用高中物理知识解读舰载机起飞方式

徐超

(南京市雨花台中学 江苏 南京 210012)

我国首艘航母平台“辽宁号”已经正式入列， “辽宁号”长302 m，宽近70.5 m，吃水10.5 m，标准排水量约55 000 t,满载排水量约67 000 t.航母不仅是一艘巨大的船，是一个移动的机场，它更是一个科技含量极高的现代化作战平台，应用了诸多的学科知识.本文就用中学物理知识解读航母是如何巧妙地在有限空间让固定翼飞机起飞的.

在陆地上，飞机的起飞助跑一般需要3 000 m长的跑道，而航母的飞行甲板只有300 m长，如何让舰载机在这么短的跑道上起飞呢?这就需要飞机发动机具有很强的推动力，能在短时间、短距离内推动飞机达到起飞速度，所以,对于舰载机的起飞质量(包括武器装备和油等)有所限制,除此之外,还有很多巧妙的办法被应用.

图1 飞机起飞时机翼受力分析

从以上公式来看，减小起飞距离可以从增加加速度和改变相对速度两个方面采取措施，航母第一件事情就是利用自身的动力给飞机一个初速度30节即55.56 km/h，大概15 m/s，这个作用不容小视，根据相对运动的知识可知

(v-v0)2-0=2ax

经计算可以得到x=422.5 m，减小滑行的距离作用明显，然而这个距离依然超过最大航母的甲板长.下面的措施就只有减小离舰速度或者是增大加速度了，根据这个思路目前主流的方法一是滑跃式起飞，二是弹射起飞.

1 滑跃起飞

滑跃式航母甲板与普通飞行甲板的主要区别是，后者的跑道基本上是水平的，而前者分为平直段和上翘段两部分.为了减小因坡度加大而引起机体和起落架受力陡增，滑跃式甲板平直段与上翘段之间并非折线连接，而是倾角均匀过渡，采用与直线段相切的弧形曲线.

滑跃式航母甲板是如何做到减小加速距离的呢？原来舰载机在经过滑跃角后，因为甲板末端翘起，翘起的角度加大了机翼的攻角，造成升力大幅度提升，而且由于机身向上倾斜，因为机翼倾斜，阻力作用瞬间加大而将一部分动力变为上升力.这也是飞机襟翼的工作原理.平飞的话，这一部分上升力只能靠机翼后部的襟翼来提供，相同动力下由于阻力小，产生的上升力也小，所以,只有靠增加动力来增加上升力.另外,可以把飞机飞离航舰的刹那轨迹切线分解成水平及竖直向上的两个矢量，发动机推力会产生向上的分力，产生类似于推力矢量发动机的效果，虽然向上产生的分力并不大，但是可以使舰载机即使离舰也能保持约2 s的滞空时间，两者结合可以让战斗机的滑跑距离降低50%以上，而且推重比越大的飞机，距离减小的幅度越大，大量的计算和试验证明，斜坡甲板的上翘角为10～15°时，舰载机的滑跑距离最短.像“辽宁”号航母的滑行甲板末端上翘的角度约为14°，为飞机离舰提供额外的升力，我国最新装备的歼-15战机在滑跃起飞的航舰上只需100多米就行了，而这个长度对于“辽宁”号航母302 m长很容易办到.

所以说滑跃起飞是中小型航母舰载机的最佳选择，但它的缺点是对于预警机等推重比小的飞机不行，它们沿斜坡上升要克服重力做功，这样速度就会降低，抵消了提升升力的作用，离开预警机的引导和指挥,战斗机的作战能力大打折扣，于是有了另外一种方式.

2 弹射起飞

弹射起飞是指航母上的舰载机在弹射器的帮助下提高滑行速度，缩短起飞所需要的滑行距离的起飞方式，利用飞行甲板布置的弹射装置，在一定行程内对舰载机施加额外的推力.根据牛顿第二定律，推力增大也就提高了飞机的加速度.在其他条件不变的情况下，如果加速度提高到a=15 m/s2.根据

(v-v0)2-0=2ax

同样起飞条件,只要140 m的跑道，这对于航母来说太容易办到.

这一点很早就被工程师们看到.1911年,美国西奥多·埃利森海军上尉[1]最先研制成功世界上第一台弹射器，并于1912年11月12日实现了人类历史上的舰载机首次弹射起飞.二战之后，喷气式舰载机相继搭载上舰，起飞所需的甲板跑道越来越长，对跑道路面的要求也日渐提高，特别随着舰载机的起飞重量越来越大，弹射器也在随之不断地改进.现在预警机的重量有70 t以上，根据F=ma，需要的推力要达到1.05×106N，实际需要远大于此.因为弹射装置的重量也是很惊人的，移动过程中阻力也是非常大的，况且这个推力还要飞机一起加速移动.目前正在使用的是蒸汽弹射器，正在研究之中的是电磁弹射器.

蒸汽弹射器实际上是一种活塞行程较长的往复式蒸汽机[2].使用时，先由核动力航母上的反应堆蒸汽发生器产生高压蒸汽，并把这种高压蒸汽储存在储汽罐内.弹射前，用拖索将舰载机钩在往复车上，一旦将高压蒸汽充入汽缸筒，蒸汽的巨大压力推动活塞，活塞带动往复车和舰载机飞速向前滑动，从而将飞机加速弹射出去.

这是一个很好的办法，然而蒸汽弹射器仅自重就达500～600 t，再加上输汽管道等装置，其占据的总体积就达600 m3.蒸汽弹射器的机械磨损严重，尤其是金属密封条，舰载机每弹射一次都会与之摩擦一次，更换量非常大.此外，弹射舰载机还需要消耗大量的淡水.以美国尼米兹级航母为例，每弹射一架舰载机，就需耗费1 t淡水.理论与试验都表明,现役美国尼米兹级航母的蒸汽弹射器效率只有5%，如果采用电磁弹射器，则可将输出效率提高到60%.

电磁弹射器是一个最佳的解决方案.电磁弹射器的外部与蒸汽弹射器相同，将舰载机与往复车相连牵引飞机起飞，但内部与传统的蒸汽弹射器不同，电磁弹射器使用直线电动机进行弹射、制动，达到起飞速度后释放并使往复车复位.直线电动机是交流电动机的一个特例，把定子一线铺开，转子不再转动，而是沿着定子随电磁场的递进移动而拉动.直线电动机的基础原理就是利用电磁产生的安培力加速往复车并带动相连的飞机，这个原理很早就在电磁炮中利用，可是由于舰载机往往都是几十吨重，需要的能量要高得多，带来的困难也就成倍的增加.

由图2可知，F=2nBIL,只要增大n,B,I,L中任何一项都可以增加推力F，然而,这些不是简单加大就可以的，比如增加匝数就会使往复车的质量加大，增加电流就会使热量大增，就可能会使磁性消失，所以增加每一个量都有边界效应的问题，即使在允许的范围内也有另一个问题，就是在短短的几秒内消耗大量的电能.一个70 t的预警机，达到100 m/s的起飞速度至少需要能量

代入数据得

Ek=3.5×108J

而且必须3 s左右供给，耗能极快.

图2 根据直线电动机原理用于电磁弹射器

这些电能不可能由发电机现发，而是需要一个强储能装置，现在应用的储能装置是电容器，实验证明对于弹射器这种大家伙，目前的电容器也难当重任.另外一个就是当线圈在磁场中切割磁力线运动，就会产生电动势E=BLv，进而产生电流，而且这个电流的效果是阻碍往复车的运动，要想持续产生恒定的推力就必须使磁场向前运动，而且速度超过线圈的速度

E=nBL(v磁场-v线圈)

这时就有了向前的动力，而线圈是加速的，所以磁场也要不断加速，这是一个复杂的控制过程，据说目前只是设计出这样的控制器图纸，样机还没有真正制造出来.

舰载机起飞是一个复杂的技术，它的基本原理用高中物理可以解释，在实际操作过程中需要超高的技术和坚强的意志去克服重重困难，才能实现舰载机短距起飞的梦想.

参考文献

1 解永平.舰载机在航空母舰上是怎样起飞的? 物理教学,2012(8)

2 李杰.航母弹射器选哪个：蒸汽OR电磁?.科学大观园 , 2011(1)