TG要搞弹滑结合，相当有才...

摘要：弹射起飞技术难度大、能量消耗大，弹射系统质量体积大，而滑跃起飞又无法使推重比小的舰载机起飞，难以形成强大战斗力，针对这一问题，提出将弹射起飞和滑跃甲板结合起来的斜板／弹射综合起飞方式。针对这种起飞方式的特点进行了分析，并通过数值仿真，说明了这种起飞方式预期的性能收益以及存在的关键问题。

目前舰载机主要的起飞方式有弹射起飞和滑跃起飞两种。这两种起飞方式各有优缺点。弹射起飞能发射大质量的飞机，但技术门槛高；滑跃起飞相对容易实现，但飞机起飞质量受到很大限制。

斜板／弹射综合起飞方式是一种值得关注的新的舰载机起飞方式，它将上述两种起飞方式结合起来，目的是用尽可能小的弹射能量，发射更大质量的飞机。针对其特点，美国海军在马里兰海军航空试验中心对这种起飞方式进行了试验研究，同时也对多个机型进行了计算机模拟试验。美国的新型航母CVN21的一个方案中，航母上4部弹射器的3部前端设有滑跃甲板，使起飞的飞机从弹射、滑跃两种方式中获益。可见，即使具有弹射技术的强国，也希望能节约能源，从而降低航母运行成本。对不太发达的国家，这种组合起飞方式有可能降低弹射器技术门槛，因此，倍受广泛关注。此项技术有很多新问题值得研究，本文从飞行力学的角度分析起飞性能的收益和问题。

1斜弹射综合起飞方式特点..

1．1现有起飞方式的优缺点..

1．1．1蒸汽弹射起飞

蒸汽弹射器弹射能量大、加速性好，能够在几十米的距离内，把舰载机从静止加速到离舰速度。最大的优势是能发射大质量的飞机。弹射起飞也有许多缺点。首先，弹射器制造技术难度大。弹射器的储气罐是一种大尺寸的高压容器，要求韵弹射力越大，则承受得压力越高，因此对制罐材料、制造设备和焊接工艺等方面要求也越高。弹射器制造技术的难度与弹射器的功率有关系，小尺寸的高压容器很多国家可以制造，用来满足小功率弹射器绰绰有余。其次，弹射力越大，蒸汽弹射器耗能越高，增加航母舰队的运行成本。第三，弹射器质量体积大，占用空间大，影响武器装备的配置。弹射器的功率是影响弹射器质量体积的重要因素。

1．1．2滑跃起飞

滑跃起飞利用滑跃斜板来缩短飞机的起飞滑跑距离，在地面和军舰上均可以采用。滑跃斜板设计和制造起来也相对容易。滑跃起飞也有一些无法克服的弱点。对于推重比小的舰载机如大型预警飞机来说，滑跃起飞是无能无力的。另外，舰载机滑跃起飞时发动机一般需要开加力，油耗较大，减少舰载机的留空时间。并且舰载机滑跃起飞所用的时间相对较长，导致航母甲板的利用率较低以及影响机-舰战斗力。

1．2斜-弹射起飞的特点分析

斜板／弹射综合起飞方式是将弹射起飞和滑跃起飞方式结合起来，弹射器安装在平直甲板上，在弹射冲程末端设置滑跃斜板(见图1)，在弹射起飞的基础上，借助滑跃斜板的辅助作用来降低对弹射器功率的要求。弹射器在这种起飞方式中起主要作用，而滑跃斜板则起辅助作用，从而综合利用弹射和滑跃的优势。

图. 滑跃斜板的设置

弹射器和滑跃斜板的同时存在可以互相弥补各自的缺点。在平直段利用弹射器加速，可以使舰载机在滑跑过程中不必开加力，从而降低舰载机燃油消耗，增加留空时间。滑跃斜板的作用使飞机产生一定的轨迹角和俯仰角速度，降低离舰速度要求，从而使飞机弹射器能量减小，达到降.. 低耗能的效果。同时，这在一定程度上可以降低弹射器研制的难度，对弹射器的使用和维护也是有利的。

2斜-弹射综合起飞方式的性能收益分析

2．1概述
为了分析斜板／弹射综合起飞方式可能的性能收益和可能带来的问题，对某型舰载机的这种起飞方式进行数值仿真，并将仿真结果与弹射起飞方式的结果进行比较。在本节和下～节的算例中，弹射起飞的甲板长度和斜板／弹射综合起飞方式甲板的总长度(包括平直段和曲面段)相同，除图中注明的条件外，其他条件如发动机推力等都相同。另外，仿真中以舰载机离舰后飞行轨迹不出现下沉为安全起飞要求。

2．2弹射力

由于滑跃斜板的作用，舰载机在离舰时具有正的轨迹角和俯仰角速度，相对于单纯的弹射起飞，舰载机的离舰速度可以减小一些，从而弹射力可以减小。图2对比了斜板／弹射综合起飞方式和单纯弹射起飞离舰后的飞行轨迹。

图中实线为弹射起飞的飞行轨迹，其中弹射力峰值为1265000N。虚线为设有4度滑跃斜板的斜板／弹射综合起飞方式的飞行轨迹，弹射力峰值为753000N，比前者减小了40％。图中航母舰艏在横坐标为140m的地方。从图中可以看出，由于滑跃斜板的作用，舰载机离舰后初始阶段，斜板／弹射综合起飞方式的飞行轨迹比弹射起飞爬升得要快，后来轨迹角逐渐接近弹射起飞的飞行轨迹。此算例可以说明，斜板／弹射综合起飞方式可以有效地降低对弹射器弹射力的要求，从而达到减小能量消耗的目的。

图2弹射力的比较..

2．3起飞质量
图3是两组不同起飞质量下的斜板／弹射综合起飞方式与弹射起飞方式飞行轨迹的比较，其中起飞质量分别在弹射起飞方式起飞质量的基础上增加2 0％和3 0％，而滑跃斜板的倾角分别为4度和8度。3条曲线弹射器的弹射力都相同。从两条虚线表示的斜板／弹射综合起飞方式的飞行轨迹可以看出，离舰后的轨迹角要随着滑跃斜板倾角的增大而增大。同实线表示的弹射起飞方式的飞行轨迹相比，起飞质量增加的斜板／弹射综合起飞方式的飞行轨迹在离舰后一段时间后轨迹角要减小，但都可以成功起飞。


图3最大起飞质量的比较

更详细的仿真结果表明，在其他条件相同并保证离舰后飞行轨迹不下沉的前提下，采用8度倾角的滑跃斜板的斜板／弹射综合起飞方式可以比单纯弹射起飞的最大起飞质量提高2 0％以上。继续增加滑跃斜板倾角对最大起飞质量的增加作用并不明显，因为如果推力不变，滑跃斜板可以使舰载机在离舰后初始阶段快速爬升，但是由于飞行速度不够，飞行轨迹最终要下沉而不满足起飞安全要求。

3关键问题分析

3．1离舰后迎角
舰载机离舰后，速度还比较低，因此希望有较大的迎角以提高升力。由图4的迎角时间曲线仿真结果可以看出，在弹射冲程末端，由于前起落架突伸的作用，迎角迅速增大，但是当舰载机滑行到滑跃斜板上面以后，迎角增速变缓，致使离舰后迎角比弹射起飞的迎角曲线滞后1S左右，这对舰载机起飞是不利的。另一方面，随着滑跃斜板倾角的增大，离舰后的最大迎角也增大。当滑跃斜板倾角为9度时，离舰后最大迎角达到最大。进一步增大滑跃斜板倾角，离舰后最大迎角并不会继续增加，反而会有所减小。因此，在设计的时候应根据舰载机的情况，合理设计一个最优的倾角。


图4迎角曲线的比较..

3．2法向过载
经弹射器加速后的舰载机滑行至滑跃斜板上后，由于斜板曲率的存在，舰载机的法向过载将会增大。当舰载机质量和斜板曲率一定时，增加的过载将与舰载机相对于航母的速度的平方成正比。仿真曲线如图5所示。在没有滑跃斜板的弹射起飞方式下(如图中实线所示)，最大过载出现在弹射冲程末端，这是由于前起落架突伸作用造成的。在斜板／弹射综合起飞方式下，最大过载都出现在滑跃斜板段，并且其值随着滑跃斜板倾角的增大而增大。当滑跃斜板倾角为8度时，最大过载增加了约1／3。

图5过载曲线的比较

当舰载机在滑跃斜板上滑跑时，此增加的过载是通过增大的斜板支反力作用于舰载机上，因此，起落架的强度设计非常重要。另外，由于斜板上舰载机最大过载是随着斜板倾角的增大而增大的，所以，斜板倾角应不宜过大。

4结论

(1)斜板／弹射综合起飞方式通过滑跃斜板的作用有效地减少了弹射器所需做的功，从而减少起飞过程中的能量消耗，也降低了对弹射器功率的要求，这在一定程度减小了弹射起飞技术难度大、能耗高的缺点。同时，也可以根据要求适当减小弹射器的弹射冲程。

(2)在弹射力和弹射冲程一定的情况下，斜板／弹射综合起飞方式可以增加舰载机的最大起飞质量。8度倾角的滑跃斜板的斜板／弹射综合起飞方式可以比单纯弹射起飞的最大起飞质量提高20％以上。因此，这种起飞方式可以克服滑跃起飞对舰载机推重比的限制。

(3)斜板／弹射综合起飞方式中斜板的倾角不宜过大，太大的斜板倾角对最大起飞质量的增加作用并不明显，反而导致过载的增加。

(4)舰载机起落架设计十分重要。弹射器要求前起落架结构重新设计；斜板对舰载机支反力的增大，要求提高起落架的强度。


参考文献：

[1]海军装备部飞机办公室。中国航空工业发展研究中心．国外舰载机技术发展[M]．北京：航空工业出版社，

[2]陈传铮．航母的飞行甲板[J]．现代舰船

[3]远峰．弹射器的.. “秘密”[J]．舰载武器，
[4]曲东才，周胜明．舰载机起飞技术研究[J]．航空科学技术

[5]王维军，郭林亮。屈香菊．滑橇甲板助飞的力学机理分析.[J]．北京航空航天大学学报

[6]WanW J，Qux J，Guo L L．Multi-agent based hirerarchy sire—
ulation models of carrier—based aircraft catapult launch[J]
． Chinese Journal of Aeronautics，2008，(21)：223—231．
[7]Modeling of carrier～based aircraft ski jump
take—of based on tensor[J]．Chinese Journal of Aeronautics，
2005，(18)：326-335．
[8]王萌辉，赵波．舰载飞机起降多力学研究[J]．飞机设计

[9]郭林亮，王维军，屈香菊．一种预测陆基滑跃起飞性能的新
方法[J]．飞行力学

[10]郑本武．前起落架突伸对舰载机弹射起飞航迹的影响[J]．
南京航空航天大学学报
[11]姚念奎，王成波．舰载机斜板滑跃起飞情况地面载荷[J]．
飞机设计，

作者简介
孙友师(1978一)，男，辽宁大连人，硕士研究生，研究方向为飞行动力学与控制。

屈香菊(1956一)，女，河北赵县人，教授，博士生导师，研究方向为飞行动力学与控制，人机系统与飞行品质，航迹规划等。

摘要：弹射起飞技术难度大、能量消耗大，弹射系统质量体积大，而滑跃起飞又无法使推重比小的舰载机起飞，难以形成强大战斗力，针对这一问题，提出将弹射起飞和滑跃甲板结合起来的斜板／弹射综合起飞方式。针对这种起飞方式的特点进行了分析，并通过数值仿真，说明了这种起飞方式预期的性能收益以及存在的关键问题。

目前舰载机主要的起飞方式有弹射起飞和滑跃起飞两种。这两种起飞方式各有优缺点。弹射起飞能发射大质量的飞机，但技术门槛高；滑跃起飞相对容易实现，但飞机起飞质量受到很大限制。

斜板／弹射综合起飞方式是一种值得关注的新的舰载机起飞方式，它将上述两种起飞方式结合起来，目的是用尽可能小的弹射能量，发射更大质量的飞机。针对其特点，美国海军在马里兰海军航空试验中心对这种起飞方式进行了试验研究，同时也对多个机型进行了计算机模拟试验。美国的新型航母CVN21的一个方案中，航母上4部弹射器的3部前端设有滑跃甲板，使起飞的飞机从弹射、滑跃两种方式中获益。可见，即使具有弹射技术的强国，也希望能节约能源，从而降低航母运行成本。对不太发达的国家，这种组合起飞方式有可能降低弹射器技术门槛，因此，倍受广泛关注。此项技术有很多新问题值得研究，本文从飞行力学的角度分析起飞性能的收益和问题。

1斜弹射综合起飞方式特点..

1．1现有起飞方式的优缺点..

1．1．1蒸汽弹射起飞

蒸汽弹射器弹射能量大、加速性好，能够在几十米的距离内，把舰载机从静止加速到离舰速度。最大的优势是能发射大质量的飞机。弹射起飞也有许多缺点。首先，弹射器制造技术难度大。弹射器的储气罐是一种大尺寸的高压容器，要求韵弹射力越大，则承受得压力越高，因此对制罐材料、制造设备和焊接工艺等方面要求也越高。弹射器制造技术的难度与弹射器的功率有关系，小尺寸的高压容器很多国家可以制造，用来满足小功率弹射器绰绰有余。其次，弹射力越大，蒸汽弹射器耗能越高，增加航母舰队的运行成本。第三，弹射器质量体积大，占用空间大，影响武器装备的配置。弹射器的功率是影响弹射器质量体积的重要因素。

1．1．2滑跃起飞

滑跃起飞利用滑跃斜板来缩短飞机的起飞滑跑距离，在地面和军舰上均可以采用。滑跃斜板设计和制造起来也相对容易。滑跃起飞也有一些无法克服的弱点。对于推重比小的舰载机如大型预警飞机来说，滑跃起飞是无能无力的。另外，舰载机滑跃起飞时发动机一般需要开加力，油耗较大，减少舰载机的留空时间。并且舰载机滑跃起飞所用的时间相对较长，导致航母甲板的利用率较低以及影响机-舰战斗力。

1．2斜-弹射起飞的特点分析

斜板／弹射综合起飞方式是将弹射起飞和滑跃起飞方式结合起来，弹射器安装在平直甲板上，在弹射冲程末端设置滑跃斜板(见图1)，在弹射起飞的基础上，借助滑跃斜板的辅助作用来降低对弹射器功率的要求。弹射器在这种起飞方式中起主要作用，而滑跃斜板则起辅助作用，从而综合利用弹射和滑跃的优势。

图. 滑跃斜板的设置

弹射器和滑跃斜板的同时存在可以互相弥补各自的缺点。在平直段利用弹射器加速，可以使舰载机在滑跑过程中不必开加力，从而降低舰载机燃油消耗，增加留空时间。滑跃斜板的作用使飞机产生一定的轨迹角和俯仰角速度，降低离舰速度要求，从而使飞机弹射器能量减小，达到降.. 低耗能的效果。同时，这在一定程度上可以降低弹射器研制的难度，对弹射器的使用和维护也是有利的。

2斜-弹射综合起飞方式的性能收益分析

2．1概述
为了分析斜板／弹射综合起飞方式可能的性能收益和可能带来的问题，对某型舰载机的这种起飞方式进行数值仿真，并将仿真结果与弹射起飞方式的结果进行比较。在本节和下～节的算例中，弹射起飞的甲板长度和斜板／弹射综合起飞方式甲板的总长度(包括平直段和曲面段)相同，除图中注明的条件外，其他条件如发动机推力等都相同。另外，仿真中以舰载机离舰后飞行轨迹不出现下沉为安全起飞要求。

2．2弹射力

由于滑跃斜板的作用，舰载机在离舰时具有正的轨迹角和俯仰角速度，相对于单纯的弹射起飞，舰载机的离舰速度可以减小一些，从而弹射力可以减小。图2对比了斜板／弹射综合起飞方式和单纯弹射起飞离舰后的飞行轨迹。

图中实线为弹射起飞的飞行轨迹，其中弹射力峰值为1265000N。虚线为设有4度滑跃斜板的斜板／弹射综合起飞方式的飞行轨迹，弹射力峰值为753000N，比前者减小了40％。图中航母舰艏在横坐标为140m的地方。从图中可以看出，由于滑跃斜板的作用，舰载机离舰后初始阶段，斜板／弹射综合起飞方式的飞行轨迹比弹射起飞爬升得要快，后来轨迹角逐渐接近弹射起飞的飞行轨迹。此算例可以说明，斜板／弹射综合起飞方式可以有效地降低对弹射器弹射力的要求，从而达到减小能量消耗的目的。

图2弹射力的比较..

2．3起飞质量
图3是两组不同起飞质量下的斜板／弹射综合起飞方式与弹射起飞方式飞行轨迹的比较，其中起飞质量分别在弹射起飞方式起飞质量的基础上增加2 0％和3 0％，而滑跃斜板的倾角分别为4度和8度。3条曲线弹射器的弹射力都相同。从两条虚线表示的斜板／弹射综合起飞方式的飞行轨迹可以看出，离舰后的轨迹角要随着滑跃斜板倾角的增大而增大。同实线表示的弹射起飞方式的飞行轨迹相比，起飞质量增加的斜板／弹射综合起飞方式的飞行轨迹在离舰后一段时间后轨迹角要减小，但都可以成功起飞。


图3最大起飞质量的比较

更详细的仿真结果表明，在其他条件相同并保证离舰后飞行轨迹不下沉的前提下，采用8度倾角的滑跃斜板的斜板／弹射综合起飞方式可以比单纯弹射起飞的最大起飞质量提高2 0％以上。继续增加滑跃斜板倾角对最大起飞质量的增加作用并不明显，因为如果推力不变，滑跃斜板可以使舰载机在离舰后初始阶段快速爬升，但是由于飞行速度不够，飞行轨迹最终要下沉而不满足起飞安全要求。

3关键问题分析

3．1离舰后迎角
舰载机离舰后，速度还比较低，因此希望有较大的迎角以提高升力。由图4的迎角时间曲线仿真结果可以看出，在弹射冲程末端，由于前起落架突伸的作用，迎角迅速增大，但是当舰载机滑行到滑跃斜板上面以后，迎角增速变缓，致使离舰后迎角比弹射起飞的迎角曲线滞后1S左右，这对舰载机起飞是不利的。另一方面，随着滑跃斜板倾角的增大，离舰后的最大迎角也增大。当滑跃斜板倾角为9度时，离舰后最大迎角达到最大。进一步增大滑跃斜板倾角，离舰后最大迎角并不会继续增加，反而会有所减小。因此，在设计的时候应根据舰载机的情况，合理设计一个最优的倾角。


图4迎角曲线的比较..

3．2法向过载
经弹射器加速后的舰载机滑行至滑跃斜板上后，由于斜板曲率的存在，舰载机的法向过载将会增大。当舰载机质量和斜板曲率一定时，增加的过载将与舰载机相对于航母的速度的平方成正比。仿真曲线如图5所示。在没有滑跃斜板的弹射起飞方式下(如图中实线所示)，最大过载出现在弹射冲程末端，这是由于前起落架突伸作用造成的。在斜板／弹射综合起飞方式下，最大过载都出现在滑跃斜板段，并且其值随着滑跃斜板倾角的增大而增大。当滑跃斜板倾角为8度时，最大过载增加了约1／3。

图5过载曲线的比较

当舰载机在滑跃斜板上滑跑时，此增加的过载是通过增大的斜板支反力作用于舰载机上，因此，起落架的强度设计非常重要。另外，由于斜板上舰载机最大过载是随着斜板倾角的增大而增大的，所以，斜板倾角应不宜过大。

4结论

(1)斜板／弹射综合起飞方式通过滑跃斜板的作用有效地减少了弹射器所需做的功，从而减少起飞过程中的能量消耗，也降低了对弹射器功率的要求，这在一定程度减小了弹射起飞技术难度大、能耗高的缺点。同时，也可以根据要求适当减小弹射器的弹射冲程。

(2)在弹射力和弹射冲程一定的情况下，斜板／弹射综合起飞方式可以增加舰载机的最大起飞质量。8度倾角的滑跃斜板的斜板／弹射综合起飞方式可以比单纯弹射起飞的最大起飞质量提高20％以上。因此，这种起飞方式可以克服滑跃起飞对舰载机推重比的限制。

(3)斜板／弹射综合起飞方式中斜板的倾角不宜过大，太大的斜板倾角对最大起飞质量的增加作用并不明显，反而导致过载的增加。

(4)舰载机起落架设计十分重要。弹射器要求前起落架结构重新设计；斜板对舰载机支反力的增大，要求提高起落架的强度。


参考文献：

[1]海军装备部飞机办公室。中国航空工业发展研究中心．国外舰载机技术发展[M]．北京：航空工业出版社，

[2]陈传铮．航母的飞行甲板[J]．现代舰船

[3]远峰．弹射器的.. “秘密”[J]．舰载武器，
[4]曲东才，周胜明．舰载机起飞技术研究[J]．航空科学技术

[5]王维军，郭林亮。屈香菊．滑橇甲板助飞的力学机理分析.[J]．北京航空航天大学学报

[6]WanW J，Qux J，Guo L L．Multi-agent based hirerarchy sire—
ulation models of carrier—based aircraft catapult launch[J]
． Chinese Journal of Aeronautics，2008，(21)：223—231．
[7]Modeling of carrier～based aircraft ski jump
take—of based on tensor[J]．Chinese Journal of Aeronautics，
2005，(18)：326-335．
[8]王萌辉，赵波．舰载飞机起降多力学研究[J]．飞机设计

[9]郭林亮，王维军，屈香菊．一种预测陆基滑跃起飞性能的新
方法[J]．飞行力学

[10]郑本武．前起落架突伸对舰载机弹射起飞航迹的影响[J]．
南京航空航天大学学报
[11]姚念奎，王成波．舰载机斜板滑跃起飞情况地面载荷[J]．
飞机设计，

作者简介
孙友师(1978一)，男，辽宁大连人，硕士研究生，研究方向为飞行动力学与控制。

屈香菊(1956一)，女，河北赵县人，教授，博士生导师，研究方向为飞行动力学与控制，人机系统与飞行品质，航迹规划等。