舰载直升机垂直补给能力提升关键问题分析

李晓华,王 海,杨 林,刘 康

(1.海军研究院,上海 200436;2.92074部队,浙江 宁波 315000)

0 引言

美航母编队平均每年在海上活动时间长达6个月以上,航母编队的后勤保障工作有一半以上是在海上进行的。航母战斗群典型补给周期为4天左右,加之后勤保障条件苛刻,困难较大,所以海上已成为保障的主要方向。美海军坚持以在作战海区为航母编队提供可靠的物资资源作为海上保障的重点。美海军航母编队的海上补给模式及补给船编成就是建立在这个基点上的。海上补给不仅能有效扩大舰艇的作战半径,延长执行任务时间,还能持续保持战斗力。海上补给使舰艇不必为取得自身补给而往返于作战海区和补给基地之间,避免了沿途遭受攻击或削弱一线战斗力量的风险。因此,海上补给是现代化海军必不可少的海上后勤保障手段。发达国家海军都非常重视海上补给能力的发展与提升。海上补给主要包括航行纵向补给、航行横向补给、靠帮补给和航行垂直补给等方式[1]。

垂直补给是指通过舰载直升机在补给舰和接收舰之间传送货物等。垂直补给被各国认作最为迅捷而有效的海上补给方式,是一种重要的海上补给方式。该方式可以同时为多艘舰艇提供补给;既可以远距离的海上补给,又不存在补给船与受补给舰之间的复杂点位问题;补给速度快,机动性强;既适用于舰艇航行状态,也适用于舰艇锚泊状态。因此,垂直补给在各国海军广泛应用[2]。

1959年,美国海军首次利用直升机成功实现应急物资的运送。美国现役补给舰均搭载运输直升机,而且大中型作战舰艇所载直升机在必要时也可进行垂直补给。美国海军的垂补数量占到海上干货补给总量的30%以上。尽管垂直补给费用昂贵,但由于占据时空优势,现已成为海上补给的主要手段[1]。

本文基于国外舰载直升机垂直补给发展现状,从不同方面探讨制约垂直补给能力的原因,针对问题提出可行性意见和建议,以期为海上补给能力的发展与提升起到牵引和支撑作用。

1 国外垂直补给发展现状

舰载直升机机动灵活,运输效率高,补给设备简单,人力需求少,能够在较高海况下工作。垂直补给是一种立体补给方式,通过舰载直升机在补给舰和接收舰之间运载物资,是最快速有效的补给方式。

垂直补给按作业方式不同,可以分为绞车吊挂补给、钢缆吊挂补给和连杆吊挂补给等。

1)绞车吊挂补给,吊挂点一般在机身侧边,受飞行安全及绞车性能约束,吊挂重量远小于直升机外吊挂最大载荷。

2)钢缆吊挂补给,吊挂点一般在机腹,通常在旋翼轴下方。该方式能够充分发挥直升机外吊挂性能,但是每次补给作业,直升机需起降,相关补给系统复杂,准备时间长、作业繁琐。

3)连杆吊挂补给是现在欧美海军垂直补给的主要方式。该方式完美解决了钢缆吊挂补给的缺陷。吊挂连接杆与货物相连,补给作业时将吊挂连接杆挂到直升机机腹下的货物挂钩上。直升机不需要频繁起降,简单快捷高效。

舰载直升机一般搭载于补给舰,对接收舰进行补给作业。如美国“萨克拉门托”级快速战斗资源舰搭载了3架“海骑士”直升机,“刘易斯和克拉克”级弹药干货补给船搭载了2架MH-60R“骑士鹰”直升机;俄罗斯“别烈津河”级综合补给舰搭载了2架“卡-25C”直升机;英国“格兰杰堡”级补给船搭载了4架“海王”直升机;法国“迪朗斯河”级综合补给舰搭载了1架“山猫”多用途直升机;日本“摩周”级补给舰搭载了2架“CH-53E”直升机。舰载直升机垂直补给作业如图1所示。垂直补给能力主要取决于舰载直升机的性能。各舰载直升机性能参数如表1所示。

表1 补给舰搭载的直升机性能对比[3]

图1 舰载直升机实施垂直补给

舰载直升机垂直补给作为一种高效快捷的补给方式,利用直升机吊挂投放系统吊挂运输货物,不受地理环境、交通、海况、货物体积形状等限制,具有其他补给方式无法比拟的优势。以美国和俄罗斯为首的军事强国的舰载直升机垂直补给应用及其配套的外吊挂设备、管理体系和标准都非常成熟。

20世纪50年代,直升机开始应用吊挂投放系统。早期的吊挂投放系统技术落后,结构比较简单,较为笨重。1959年,美国首次运用直升机吊挂投放系统进行垂直补给。

美国的直升机吊挂投放系统的主吊点绝大部分采用在机腹舱口安装货物挂钩,也有极小部分设置在主减速箱支架下方。目前,垂直补给直升机已经涵盖了轻、中、重系列的直升机,相关吊挂投放系统最大外挂载荷16,300 kg。CH-53等重型直升机的吊挂投放系统设计有3个吊挂点:前后货物挂钩装置安装于前后舱口的地板舱口内;主货物挂钩安装于主舱口的地板舱口内。垂直方向载荷通过一定的传力机构传递给主减速箱支架俄罗斯的直升机大多是在吊挂舱口的地板上安装支架,在支架上安装吊挂投放系统。吊挂投放主要采用中大型以上直升机。其中,米-26直升机的吊挂投放系统最大吊挂载荷达到了20,000 kg。大的直升机吊挂投放系统,只有一个主吊点,通过支架安装于主舱口上方。

美国和俄罗斯的直升机吊挂系统最大的区别在于:以美国为代表的北约国家的直升机吊挂投放系统配备的吊索几乎全部为高强度纤维吊索,具有重量轻,易收纳,使用方便,耐腐蚀能力强等特点;俄罗斯的直升机吊挂投放系统配备的吊索全部为金属吊索,重量重,收纳困难,如米-26配备的吊索达到了470 kg,并配备了专用的电动绞车辅助吊索的连接。

美国在直升机垂直补给方面的研究已经实现了系列化和标准化[4-5],对外吊挂系统的吊索、吊网、吊链、吊挂连接设备全部制定了专用标准,垂直补给形成了标准作业流程。目前,美军已经完成了31类500多个吊挂运输方案,针对不同直升机、不同货物、不同补给和受给舰艇等,均制定了详细的运输方案。尽管是在严格的标准和管理条件下,美军仍认为“由于货物挂钩故障、吊索断裂、操作失误等原因导致的直升机吊挂运输事故经常发生”。可见垂直补给作业相对于其他运输作业,仍然是高风险科目。

2 提升垂直补给能力的关键因素

垂直补给可以扩大和增强平行补给能力,也可以给补给计划,尤其是航行补给作业时间、地点增加灵活性和适当的活动余地。垂直补给具有以下独特优势:

1)缩短受援兵力(或作战舰艇)补给所需时间;

2)缩短或免去舰艇脱离阵位时间;

3)减少参加补给作业人员;

4)能够对分散队形的舰艇进行补给;

5)能够对因执行任务而不能前来并行补给的舰艇进行补给;

6)在恶劣天气时,能够对并行会有危险或不能并行的舰艇进行补给;

7)能够对位于浅水区或驻泊的舰艇进行补给;

8)垂直补给的运送量通常不及主力舰艇航渡补给,但可以节约时间,省去平行补给运输所需的接近、挂接和脱离时间。

舰载直升机垂直补给作业通常需要补给作业任务规划系统、直升机吊挂运输系统和舰艇搬运系统等配合完成。垂直补给作业前,舰艇和直升机有关各方应熟知对方信息,确保舰机之间相互满足要求。直升机详尽了解接收舰的着舰区、保障设施、甲板标志、垂直补给操作区、障碍物方位和其他影响直升机着舰环境的物理性细节;舰艇详尽了解前来补给的直升机的情况,包括旋翼直径、总重量、机身长度、起落架规格说明以及相应的维护要求等。根据货物的尺寸、形状和重量,运输人员的数量和状态,飞行甲板稳定性,任务紧急程度等因素可续合理地确定垂直补给形式[6]。

2.1 任务规划

通过任务规划系统,可以科学合理地规划直升机、补给舰和受给舰的工作内容。任务规划系统获取被补给舰的内部仓室位置、装仓路线和存储位置,被补给货物仓室位置、装仓路线和存储位置等,根据任务情况,规划直升机补给方案[5, 7-10]。

任务规划过程中,需考虑以下内容:

1)舰载直升机运载能力。直升机运载能力包括舱内装载能力和外吊挂能力,与直升机最大起飞重量直接相关。

2)垂直补给相对风向。受舰船上层建筑产生的紊流影响,直升机垂直补给作业时,应该逆风起飞、进场和悬停,相对风速和夹角均不宜过大。

3)垂直补给货物的尺寸、形状和重量。货物的尺寸、形状和重量决定了货物的运输方式以及所需卡钩的数量等。紧凑的载荷可以在舱内运输或外挂运输,而超大货物必须采用外吊挂运输。由于外吊挂载荷气动特性的影响,直升机空速会受到限制。

4)飞行距离和气象条件。直升机性能受温度、空气密度、飞行高度和相对风速等因素影响。随着温度的增加或大气压力的降低,直升机最大升力减小,这是由于发动机性能和桨叶的空气动力性能下降所致。因此,高气压的寒冷、干燥的天气和强而稳定的相对风速对垂直补给作业有利。

5)舰艇的就位样式。一般来说,长距离(对重的、高比重货物超过60 km,对轻的低比重货物超过45 km)的携带外挂,不应该视为一种标准的垂直补给程序,而应该看作是一种对要求紧急优先运输的货物贮备的能力。

6)舰船之间相互影响。倘若补给舰和受给舰的舷侧还有另一艘舰艇,则进行垂直补给的困难增大:直升机投放/提吊作业区上空会有扰动的气流和热的燃气排烟;投放/起吊作业区的风受阻塞;这艘舰艇可能成为飞行航线上的障碍物,迫使直升机采用顺风进场/起飞,而带外挂进行顺风进场和起飞特别危险,应尽量避免。除非作业必要,带外挂的直升机务必不要在舰艇顶空飞越。

7)直升机驾驶员的工作时间。白天进行垂直补给作业,驾驶员的耐力极限为6～8小时,夜间垂直补给作业则为2～3小时。影响驾驶员耐力的因素还有:甲板纵横摇,天气条件,机组人员的经验/体力条件,连续工作时间,夜间作业和低的能见度。

8)直升机架数需求。这取决于补给和受给舰艇的舰型和数量,舰艇之间的距离,可调用直升机的数量,受给舰艇投放区的受货能力,补给舰艇的最大供货速度,直升机机组人员的技术/训练水平。

9)内部装载通常要比外挂货物更耗时间,因此一般应该避免内部装货运输,除非运输的距离很远而又能为卸货提供着舰场地。

2.2 垂直补给设备

垂直补给作业设备通常包括托板、集装箱、吊网、可调吊索、提升吊索、货物挂钩、连杆等。

不同装载能力的部件或不同类型的吊挂组件不可互换。不同装载能力或吊挂类型的部件混合使用可能导致不可预计的吊挂特性或吊挂组件故障。

2.3 垂直补给作业流程

垂直补给作业流程包括补给货物准备,货物起吊,飞行和卸载等。

1)垂直补给货物准备。货物准备的目的是保证飞行中的安全和到达目的地无损坏。外挂货物在运输期间可能经历强风,应做好准备。做好垂直补给货物重量标识。采取使货物高效运输的货物组合:每个货物组合前,标记重量和直升机机组及货物接收人员所需的其他信息;组合货物时,各货物应当具有近似或一致的尺寸和重量,以减小吊起或运输过程中翻转的可能性。货物高度必须使起吊人员在不爬到货物顶部的情况下就可完成吊索连接。避免运输轻的货物,小于70 kg间货物易产生不稳定性。

2)垂直补给的起吊。直升机进场,到达舰船外侧悬停位置,然后进入着舰区域或起吊区域;在货物上方稳定悬停,挂钩人员进入位置将货物与直升机相连;当货物挂上,挂钩人员撤离后,直升机机组人员发出指令吊起货物,飞离舰船。

2.4 夜间垂直补给

昼间和夜间垂直补给流程相同,但夜间飞行需更加小心,要求的精度更高。夜间货物运输速度通常慢于昼间操作。舰船保持航向,烟囱排放的气体偏离垂直补给区域。进场时飞行员要避免穿过烟囱气流飞行,因为烟囱排放的气体会降低能见度,并可导致空间定向障碍。

2.5 垂直补给其他影响因素

1)避免轻/不规则形状的外部载荷。这可能产生不可预测的摆动、振荡等。如果出现过大的载荷振荡,必须立即降低空速,以防失控或对直升机施加过大的载荷。在拾取或交付期间,必须极其小心地处理此类负荷,避免对直升机造成损坏或对降落区附近的设施、设备或人员造成损坏/伤害。若对直升机性能产生严重不利影响或威胁到直升机,不稳定载荷可能在前飞中丢弃。

2)无线电高度正常工作受影响。在悬停和低速飞行时,外部载荷影响可能导致无线电高度表指示不稳定和不可靠。

3)格外注意具有空气动力学特性的外部载荷。这些载荷的气动升力可能会放大任何载荷,并导致载荷传递到直升机上。在水平飞行时,低密度大体积货物可以通过平滑地控制运动来防止直升机振荡。

4)防止负载意外释放。应特别小心,以确保负载不会因意外而释放。

经验表明,对于任何类型的外部货物载荷,都有一个最适合它的空速。对于有外部载荷的飞行,没有一条固定的规则,重量、尺寸和形状的组合都会对飞行期间的载荷作用有直接影响。

3 垂直补给能力建设

舰载直升机具有定点悬停、机动灵活、快速高效等独特优势,是进行垂直补给的最好手段。垂直补给能力建设的重点有以下几个方面:

1)卓越的舰载直升机平台能力

舰载直升机执行垂直补给作业时,悬停、小速度飞行在整个飞行谱中占有较大时间比例。直升机在飞行甲板保持相对悬停状态,操作员将货物通过连接杆手动连接到直升机吊挂系统。直升机的悬停性能直接影响其任务执行能力,因此要求直升机具备较高的悬停精度和良好的飞行控制能力。为能在极端的环境和设计总重条件下仍具有良好的任务执行能力与安全性,舰载直升机还需要具有足够的功率裕度和较低的空重比。

2)科学合理的任务规划系统

使用多架直升机同时对多艘舰艇进行多种物质补给,要有科学合理的任务规划,有效避免“舰等机、机等舰、机机冲突”等问题,保证直升机能够安全高效地进行垂直补给。

3)完善的垂直补给配套设施设备

不同货物的垂直补给作业需用的设备各不相同,例如散装物品使用托板、吊网等,大型标准件采用集装箱。相关设施设备还有可调吊索、提升吊索、货物挂钩、连杆,以及舰船上搬运用的叉车、转运车、搬运机器人等。因此,需要有完善的配套设施设备,才能保证各种物资的正常补给作业。

4)健全的标准规范体系

随着技术的发展,补给舰、受给舰和直升机的能力和要求不断提高,垂直补给方式也在不断升级更新。舰载直升机垂直补给作业流程、配套设施设备、作业方式等也需要与时俱进。因此,需建立健全标准规范体系,朝标准化、系列化、通用化方向发展。

5)扎实的作业训练

再好的设备也需要反复磨练才能最大化地发挥效能。也正因为垂直补给作业属于高风险科目,所以更需要平时进行扎实的训练,才能更好地提高垂直补给作业能力。

4 结语

本文首先分析了海上补给需求及海上补给方式,垂直补给费用尽管昂贵,但由于占据时空优势,现已成为海上补给的主要手段;然后研究了国内外垂直补给的现状,着重分析了美、俄两国的垂直补给吊挂系统;针对垂直补给整个作业过程,分析了提升垂直补给能力的关键因素;最后建议从直升机平台能力、任务规划系统、配套设备、法规及训练等方面入手,提升垂直补给能力。