美国F-35舰载机与舰船平台的适配性设计分析

王春晖

(海军装备部飞机办公室，北京 100083)

0 引 言

联合战斗攻击机（F-35）项目是美国空军（USAF）、美国海军（USN）和美国海军陆战队（USMC）的一项联合项目，同时还有英国的全面合作参与。该项目旨在开发和部署一系列高度通用且在经济上可负担的战斗攻击机，以满足美国空军、美国海军、美国海军陆战队、英国和美国盟友的不同作战需求，核心是通过提高通用性来降低成本——降低联合战斗攻击机机航空系统的研制成本、生产成本和全寿期使用成本。这一战斗攻击机系列由3种型号组成：常规起降（CTOL）型F-35A、短距起飞/垂直降落型F-35B和航母弹射起飞/阻拦着舰型F-35C。

对于美国海军，联合战斗攻击机的航母舰载型（F-35C）将满足对隐身多用途战斗攻击机的需求，以补充现役的F/A-18E/F“超级大黄蜂”。航母舰载型将能开展攻击性和防御性空对空和空对地任务，既可独立运行，也可与航母战斗群的其他装备协同作战。其设计与“尼米兹”级航母（CVN 68）兼容，同时与美国海军新一代“福特”级航母（CVN 78）项目紧密融合，以将武器系统之间的兼容性最大化。

美国海军陆战队短距起飞/垂直降落型（F-35B）将执行多样化行动，包括进攻性空中支援、防空作战、空中侦察、电子战、攻击支援护航等。其设计与“塔拉瓦”级（LHA 1）和“黄蜂”级（LHD 1）两栖攻击舰及“尼米兹”级航母兼容，同时与新型两栖攻击舰项目紧密配合。

英国需要一种隐身多用途飞机，能持续进行空中拦截、近空支援、攻击性和防御性制空、对敌防空压制、战斗搜救、侦察和反舰战任务。短距起飞/垂直降落型联合战斗攻击机（F-35B）将评估其与“无敌”级航母（CVS）的基本兼容性，同时也与英国未来航母（CVF）项目紧密配合。

1 F-35舰载机及其搭载舰船平台的基本配置

F-35项目主承包商洛克希德·马丁公司推出系列飞机F-35A，F-35B和F-35C三种型号，其结构高度通用。所有型号的外观设计基本相似，具有共同的结构几何形状，机翼完全相同，尾部形状大致相似。主起落架前有2个平行的弹仓，用于携带武器。机身的主要部分包含通用或紧密相关的部件。座舱罩、雷达、弹射系统、子系统和多数航空电子设备都是通用的。

航母舰载型F-35C的独有特征包括，机翼面积比另外2个型号大35%左右，尾翼面也更大，且机翼后缘上有副翼，其目的是改善着舰所需的低速性能和飞行品质。此外，起落架和其他主要结构部件得到增强，可承受舰上的起飞和回收。另外还装有弹射杆和尾钩，可进行弹射起飞和拦阻着舰。短距起飞/垂直降落型F-35B通过安装1个轴驱动升力风扇和1个三轴旋转式喷头，实现其垂直能力。

考虑搭载F-35舰载机的平台主要包括美国大型航母、两栖作战平台及英国的中小型航母，这些平台在尺寸、形状、容纳能力和任务方面差异很大。

表1 不同舰船平台的主要参数

2 F-35舰载机与其搭载舰船平台的舰机适配性

设计考量

对舰上环境、接口要求以及用户的海上作战概念予以充分考虑，是舰载机设计成功的关键。影响舰机适配性的因素非常多，以下讨论最直接影响F-35舰载机设计的舰机适配性设计驱动因素。

2.1 几何兼容性设计

几何兼容性可能是影响舰载飞机设计最直观的因素，即飞机的尺寸和形状必须合适，以适应舰船上有限的作业空间。

2.1.1 占位因子

占位因子是一种经验计算方法，可作为一项指标来评估舰船上停放给定数量飞机所需的飞行甲板或机库甲板空间。占位因子不仅与飞行器的净尺寸有关，还与飞机在甲板上的投影面积密切相关，此外还要考虑平台的形状是否容许在狭小的空间内布置多架飞机。海军空战中心飞机分部提供了一系列规则来计算飞机的占位因子，并以相对于F/A-18C“大黄蜂”的比率来表示。F-35舰载机的《作战需求文件》专为航母舰载型飞机的占位因子设定了一个阈值，即不能大于1.24。F-35舰载机的早期设计已表明，占位因子不会成为飞机尺寸和形状的限制因素。实际上，即使没有折叠机翼的能力，航母舰载型也有可能满足《作战需求文件》的占位因子阈值要求。

2.1.2 作业停放

占位因子只是量化飞机尺寸和形状的一种学术性的方法。实际的作业停放分析有助于飞机调运官确定如何最有效运行舰船上的飞机。效率通常采用出动架次率、飞机周转时间等度量标准进行量化。飞机起飞前、回收后和维护或维修时可停放的位置，将极大地影响这些度量标准。飞行甲板的布局是决定甲板效率的一个主要因素，与飞机本身的配置同样重要。

通过开展作业停放分析，发现折叠翼可使航母舰载型战斗机增加甲板调运灵活性，足以抵消增加折叠机制带来的额外重量、复杂性和成本等负面影响。航母舰载型战斗机的折叠翼展接近F/A-18C，这种相似性可使航母舰载机调运官在布置F-35舰载机时采用与当前F/A-18C大致相同的位置。

不同于航母舰载型，短距起飞/垂直降落型F-35舰载机没有占位因子要求。《作战需求文件》只提出了一项作业停放要求，即能将6架短距起飞/垂直降落型F-35B全部停放在两栖舰舰岛尾部，这样既不会对着舰区造成任何影响，在移动飞机时无需先移动其他飞机。按照这一要求，短距起飞/垂直降落型的翼展不能超过35英尺。

2.1.3 其他几何约束

除容纳飞机所需的飞行甲板空间外，还有若干约束会影响飞机的几何结构。飞机存放的机库，其净空高度有一定的限制。库内净高必须适合所有维护保障行动的开展，包括拆除和更换座舱罩及弹射座椅等任务。此外，与甲板升降机的兼容性可能会限制飞机的长度和/或宽度。要保障起飞和回收的安全，需要与所有甲板障碍物保持足够的间隙，这一标准通常决定了飞机的形状及其机翼挂架的位置。

2.1.4 几何约束的影响

F-35舰载机的设计考虑了上述几何限制。发动机和短距起飞/垂直降落升力机制限制了短距起飞/垂直降落型飞机的尺寸，航母舰载型飞机的基本尺寸与短距起飞/垂直降落型的相同，但在必要时允许差异，以满足不同兵种客户的独特需求。一般而言，这种尺寸的飞机在“尼米兹”级大型航母上的搭载较为容易，因为其与目前部署的飞机尺寸大致接近。短距起飞/垂直降落型设计搭载在两栖舰上，并且尺寸比美国原用的AV-8B飞机大很多，但也与现有空间兼容。但要将短距起飞/垂直降落型F-35舰载机部署在两栖舰和“无敌”级这样的小型航母上，飞机仍需要进行一些调整，确保尺寸能与所有约束兼容（如飞行甲板升降机）。

表2 同舰船平台机库甲板和飞机升降机的尺寸约束

2.2 结构设计考量

众所周知，舰载机舰上起飞和回收作业十分严格，造成机身上的着舰负载通常远超过陆上作业经历的负载，在有弹射器及拦阻装置提供协助的起飞和回收时更是如此。舰船配置对着舰负载的大小起着重要作用，这不仅与舰上安装的起飞和回收设备类型有关，还由于舰上布局会显著影响触舰的偏差。

2.2.1 飞机弹射起飞和阻拦回收

F-35舰载机的尺寸设计确保其可以利用目标舰上的起飞和回收设备。例如，航母舰载型飞机的设计可承受C-l 3 Mod 1和Mod 2弹射器施加的加速负载，以及Mk-7 Mod 3拦阻装置的减速负载。

2.2.2 滑跃甲板兼容性

由于英国是F-35的用户之一，短距起飞/垂直降落型飞机的设计考虑了与“无敌”级小型航母舰首上的12°短距滑跃甲板兼容。通过滑跃甲板辅助短距起飞的飞机将承受更大的垂向负载系数，这是由于飞机在经过曲线斜坡时会产生向心加速度。影响飞机起飞性能的主要是斜坡出口处倾角，而飞机负载与斜坡的曲率半径及飞机起落架的几何结构和动态特性有关。F-35设计时的结构分析表明，针对“无敌”级12°滑跃甲板上的短距起飞，预测的负载程度将低于高下沉率着舰等其他设计条件。因此，斜坡起飞不作为结构设计驱动因素。

2.2.3 着陆负载

针对设计足够承受着舰载荷的飞机结构尺寸，美国以着陆条件的概率性、多变量方法为依据。根据飞机结构指南，按飞行器类型（固定翼、旋翼、短距起飞/垂直降落）、作业场地（岸上基地、舰船、简易基地）及跑道条件进行分类，针对飞机类型和作业场地的每种组合，统计抽样确定了8个关键着陆参数分布：俯仰姿态、滚转姿态、滚转率、偏航姿态、偏心距离、进近速度、接合速度和下沉率。美国采用的安全设计标准是，飞机结构应能完全承受概率超过1/1000的所有着陆且无任何损坏。

这种设计方法是否成功，取决于用于生成概率分布的历史数据是否适用。飞机飞行品质、作业程序或舰船配置若发生变化，都会对这些分布产生重大影响。例如，如果降落区变窄，留给飞机横向偏离的空间就会变小，可能会造成滚转姿态和滚转率分布更高，又因着落在安全区所需的精确度提高，飞行任务的难度将会增加。

2.3 飞行品质和性能设计

舰上作业会有众多岸上没有的环境因素，其中许多因素都对飞机的必要性能及其相关飞机品质产生重大影响。

2.3.1 航母舰载型飞机的进近速度

为了安全着舰，飞机速度必须足够慢，以在拦阻装置能力范围内回收，同时不对舰船产生的甲板风提出过高要求。在获得这种缓慢进近速度的能力时，决不能牺牲飞行品质。飞机还必须具有良好的复飞和逃逸特性，能在进近中止和尾钩未勾上拦阻索时再次复飞或逃逸。这些要求促使航母舰载型飞机增配了副翼，并且机翼和尾翼面比另外2种型号的都要大。

2.3.2 航母舰载型的复飞和逃逸性能

复飞代表进近中止，发生在飞行甲板无法及时准备好迎接着舰的飞机或条件不允许继续进近时。复飞性能是否合格，取决于飞机从命令复飞直至建立正上升率时失去的高度值。复飞性能是陆基飞机的一个必需考虑因素，对航母舰载机作业来说更是一个关键因素，这是因为回收周期的快节奏会让复飞更加频繁。在确定飞机发动机的理想推力响应特征时，对良好复飞性能的需求是主要因素。

逃逸是飞机已经触舰，但因降落在着舰区外或降落时尾钩未挂上阻拦索，飞机只能继续飞离。实质上，逃逸是一种意外情况下的触舰复飞。逃逸性能的衡量指标是飞机在飞行甲板边缘滚转时经历的沉降量。和复飞时一样，因发动机必须快速增加到起飞功率，所以推力响应也是逃逸性能的一个关键因素。逃逸性能是确定航母舰载型飞机尾面尺寸的关键因素。这个例子也说明舰船几何结构（特别是着舰区域长度）会直接影响飞机的设计。

2.3.3 短距起飞/垂直降落型飞机的控制模式

垂直着舰与垂直着陆没有太大的不同。舰船运动、气流湍流等因素会影响飞行员的操作难度和触舰点的分散特性，但最显著的差异是舰船在水面平移的影响。显然，垂直着陆时，飞机不会有相对地面的平移运动。而在海上垂直着舰时，需要飞机匹配舰船的速度，而这种速度通常不为零。能轻松控制飞机与移动中舰船平台相互靠近，这一要求也影响了短距起飞/垂直降落飞行状态中所采用的控制规则的设计。

2.4 起落架几何结构

舰上环境对飞机起落架的几何结构有很大的影响，其中许多因素对起落架位置提出互相矛盾的要求。例如，要保证甲板调运期间的稳定性，起落架的触地面积最好较大，以防有后翻或滚翻倾向。但同时如果起落架触地面积较大，将使甲板调运复杂化，并且机头和主起落架之间的间隔增加，在飞机起飞和逃逸时就需要更多的俯仰控制力来旋转飞机。起落架高度也会受舰船部署问题的影响。起落架越矮，对后翻和滚翻稳定性及维护人员可接近性来说就越理想；起落架越高，越有助于清除甲板障碍和规避地面撞击。联合战斗攻击机的设计需要在两个矛盾因素之间取得最佳平衡。

3 结 语

本文从几何设计、结构设计、飞行品质等几个角度，分析了美联合战斗攻击机与其要搭载的舰船平台间的舰机适配性设计考量因素和设计方法。舰机适配性是实现飞机上舰和保障安全使用、实现舰载机高效出动回收和强大战斗力的关键，其设计是一个在各种限制和矛盾中不断权衡取舍、并实现最优化配置的过程。美国海军在这方面拥有悠久的历史和丰富的经验，值得我们学习和借鉴。