续前
前文讲了飞机从诞生到二战大战期间,起落架的演变。这期间流行的“后三点”式起落架和自然界的鸟儿们颇有些不一样——鸟儿们的脚的位置普通偏身体的后方,而“后三点”飞机两只粗壮的脚却偏偏在前方!那有没有和自然的鸟儿类似的起落架呢?当然有!那就是如今大行其道的“前三点”式起落架。
不自然的缺陷
“前三点”式起落架在二战和二战前都是最主流的布局,但无论是“内八”、“外八”还是“纵向收放”式,都有几个的共同缺陷:强壮的主起落架在前方,后部又实在太轻,飞机起降时一旦遇到障碍物极易“拿大顶”!这方面最著名的例子就是中途岛之战的“意外礼物”——“零”式战斗机了!古贺忠一驾驶的“零”式战斗机在迫降时因为地面过于松软拿了大顶,自己送了命不说,还赔上一架几乎完好的“零”战,一定程度上加速了日本的败亡!
“零”战的“后三点”拿大顶甚至影响了整个战局
其次,“后三点”飞机着陆时必须三点同时触地!此时飞机的迎角如果偏大,那么最脆弱的尾轮就要先触地,而尾轮往往还是与活动的方向舵连接着,飞机会立刻失稳甚至很可能倾覆;迎角如果偏小,粗壮的主起落架先着地问题倒不是太大,但前方的螺旋桨就可能触地,而且这样更容易“拿大顶”!此时飞机的迎角小升力往往不够,速度也很难降下来。
尾轮悬空的着陆只有高手能玩,注意桨尖快擦到地面了
此外,“后三点”飞机由于前起落架较长,起飞滑跑时飞机的机头是高高抬起的,加上大马力发动机往往又粗又长,飞行员的视线被“长得没有边际”的机头挡住,完全无法看到前方!只好开着舱盖从侧面往前看,但另一侧就完看不见了!以致于像P-47“雷电”战斗机的地勤人员干脆在起飞时趴在机翼上给飞行员指方向,到达起飞点再从机翼上跳下来!
地勤真不容易!
设计师们不是不知道这个问题,但是机头放置了发动机、螺旋桨以后,有些还要安装枪炮,实在是没有多余的地方了,尤其是收放式起落架还需要容纳起落架及其操作机构的空间!高速飞机机头的横截面积稍大一点速度就会严重下降,而且还会影响发动机的散热。但飞机速度的提升,使得降落的速度和难度也增加了,解决这个问题刻不容缓!一些较有远见的设计师们开始尝试新的起落架布局——“前三点”式起落架。
“三足金乌”
实用型飞机中P-38“闪电”式战斗机较早采用“前三点”,这架飞机出自天才的凯利·约翰逊。他设计这架飞机时年仅26岁!这位天才也是不折不扣的鬼才——作品中充满了离经叛道和奇思妙想:“双三”的SR-71“黑鸟”侦察机、“2万米的幽灵”U-2侦察机、拿菜刀当机翼的F-104“星”式战斗机……而这架诞生在二战的P-38“闪电”同样也全身闪烁着不羁的光芒:奇特的双尾撑布局、气泡式座舱、“前三点“起落架……
“前三点”的“闪电”式战斗机,不过也只能三点同时接地
“闪电”是架双发动机的战斗机,机头的位置正好空出来,可以用来放置1门20毫米机炮、4挺12.7毫米机枪、还有传统飞机的“尾轮”——但比尾轮结实得多,应该称为前起落架了。而承受主要重量的主起落架生根在两个“机身”尾撑中。
“前三点”起落架彻底解决了“后三点”爱拿大顶的毛病,滑跑时飞行员的前方视野良好,能准确地对准跑道了!还能在降落时让粗壮的主起落架先接地——只要迎角不大到机尾擦地就行!另一种美国战斗机,和P-38连号的P-39“眼镜蛇”式战斗机也采用了“前三点”。“眼镜蛇”也是架不走寻常路的飞机,它的发动机在机身中部座舱后面,因此机头可以空出来放置前起落架!
P-39“眼镜蛇”战斗机也是“前三点”式
德国在二战期间的航空技术比较先进,自然也做了这方面的尝试——梅塞施密特博士用来代替Me109的后续机型Me309,虽然是前置发动机的战斗机,但仍然在机头安放了前起落架。新飞机设计的初衷相当先进,除了前三点起落架外,还有视野良好的气泡式座舱,油箱也加大了。但这个“前三点”相当不争气,初次试飞就出了故障收不回来,降落的时候稳定性还极差!而这时候战事吃紧,梅塞施密特还要加紧改进主力的Me109,于是Me309一拖再拖之后不了了之!
模型:“前三点”的Me309还是很漂亮的
但中看不中用,“前三点”居然还拿了大顶,好在没翻过去!
不知道是不是这次吃亏太大,Me163“彗星”式火箭战斗机干脆就剁了脚!而到了革命性的双发动机喷气式Me262“风暴鸟”战斗机时,尽管连先进的后掠翼都用上了,初期居然还是落伍的“后三点”!好在到量产时“风暴鸟”就改成了“前三点”。不过这时候德国已经极度缺乏有色金属,导致几乎完全无法供应高强度起落架所需的特种钢材,先进的“风暴鸟”和日本飞机一样因为起落架故障损失了不少!有色金属的缺乏甚至使得后期德国坦克的装甲质量都严重下降——总体战时代轴心国在拼国力资源上完全不是盟军的对手!
自此,“前三点”式起落架逐渐成为主流。不过,“后三点”式起落架结构简单(与方向舵共用转向机构)、重量相对比较轻(尾轮就比前起落架轻不少),现在仍然是一些轻型飞机的选择。
多脚的鸟
从二战后期开始,“前三点”起落架成为主流,还开始了一些拓展。比如被许多精日当成精神寄托的鸭式布局的“震电”式战斗机,虽然还是螺旋桨动力,但由于是尾推式,所以机头还是有空间来容纳前起落架的,于是“顺理成章”(其实是全盘学习德、意)安排了“前三点”起落架。但没曾想还在地面滑跑时,后面巨大的螺旋桨就触到地面!于是设计师只好在双垂尾的底部又装了两个轮子用来保护螺旋桨,并限制飞机起降时迎角,结果形成了独特的“五点式”布局!
“五点”式的“震电”战斗机,后两点平时不着地
喷气时代来临以后,由于发动机挪到了机尾,因此“前三点”成为了绝对主流。不过,变种也不少。拿凯利·约翰逊的另一款“神作”U-2侦察机来说,由于翼展实在太大,凯利·约翰逊干脆把主起落架砍掉了1个变成“自行车”式起落架!那怎么保翼尖不触地呢?好在U-2降落速度低,地勤(又是我?!)人员会飞快跑过去往机翼上装托翼轮!于是比较完美地解决了超大翼展飞机的起降问题。不过呢,这并不算凯利·约翰逊的创新——大翼展的滑翔机上这样的起落架很常见。
U-2从滑翔机上学来的“自行车”式四点起落架
超大翼展的B-52“同温层堡垒”轰炸机也采用了“自行车”式起落架——这飞机翼展大到在地面停放时机翼带下反角,飞到天上就变成了上反角!如果没有托翼轮在地面停着不动翼尖可能都会触到地面!世界首架垂直起降的“鹞”式战斗机虽然翼展不算大,但也采用了“自行车”式——垂直下喷的气流温度太高,起落架要尽可能离得远些,而且垂直降落时四点着地的冲击力相对较小,可靠性也比三点好!
没有托翼轮B-52都不能好好站稳
还是想剁脚
即使是喷气时代,设计师们还是不忘尝试“剁掉鸟儿的脚”。这是因为一旦发生战争,机场肯定是重点打击的对象。如果能垂直起降,战机的生存力、出动率都会大大提高,当然也可以顺便减轻起落架的重量。首先是被二战中被英美轰炸了好几年的德国人,设想了好几种“尾座”式垂直起降战机,Ba-349“蝮蛇”式火箭战斗机甚至进行了试飞!这种飞机的起降方式象火箭一样,靠发动机的推力直接升空,再转向90度变成靠机翼升力飞行!这飞机出现太晚,而且首次试飞就要了试飞员的命!
这货真的适合让人去飞吗?
战后美国海军接过德国人的衣钵继续研究——航母上太需要这种技术了,洛克希德公司和康维尔公司都拿出了“尾座”式垂直起降战机,起落架自然也都只有几个小小轮子。但没想到这条路是个“死胡同”,起飞时还好办,降落呢?那时候自动控制技术还很初级,飞机降落全得靠飞行员控制,可“尾座”式飞机降落时飞行员完全看不到地面!即使通过其它措施能够降落成功,这技术也绝非普通飞行员都能掌握的。于是和前一篇介绍的萌萌的“小鬼”战斗机一样,进行了几次试验后“尾座”式飞机就停止了发展。
XFY验证机脚是轻了,飞行员的颈椎病也治好了!
后来采用“自行车式”起落架的“鹞”式战斗机成功之后,从不缺脑洞的英国人又设想了一种“天钩”系统,目的是把“鹞”式部署到最小3000吨的军舰上!军舰上装一套“天钩”,“鹞”式降落时悬停在军舰一侧,由“天钩”抓住飞机,再吊回军舰上!起飞嘛,可以垂起,也可以通过机身下简单的支柱实现短距滑跑起飞!英国人还认真做了测试,结果据说很满意,但此时“鹞”式已经不算一架先进的飞机了,因此“天钩”也停止了发展。
“自行车”式的“鹞”正在做“天钩”试验
无人机的脚
首先在实战中大规模使用的无人机要算“火蜂”侦察机了,它是只典型的“没有脚”的鸟——起飞由母机从空中直接投放,完成侦察任务后回到回收区域,打开降落伞——注意!不是直接降到地上,而是在空中由飞行的回收飞机钩住伞下的绳子拖进飞机!有一定难度的杂技表演啊!但这种方式成功的几率还是比较高的,“火蜂”侦察机就一直采用这种方式。
C-130母机正投放“没有脚”的“火蜂”无人机
但这种方式虽然没有脚,但多了一顶伞!重量、空间没省多少。淘金客做过无人机,固定翼的测绘用无人机也常常采用弹射起飞加伞降的方式,省掉起落架。但伞降要保证飞机的着地速度足够小的话,伞还是相当大的,即使折叠以后也要占掉机身内一定的空间。这种着陆方式的可用性还很不好——林区、山地、水网密集的地带、风大的时候都不能用,挂在树上、掉在水里、被风吹很远都是大麻烦!
无人机伞降其实很不好用
而轻小型无人机个头普遍不大(大型无人机还是采用普遍飞机起落架的居多),“平方-立方”定律(可以简单理解为机翼面积和整体重量之比)上占优,所以轻小型的无人机干脆连伞都不要了,直接机腹擦地降落,起飞直接用手抛!成了真正的“没有脚的鸟”。美军的“大乌鸦”,以色列的“云雀”都是这样的代表。不过这样的无人机不能太重——超过7公斤就很难扔得动啦!
小型无人机可以手投,直接擦地降落,剁脚!
英国人的脑洞“天钩”系统也在无人机上复活了!无人机质量不大,因此不必像“鹞”式那样等到空速几乎为零时再用“天钩”去抓。波音公司在“扫描鹰”无人机的机翼上装了个钩子,直接撞到“天钩”垂下来的回收索上钩挂住,就能回收了!“扫描鹰”因此彻底省掉了起落架!这套机构所需的操作空间很小,美国海军直接用在军舰上!民用无人机用起来还是太麻烦!
抓住“扫描鹰”的“天钩”
近年来自动控制技术日趋成熟,芯片技术让飞控系统也越来越小,无人机垂直起降技术发展很快,主要的目标是降低操作难度、也降低无人机起降时的空间要求(垂直起降不需要起降时有很好的进近航线和空间),也大大减小了对起落架的要求。 “多旋翼-固定翼复合”式、“矢量推力”式……甚至还有些又重新捡回过去的经验——“尾座”式垂直起降!中航工业的TD200已经是航展上的常客了,美国也在试飞类似的型号!未来是无人机广泛应用的时代,无人机上的起落架肯定会和载人飞机有很大的不同,让我们拭目以待!
“尾座式”无人机对飞控技术要求很高
结语
淘金客说,纵观起落架的发展史既说明了技术积累的重要性,也鼓励设计人员要努力创新。尤其是象我们这样过去技术积累不足的,更需要通过学习历史来积累足够的经验,在未来发展又要能足够地开放和创新,才能真正实现超越。