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航空史話“聽說這個世界有種鳥是沒有腳的”飛機的起落架(完)

放大字體  縮小字體 發布日期:2020-01-02  來源:來自互聯網  作者:來自互聯網  瀏覽次數:171
導讀

“前三點”式起落架在二戰和二戰前都是最主流的布局,但無論是“內八”、“外八”還是“縱向收放”式,都有幾個的共同缺陷:強壯的主起落架在前方,后部又實在太輕,飛機起降時一旦遇到障礙物極易“拿大頂”! 德國在…

續前

前文講了飛機從誕生到二戰大戰期間,起落架的演變。這期間流行的“后三點”式起落架和自然界的鳥兒們頗有些不一樣——鳥兒們的腳的位置普通偏身體的后方,而“后三點”飛機兩只粗壯的腳卻偏偏在前方!那有沒有和自然的鳥兒類似的起落架呢?當然有!那就是如今大行其道的“前三點”式起落架。

不自然的缺陷

“前三點”式起落架在二戰和二戰前都是最主流的布局,但無論是“內八”、“外八”還是“縱向收放”式,都有幾個的共同缺陷:強壯的主起落架在前方,后部又實在太輕,飛機起降時一旦遇到障礙物極易“拿大頂”!這方面最著名的例子就是中途島之戰的“意外禮物”——“零”式戰斗機了!古賀忠一駕駛的“零”式戰斗機在迫降時因為地面過于松軟拿了大頂,自己送了命不說,還賠上一架幾乎完好的“零”戰,一定程度上加速了日本的敗亡!

“零”戰的“后三點”拿大頂甚至影響了整個戰局

其次,“后三點”飛機著陸時必須三點同時觸地!此時飛機的迎角如果偏大,那么最脆弱的尾輪就要先觸地,而尾輪往往還是與活動的方向舵連接著,飛機會立刻失穩甚至很可能傾覆;迎角如果偏小,粗壯的主起落架先著地問題倒不是太大,但前方的螺旋槳就可能觸地,而且這樣更容易“拿大頂”!此時飛機的迎角小升力往往不夠,速度也很難降下來。

尾輪懸空的著陸只有高手能玩,注意槳尖快擦到地面了

此外,“后三點”飛機由于前起落架較長,起飛滑跑時飛機的機頭是高高抬起的,加上大馬力發動機往往又粗又長,飛行員的視線被“長得沒有邊際”的機頭擋住,完全無法看到前方!只好開著艙蓋從側面往前看,但另一側就完看不見了!以致于像P-47“雷電”戰斗機的地勤人員干脆在起飛時趴在機翼上給飛行員指方向,到達起飛點再從機翼上跳下來!

地勤真不容易!

設計師們不是不知道這個問題,但是機頭放置了發動機、螺旋槳以后,有些還要安裝槍炮,實在是沒有多余的地方了,尤其是收放式起落架還需要容納起落架及其操作機構的空間!高速飛機機頭的橫截面積稍大一點速度就會嚴重下降,而且還會影響發動機的散熱。但飛機速度的提升,使得降落的速度和難度也增加了,解決這個問題刻不容緩!一些較有遠見的設計師們開始嘗試新的起落架布局——“前三點”式起落架。

“三足金烏”

實用型飛機中P-38“閃電”式戰斗機較早采用“前三點”,這架飛機出自天才的凱利·約翰遜。他設計這架飛機時年僅26歲!這位天才也是不折不扣的鬼才——作品中充滿了離經叛道和奇思妙想:“雙三”的SR-71“黑鳥”偵察機、“2萬米的幽靈”U-2偵察機、拿菜刀當機翼的F-104“星”式戰斗機……而這架誕生在二戰的P-38“閃電”同樣也全身閃爍著不羈的光芒:奇特的雙尾撐布局、氣泡式座艙、“前三點“起落架……

“前三點”的“閃電”式戰斗機,不過也只能三點同時接地

“閃電”是架雙發動機的戰斗機,機頭的位置正好空出來,可以用來放置1門20毫米機炮、4挺12.7毫米機槍、還有傳統飛機的“尾輪”——但比尾輪結實得多,應該稱為前起落架了。而承受主要重量的主起落架生根在兩個“機身”尾撐中。

“前三點”起落架徹底解決了“后三點”愛拿大頂的毛病,滑跑時飛行員的前方視野良好,能準確地對準跑道了!還能在降落時讓粗壯的主起落架先接地——只要迎角不大到機尾擦地就行!另一種美國戰斗機,和P-38連號的P-39“眼鏡蛇”式戰斗機也采用了“前三點”。“眼鏡蛇”也是架不走尋常路的飛機,它的發動機在機身中部座艙后面,因此機頭可以空出來放置前起落架!

P-39“眼鏡蛇”戰斗機也是“前三點”式

德國在二戰期間的航空技術比較先進,自然也做了這方面的嘗試——梅塞施密特博士用來代替Me109的后續機型Me309,雖然是前置發動機的戰斗機,但仍然在機頭安放了前起落架。新飛機設計的初衷相當先進,除了前三點起落架外,還有視野良好的氣泡式座艙,油箱也加大了。但這個“前三點”相當不爭氣,初次試飛就出了故障收不回來,降落的時候穩定性還極差!而這時候戰事吃緊,梅塞施密特還要加緊改進主力的Me109,于是Me309一拖再拖之后不了了之!

模型:“前三點”的Me309還是很漂亮的

但中看不中用,“前三點”居然還拿了大頂,好在沒翻過去!

不知道是不是這次吃虧太大,Me163“彗星”式火箭戰斗機干脆就剁了腳!而到了革命性的雙發動機噴氣式Me262“風暴鳥”戰斗機時,盡管連先進的后掠翼都用上了,初期居然還是落伍的“后三點”!好在到量產時“風暴鳥”就改成了“前三點”。不過這時候德國已經極度缺乏有色金屬,導致幾乎完全無法供應高強度起落架所需的特種鋼材,先進的“風暴鳥”和日本飛機一樣因為起落架故障損失了不少!有色金屬的缺乏甚至使得后期德國坦克的裝甲質量都嚴重下降——總體戰時代軸心國在拼國力資源上完全不是盟軍的對手!

自此,“前三點”式起落架逐漸成為主流。不過,“后三點”式起落架結構簡單(與方向舵共用轉向機構)、重量相對比較輕(尾輪就比前起落架輕不少),現在仍然是一些輕型飛機的選擇。

多腳的鳥

從二戰后期開始,“前三點”起落架成為主流,還開始了一些拓展。比如被許多精日當成精神寄托的鴨式布局的“震電”式戰斗機,雖然還是螺旋槳動力,但由于是尾推式,所以機頭還是有空間來容納前起落架的,于是“順理成章”(其實是全盤學習德、意)安排了“前三點”起落架。但沒曾想還在地面滑跑時,后面巨大的螺旋槳就觸到地面!于是設計師只好在雙垂尾的底部又裝了兩個輪子用來保護螺旋槳,并限制飛機起降時迎角,結果形成了獨特的“五點式”布局!

“五點”式的“震電”戰斗機,后兩點平時不著地

噴氣時代來臨以后,由于發動機挪到了機尾,因此“前三點”成為了絕對主流。不過,變種也不少。拿凱利·約翰遜的另一款“神作”U-2偵察機來說,由于翼展實在太大,凱利·約翰遜干脆把主起落架砍掉了1個變成“自行車”式起落架!那怎么保翼尖不觸地呢?好在U-2降落速度低,地勤(又是我?!)人員會飛快跑過去往機翼上裝托翼輪!于是比較完美地解決了超大翼展飛機的起降問題。不過呢,這并不算凱利·約翰遜的創新——大翼展的滑翔機上這樣的起落架很常見。

U-2從滑翔機上學來的“自行車”式四點起落架

超大翼展的B-52“同溫層堡壘”轟炸機也采用了“自行車”式起落架——這飛機翼展大到在地面停放時機翼帶下反角,飛到天上就變成了上反角!如果沒有托翼輪在地面停著不動翼尖可能都會觸到地面!世界首架垂直起降的“鷂”式戰斗機雖然翼展不算大,但也采用了“自行車”式——垂直下噴的氣流溫度太高,起落架要盡可能離得遠些,而且垂直降落時四點著地的沖擊力相對較小,可靠性也比三點好!

沒有托翼輪B-52都不能好好站穩

還是想剁腳

即使是噴氣時代,設計師們還是不忘嘗試“剁掉鳥兒的腳”。這是因為一旦發生戰爭,機場肯定是重點打擊的對象。如果能垂直起降,戰機的生存力、出動率都會大大提高,當然也可以順便減輕起落架的重量。首先是被二戰中被英美轟炸了好幾年的德國人,設想了好幾種“尾座”式垂直起降戰機,Ba-349“蝮蛇”式火箭戰斗機甚至進行了試飛!這種飛機的起降方式象火箭一樣,靠發動機的推力直接升空,再轉向90度變成靠機翼升力飛行!這飛機出現太晚,而且首次試飛就要了試飛員的命!

這貨真的適合讓人去飛嗎?

戰后美國海軍接過德國人的衣缽繼續研究——航母上太需要這種技術了,洛克希德公司和康維爾公司都拿出了“尾座”式垂直起降戰機,起落架自然也都只有幾個小小輪子。但沒想到這條路是個“死胡同”,起飛時還好辦,降落呢?那時候自動控制技術還很初級,飛機降落全得靠飛行員控制,可“尾座”式飛機降落時飛行員完全看不到地面!即使通過其它措施能夠降落成功,這技術也絕非普通飛行員都能掌握的。于是和前一篇介紹的萌萌的“小鬼”戰斗機一樣,進行了幾次試驗后“尾座”式飛機就停止了發展。

XFY驗證機腳是輕了,飛行員的頸椎病也治好了!

后來采用“自行車式”起落架的“鷂”式戰斗機成功之后,從不缺腦洞的英國人又設想了一種“天鉤”系統,目的是把“鷂”式部署到最小3000噸的軍艦上!軍艦上裝一套“天鉤”,“鷂”式降落時懸停在軍艦一側,由“天鉤”抓住飛機,再吊回軍艦上!起飛嘛,可以垂起,也可以通過機身下簡單的支柱實現短距滑跑起飛!英國人還認真做了測試,結果據說很滿意,但此時“鷂”式已經不算一架先進的飛機了,因此“天鉤”也停止了發展。

“自行車”式的“鷂”正在做“天鉤”試驗

無人機的腳

首先在實戰中大規模使用的無人機要算“火蜂”偵察機了,它是只典型的“沒有腳”的鳥——起飛由母機從空中直接投放,完成偵察任務后回到回收區域,打開降落傘——注意!不是直接降到地上,而是在空中由飛行的回收飛機鉤住傘下的繩子拖進飛機!有一定難度的雜技表演啊!但這種方式成功的幾率還是比較高的,“火蜂”偵察機就一直采用這種方式。

C-130母機正投放“沒有腳”的“火蜂”無人機

但這種方式雖然沒有腳,但多了一頂傘!重量、空間沒省多少。淘金客做過無人機,固定翼的測繪用無人機也常常采用彈射起飛加傘降的方式,省掉起落架。但傘降要保證飛機的著地速度足夠小的話,傘還是相當大的,即使折疊以后也要占掉機身內一定的空間。這種著陸方式的可用性還很不好——林區、山地、水網密集的地帶、風大的時候都不能用,掛在樹上、掉在水里、被風吹很遠都是大麻煩!

無人機傘降其實很不好用

而輕小型無人機個頭普遍不大(大型無人機還是采用普遍飛機起落架的居多),“平方-立方”定律(可以簡單理解為機翼面積和整體重量之比)上占優,所以輕小型的無人機干脆連傘都不要了,直接機腹擦地降落,起飛直接用手拋!成了真正的“沒有腳的鳥”。美軍的“大烏鴉”,以色列的“云雀”都是這樣的代表。不過這樣的無人機不能太重——超過7公斤就很難扔得動啦!

小型無人機可以手投,直接擦地降落,剁腳!

英國人的腦洞“天鉤”系統也在無人機上復活了!無人機質量不大,因此不必像“鷂”式那樣等到空速幾乎為零時再用“天鉤”去抓。波音公司在“掃描鷹”無人機的機翼上裝了個鉤子,直接撞到“天鉤”垂下來的回收索上鉤掛住,就能回收了!“掃描鷹”因此徹底省掉了起落架!這套機構所需的操作空間很小,美國海軍直接用在軍艦上!民用無人機用起來還是太麻煩!

抓住“掃描鷹”的“天鉤”

近年來自動控制技術日趨成熟,芯片技術讓飛控系統也越來越小,無人機垂直起降技術發展很快,主要的目標是降低操作難度、也降低無人機起降時的空間要求(垂直起降不需要起降時有很好的進近航線和空間),也大大減小了對起落架的要求。 “多旋翼-固定翼復合”式、“矢量推力”式……甚至還有些又重新撿回過去的經驗——“尾座”式垂直起降!中航工業的TD200已經是航展上的常客了,美國也在試飛類似的型號!未來是無人機廣泛應用的時代,無人機上的起落架肯定會和載人飛機有很大的不同,讓我們拭目以待!

“尾座式”無人機對飛控技術要求很高

結語

淘金客說,縱觀起落架的發展史既說明了技術積累的重要性,也鼓勵設計人員要努力創新。尤其是象我們這樣過去技術積累不足的,更需要通過學習歷史來積累足夠的經驗,在未來發展又要能足夠地開放和創新,才能真正實現超越。

史海漫游,淘盡黃沙終得金

 
 
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