，拦阻钩多少属于应急设备◎与陆基飞机相比，舰载机在大海中的一叶扁舟上降落难度陡增。进场时舰尾有复杂的“公鸡尾”气流扰动，加上引导的偏差，舰载机往往会以不同的速度、姿态降落。在这种情况下，拦阻索、飞机拦阻钩的载荷是否超过了其工作范围等因素都关系着能否着舰成功和飞行员的生命安全OrdnanceKnowledge72知识园地言主要是拦阻装置，对于舰载机就是拦阻钩。拦阻钩主要用于捕捉并钩住舰上拦阻装置的拦阻索，保证飞机在短距离内制动。拦阻钩作为舰载机必备的着舰拦阻系统，是舰载机的特殊关键部件之一，其性能的优劣对飞机的着舰安全性、可靠性和出勤率都有很大的影响。特别是随着舰载机的着舰质量和着舰速度的提高，对拦阻钩设计提出了更高要求。因此舰载机拦阻钩的设计和使用需要考虑诸多方面的因素，不仅涉及舰载机本身的结构强度、操作特性、飞行品质，及拦阻钩相对飞机机轮位置、与甲板初始接触的常见姿态等“内在”因素，而且还有航母平台方面的斜角甲板着舰区的设计、细节和突出物等，拦阻索的布置数量、跨度和高度以及在着舰引导中所推荐的理想下滑角、下滑道设置、基准迎角、钩眼距、进场着舰速度、航母的运动速度等“外因”。拦阻钩的特点是纵向过载大，其承受着2~3个重力加速度的飞机着舰冲击载荷及动能，将冲击载荷通过拦阻钩传递到飞机机体，并且保证在拦阻减速的过程中不能引起飞机过大的偏航和俯仰姿态改变。早期的拦阻钩多位于后起落架的前方纵梁上或直接设在后起落架上，这种设计结构可以让飞机强度较高的中部部分来承受拦阻钩带来的负荷。但由于拦阻钩过于靠近主起落架，在着舰飞机挂索后往往会产生较大的低头力矩，造成机头下沉、机头的螺旋桨触地受损。为解决舰载机钩索时的“机头下沉”问题，格鲁曼公司设计的舰载机上采用了机尾拦阻钩的设计，将拦阻钩安装在机尾内部，使用时向后伸出。这种设计延长了拦阻钩与主起落架机轮间的距离，大大降低了低头力矩。这种拦阻钩布置在机体尾部的设计最终在多型早期喷气式舰载机上应用。只不过机尾拦阻钩无论是伸缩式设计还是两节铰接的折叠式设计，都有着结构复杂、对机体结构强度要求更高、增加重量的问题，因此只是昙花一现。最终舰载机拦阻钩多布置在后机身腹部中央。让我们先粗略看一下舰载机的拦阻着舰过程。当舰载机着舰时，飞行员按下释放拦阻钩按钮，拦阻钩在很短时间内放下，并由纵向阻尼器压紧在舰面甲板上，使拦阻钩能很好地钩住拦阻索。钩住拦阻索的舰载机带着巨大的能量继续向前滑跑，拦阻索两端连着的滑轮缓冲器带动主液压缸的柱塞，将油液挤压进入蓄能器，使蓄能器内的空气被急剧压缩从而产生阻尼力。拦阻索被拉得越长，蓄能器内的空气压力就越大，产生的阻尼力也就越大，在规定的距离或是时间内耗散掉飞机的动能，从而使舰载机很快地在额定的距离内停下来。可见，舰载机在甲板上的顺利着舰主要取决于拦阻钩能否成功钩住横跨甲板的拦阻索。虽说理论上，舰载机在着舰过程中，拦阻钩更多的应是钩住甲板上弓形弹簧支起的第一道拦阻索，或者是拦阻钩接触到甲板时不会受到跑道的撞击而弹跳起，但这两种情况在实际中都是不可能这般理想存在的。对于前者，据美国海军统计，白天着舰的舰载机钩住第2、3道拦阻索的合计约占62%~64%，钩住第4道拦阻索的约为18%，钩到第1道拦阻索的约为16%。在夜间拦阻钩多挂住第3、4道拦阻索。当舰载机着舰时，从拦阻钩第一次接触舰面甲板到机轮触舰这段时间内，拦阻钩会因与甲板的剧烈撞击而反弹。所以为保证顺利着舰，这就要求拦阻钩的反弹跳起高度应该控制在很小的范围内，且在反弹后能迅速转向甲板回复原位，否则就将无法成功钩住拦阻索。另外，舰载机的拦阻着舰过程，又不单单是拦阻钩钩上拦阻索这么简单。如果舰载机未能良好的对中，就会造成着舰点不在阻拦索的中线上，使得舰载机的挂索位置偏差，造成两端阻拦索拉出速度和长度不一致。虽然阻拦系统具有一定的纠偏能力，但当偏差较大时，仍有可能造成拦阻钩和拦阻索的相对滑动，舰载机着舰轨迹出现偏差，严重的后果就是舰载机冲出斜角甲板着舰区，在拥挤的航母甲板上造成大麻烦。伸直状态向下缩回伸展◎F-7U的尾部拦阻钩，采用两节铰接的折叠式结构，这种精致的机械美背后是结构的复杂和增重，终成昙花一现的升级◎与陆基飞机不同，舰载机在着舰时，发动机是不关闭的，要保持一定速度，以备拦阻钩未能钩上拦阻索、着舰失败后的拉起复飞。也因此，舰载机拦阻钩的受力载荷更大，要求更坚固。图为F-35的A型空军型（左）与C型海军型的拦阻钩对比◎布里斯托“美洲豹”（BristolPanther）双翼机在英国皇家海军“百眼巨人”号航母上的着舰。特别的是，图中这一时期的“百眼巨人”号航母采用了纵向设置的拦阻装置。与这种纵缆系统相配合，飞机起落架的横梁下方安装了一排锚式挂钩，用于钩住纵向布置的缆绳来减速，同时还可防止飞机弹跳和偏转。这种纵缆系统在实际使用中效果并不佳，很快就不再使用兵器知识2015年3期73理想情况下，舰载机着陆时航母不动，则拦阻钩碰撞后的反弹仅在舰载机的中轴面内运动。但在实际中航母因风浪的缘故，甲板的横摇可达30°、纵摇和升沉也有4°的空间位移，这使得拦阻钩在与舰面甲板碰撞后的反弹趋势更加剧烈、相对舰面甲板的运动更为复杂，也往往使拦阻钩只在自身重力下不能顺利钩上拦阻索。所以舰载机拦阻钩的主要组成部分除了钩头、钩臂这两个基本的机械部件外，还要有纵向阻尼器（减震器），其作用就是限制拦阻钩的反弹。拦阻钩纵向阻尼器多采用液压、气压或液气式的，具有保持拦阻钩压下及防止上摆，将拦阻钩与甲板撞击后所引起的反弹降至最低高度的功能。除了上述拦阻钩的触舰反弹问题外，拦阻钩的长度、拦阻钩与机轮的间距也是决定拦阻钩能否顺利钩上拦阻索的关键性因素。拦阻钩的长度增加后相应地就增加了拦阻钩的拖曳角，拦阻钩触舰时的振动随之减小，但随之而来的就是布置上的收放和结构增重问题。特别是过长的拦阻钩会有舰载机仍在空中尚未触舰时就钩住了拦阻索的可能，增加了着舰危险性。而拦阻钩的长度过短以及与机轮的间距过小带来的问题就是：舰载机在着舰时主起落架先从拦阻索上碾过后，使拦阻索产生很大的变形，过短的拦阻钩还未等拦阻索完全复位就已从上面经过，从而未能成功钩住这道拦阻索。这样的问题就曾在F-35C上出现过。F-35作为空军、海军陆战队、海军的三军“通用型”四代机，在三军需求下细分成的A、B、C三个子型的同时，又要做到总体布局设计上尽可能的统一。自然，这就会使有些设计限于◎F/A-18着舰时对拦阻索的连拍组图，可见拦阻索被主轮压过后产生的变形，以及拦阻钩钩住拦阻索后拖拉着减速前行◎美国海军“蓝天使”飞行表演队上面那架倒飞的“大黄蜂”的拦阻钩之所以能竖起，就是因为拦阻钩的释放只依靠重力是不行的，还需要阻尼器的驱动来保持。下图是航母甲板上用锚链固定停放的“大黄蜂”，箭头所指处就是拦阻钩的阻尼器OrdnanceKnowledge74◎上图为F-35C拦阻钩的原方案，下图为新旧钩头设计对比图。红色部分为新钩头的设计，改为较尖锐的楔形结构，钩头的最低点修改到了拦阻索中心线以下（拦阻索未支起状态），更易于钩上拦阻索◎钩头在使用中会严重磨损，所以与钩臂的连接要便于拆卸更换。图为F-14的拦阻钩钩头特写◎上图为美国海军主要舰载机的拦阻钩与主起落架之间距离的对比。F-35C的距离是最短的，只有2.16米，而其它舰载机中，X-47B为3.1米、T-45教练机为4.45米、F-14D为6.7米、F/A-18E/F为5.55米。下图中F-35C的机尾下方的凸出部即为“尾钩舱”，它在一定程度上限制了拦阻钩的长度总体设计不得不有所妥协，其中F-35C的尾钩设计就是。为了兼顾短距/垂直起降型的F-35B，F-35系列的发动机安装位置尽量前移靠近了重心位置，从而降低垂直起降的控制难度。在这一总体设计下，发动机前移，尾喷口也前移，那么F-35C的拦阻钩的安装位置也不得不前移，随之带来的问题就是拦阻钩与主起落架之间的距离太近了。加之，F-35C为了兼顾隐身性能，拦阻钩必须能收纳到机尾的尾钩舱内，其长度上就受到了限制。这样，当着舰时的F-35C的主起落架机轮碾压过拦阻索后，拦阻钩随即就在极短时间内尾随而过，而此时拦阻索未能及时回复到绷紧状态，从而无法挂上拦阻钩。F-35C在2011年进行的8次拦阻试验全部失败无一成功，随后的初步调查结果显示的原因，除了有上述的拦阻钩与主起落架之间的距离过近，拦阻钩碰撞甲板后的反弹阻尼特性不佳外，另一因素就是拦阻钩的外形设计不易于“拾取”甲板上支起的拦阻索。拦阻钩的外形设计特别是钩头的设计，同样也要考虑诸多方面的因素。拦阻钩的设计首先是保证拦阻钩在钩住一道拦阻索后尽可能不再钩住第二道拦阻索，或者不会再受到第二道拦阻索的干扰。其次，是着舰时拦阻钩成功钩住拦阻索的不脱落与着舰成功滑行结束后的顺利脱卸这两方面性能的平衡兼顾。第三就是钩尖半径的选择这一细节。小的钩尖自然更容易钩起拦阻索，特别是主机轮碾压过的，但过小的钩尖就会划伤绳索。在钩头钩尖处又应尽可能大地加大圆角、去掉尖角来减小甲板的磨损。钩头的缆索槽一般要比拦阻索的直径大些，否则拦阻索比缆索槽大时，在5~8次拦阻后就将损坏拦阻钩的钩头。最后就是绕不开的重量控制。钩头和钩臂的重量都应尽可能小些，可使拦阻钩装置整体的重量减小，将减弱拦阻钩的触舰反弹现象，相应降低拦阻钩的阻尼减震器的工作载荷。还有，就是钩头与钩臂之间连接上的设计。由于钩头在使用中会严重磨损，需做不定期更换，因此要求拦阻钩的钩头是可拆卸的。钩头与钩臂之间虽是通过便于其更换卸掉的螺栓或销子来连接，但螺栓或销子只起到连接的作用，其目的只是在钩头磨损坏掉时应能很容易的卸掉。所以，钩头与钩臂的连接必须要有结构上的设计，才能承受拦阻钩工作时的大强度载荷。这也再次说明舰载机拦阻钩设计上的复杂性。[编辑/山水]知识园地兵器知识2015年3期75