引子

航空母舰的诞生，发展，和成熟的很多技术和战术都来自英国发明家的创造和贡献。“滑跃起飞”最早是在20世纪70年代开发的，目的是使“海鹞”式垂直起降飞机的起飞更安全，更高效。之后，世界上越来越多没有能力建造弹射器的国家开始采用这种航母起飞方式，并成为和弹射起飞并列的另一种现代航母起飞方式。这其中也包括了英国最新型的“伊丽莎白女王”号航空母舰（Queen Elizabeth Carrier，QEC）。今天，稀星天外就给大家一起来讲讲“滑跃起飞”的历史，设计和目的。

图一 一架F-35B战斗机从“伊丽莎白女王”号航空母舰上滑跃起飞

背景

目前已知的第一个使用倾斜坡道在海上起飞飞机的例子是1944年在“狂怒（Furious）“号航空母舰上安装的一个临时木制坡道。这一原始粗糙的结构专门用于在代号为“钨”的作战行动中帮助动力不足的费尔雷“梭鱼”式舰载鱼雷俯冲轰炸机携带1600磅穿甲炸弹从航母上起飞，对部署在挪威的德国战列舰“提尔皮茨”号发起攻击。

图二 一架第830海军航空中队的“梭鱼”舰载鱼雷俯冲轰炸机从“狂怒”号航空母舰的临时跳台上滑跃起飞

 “鹞”式GR1垂直起降飞机最初在1969年作为一种陆基近距离支援飞机进入英国皇家空军服役，但在该飞机上做了各种试验以验证其在海上作战的可行性。1966年，皇家海军的常规航空母舰项目（CVA-01）因为预算原因被砍掉了。渐渐地，海军中的许多人开始意识到“鹞”式飞机可以提供基本的固定翼战斗机能力，在未来小得多的舰船上进行作战。英国航空航天公司预见到海军采购和装备“鹞”式飞机的希望很大，于是在英国海军委员会于1975年4月正式批准“海鹞”舰载垂直起降战斗机的开发之前，就开始了研究工作。尽管鹞式飞机可以做到垂直起飞，但是并不是说在任何武器和燃料负荷下都可以实现，在很多时候需要短距起飞来增加飞机的有效载荷。经测定，不使用弹射器的“海鹞”在顶风情况下需要299米跑道才能满载起飞。而当时正在建造中的“无敌（Invincible）”级“全通甲板巡洋舰”只有200米长的飞行甲板，皇家海军急需要“海鹞”的满载短距起飞问题。

图三 “海鹞”短距起飞/垂直降落舰载战斗机

灵感

1973年，当时正在南安普顿大学学习的道格⋅泰勒中校，接到了一项任务——撰写一篇论文，来探讨解决这一问题的各种方法。在这篇论文中，他首先提出了利用带弧度的跳跃滑雪坡道来缩短起飞距离。这一使用滑雪坡道的想法最初因为看上去过于简单而遭到了一些怀疑，但进一步的研究很快就发现这个概念是一个真正有希望解决问题的方案。随后，位于金斯敦（Kinston）的豪客⋅西德利航空制造公司（Hawker Siddeley Aviation，负责设计和制造“鹞”式飞机的公司，在1977年被英国航空航天公司收购）和英国国防部使用了仿真和计算机建模技术进一步研究和验证了这一概念。

图四 一架“海鹞”FRS1飞机从“无敌”号航母7°的滑跃起飞坡道上起飞（图片来源：BAE系统）

1977年8月5日，第一次滑跃起飞坡道试验在位于贝德福德（Bedford）的皇家飞机研究院进行，试验使用了测试飞机（稀星天外言：第一架真正的“海鹞”直到1978年8月20日才飞行）。在一年的时间里，对斜坡进行了从6.5°到20º的各种倾斜角度试验，测试结果显示在使用斜坡的情况下飞机确实能够携带更重的载荷起飞。另外，坡道还极大地增加了安全范围，即使飞机在起飞后因为升力不足而下降，它仍距离海面有足够的高度。如果发动机在起飞过程中发生故障，留给飞行员弹射逃生的时间大约是不使用斜坡时的三倍。

简单来说，飞机不会在滑跃起飞坡道末端掉落。相反，其前进的动量被斜坡部分地转换成垂直推力。和“海鹞”上的矢量喷嘴产生的向上推力一起，让飞机在离开坡道后沿着半抛物线轨迹继续前飞几百米，直到它具有足够的前进速度以使机翼提供所有升力。当飞机还在坡道上移动时，其起落架受到了额外的力，但是“海鹞”，以及现在的苏-33、歼-15、和F-35B等在设计时都考虑了这点，对起落架进行了加强。尤其是“海鹞”和F-35B被要求带弹垂直降落，这对起落架的强度要求更高。

图五 1977年5月3日刚下水的“无敌”号航空母舰还没有安装滑跃起飞坡道（照片来源：英国帝国战争博物馆）

第一个正式滑跃起飞坡道被安装在正在巴罗（Barrow）进行舾装的“无敌”号上，倾斜角度选取了较保守的7度角，以避免干扰附近“海标枪（Sea Dart）”导弹发射器的射击角度。无敌号于1980年7月进入皇家海军服役。10月30日，试飞员大卫⋅普尔中校首次在海上驾驶“海鹞”战斗机使用滑跃坡道起飞成功。1982年，因为马岛战事，匆忙投入使用的“杰出（Illustrious）”号也安装了倾斜角为7º的坡道，而1985年投入使用的“皇家橡树（Ark Royal）”号则从一开始就使用了12º的坡道，因为这是经过测试发现的最佳角度。“无敌”号和“杰出”号随后也将坡道角度改成了12º。由于提升“鹞”式飞机的起飞性能被认为比“海标枪”射击角度更重要，整个导弹系统最后被完全移除，以留出更多的空间给舰载机和弹药。

图六 “无敌”号航母和“杰出”号航母在马岛战争中扮演了关键的角色，其上搭载的“海鹞”为英军掌握了制空权

图七 英国航空母舰滑跃起飞坡道设计（角度和长度）的演进

经验教训

滑跃起飞坡道是一种相对便宜且简单的航空母舰附加装置，是一种简单的钢结构，没有活动部件。然而在投入使用了一段时间后，人们发现三艘航母上的斜坡建造质量有着明显的细小差异，这会对“海鹞”飞机起落架的使用寿命造成影响。原始设计时，假设的是一个绝对平整的坡道，但实际建造中在坡道表面上形成的小裂缝或坑洼足以导致一些飞机的起落架开裂。这个问题的解决非常昂贵，并且导致了“伊丽莎白女王”号航空母舰（QEC）上的坡道设计引入了更高的公差。此外，和“鹞”式战斗机串联式主起落架相比，F-35战斗机上间距更大的三点式起落架，受小坑洼的影响更大，要求更精细的斜坡设计。QEC略微弯曲以帮助排水的甲板中心部分，也使坡道和甲板的交接面更加复杂。

图八 虽然设计时希望滑跃起飞斜坡平整和光滑，实际建造结果有很多小坑洼和裂缝

到2003年，皇家海军最终决定将QEC设计成一艘短距起飞垂直降落（STOVL）航母，并将安装像和“无敌”级一样的滑跃起飞坡道。QEC的设计是可扩展的，虽然现在是STOVL，但如果在将来有需要，可以安装弹射器和拦阻装置。这意味着滑跃起飞坡道将是一个被添加到前飞行甲板的可拆卸结构，而不是被完全集成到舰首的设计中。

图九 从这个角度看，QEC的舰艏很丑，滑跃起飞坡道很突兀，因为它被设计成可拆卸

稀星天外言：2010-12年有一阵子，皇家海军的确想把QEC设计成一艘弹射起飞阻拦降落航母。但很快又打消了这一想法。

坡道详细设计直到2007年洛克希德⋅马丁公司完成了足够的模拟器工作并开发了成熟的飞行控制模型后才开始。QEC的滑跳起飞坡道由BAE系统公司根据洛马公司而不是造船厂提供的数据进行设计。人们也许不会注意，该斜坡有两条曲线组成。开始部分是一条长长的“立方”曲线，紧接着在飞机离舰处是第二条“椭圆”（减速）曲线部分。

图十 计算机模拟的QEC舰艏空气动力学模型，甲板边缘的设计对于平滑气流和减少湍流非常重要

下一代

F-35B的滑跳起飞试验工作于2014年在美国帕塔克森特河海军航空站（NAS Patuxent River）进行，最初使用模型和手动仿真。大多数研究工作涉及在起飞过程中出现问题时会发生什么，例如风速突然下降，发动机功率丧失，轮胎爆裂或前起落架故障。一家英国公司威廉姆斯⋅费尔雷工程有限公司（Williams Fairey Engineering Limited）获得了一份200万英镑的合同，在帕塔克森特河海军航空站的中心机场建造一个测试坡道。该坡道设计按照美国海军反潜航空母舰（CVS）的标准，并于2009年建造完工​​。而第一架使用滑跃起飞坡道短距起飞的F-35B直到6年后的2015年6月才出厂。

图十一 美国海军帕塔克森特河海军航空站的测试滑跃起飞坡道

到2016年6月，一共进行了31次起飞试验，测试了各种滑跑速度和起飞重量，飞机在斜坡终点的速度被控制在每小时120到176公里之间。测试期间虽然发现了一些问题，但都不严重，最终通过对飞行控制软件做了一些小修改而解决。 2017年开始的第二阶段试验进行了大约150次起飞试验，以了解F-35B在超速或欠速状态起飞和携带外部武器（包括不对称载荷）时的特性。多年的模拟和准备工作确保了“伊丽莎白女王”号航空母舰（QEC）在2018年9月25日成功起飞了第一架F-35B飞机。

图十二 在QEC的开发飞行试验中，两架F-35B利用滑跃起飞坡道上进行了202次成功起飞

尽管都是滑跃起飞坡道短距起飞垂直着陆，21世纪的F-35B“闪电”II与上世纪60年代设计的“鹞”式飞机几乎没有什么共同之处。“鹞”式飞机拥有一台飞马发动机和四个侧面安装的旋转喷嘴，用于产生向下或向后推力。而F-35B有一个更传统的尾管，通过一个3轴承旋转模块（3BSM），在水平和垂直向下之间转换。当发动机喷口向下时，可以产生8100多公斤的向下推力。为了提供纵向平衡，在驾驶舱后面有一个通过连接发动机的轴驱动升力风扇在起飞和着陆期间提供9000多公斤的垂直推力。升力风扇配有一个叶片箱，可以将推力向后下方50º角喷射，以便在短距起飞过程中提供额外的向前推力。每个机翼下方还有两个从发动机气流通道引流的喷口，每个可以提供高达900多公斤的推力，以实现横向平衡。为了最大限度地提供前进动力，在短距起飞期间，翼下喷口会关闭几秒钟，并在飞机离开坡道后才重新打开。

图十三 F-35B“闪电”II短距/垂直起飞和垂直降落期间的动力来源和飞行姿态控制

自动化已经使得F-35飞行员的着陆和起飞程序简化很多。一名“鹞”式飞行员在起飞过程中需要手动控制操纵杆，油门和发动机喷嘴方向，这绝对是一项棘手的工作。F-35中的先进控制率软件意味着飞行员只须将油门推至全功率，释放刹车并转向滑跃起飞坡道的中心线。飞机上的传感器会检测俯仰速率和姿态的变化，并将控制器置于“滑跳起飞”模式，它自动设置水平尾翼的角度，发动机喷口方向，并调整升力风扇和尾部喷口之间的推力平衡。当在斜坡上时，更多的前进推力来自升力风扇，但随着飞机离开坡道，3BSM逐渐转动，使发动机推力方向从朝下后方大约45º移动到水平。一旦进入平飞，升力风扇就会和发动机脱开，并且关闭上下的进/排气舱门以使飞机成为一架在空气动力学上“干净的”飞机。

图十四 注意观察，当F-35B离开滑跃起飞坡道时，其主发动机喷口呈45°角向下

值得注意的是，虽然F-35B具有极强的性能并且飞行员的工作负荷较低，但其机械复杂性令人惊愕，因为它是有史以来拥有最多运动部件的喷气式战斗机。

英国首创的滑跳起飞很快被许多其他海军所采用，并且一直沿用至今。俄罗斯，中国，印度，意大利和泰国海军都拥有带滑跃起飞坡道的航空母舰。澳大利亚和西班牙“胡安卡洛斯”级两栖攻击舰也有坡道设计，今后可能会在舰上搭载F-35B战斗机。2018年，日本宣布其出云级“直升机驱逐舰”将搭载F-35B战斗机，因此很有可能也会增加一个滑跃起飞坡道。

美国海军从未为其装备“鹞”式和F-35B战斗机的两栖突击舰安装滑跃起飞坡道，尽管它的好处得到了海军陆战队航空兵的充分了解和认可。与其他将STOVL飞机作为两栖战舰主要武器的国家不同，美国海军的主要目的是将海军陆战队送上岸，因此直升机将是优先考虑事项。由于飞行甲板空间有限，滑跃起飞坡道将至少占用两个直升机机位。因此，美国海军陆战队的作战理念是让固定翼飞机尽早上岸，从小型简易机场起飞为部队提供近距离作战支援。美国海军内部还有一个不愿意道破的政治原因，即增加了滑跃起飞坡道的两栖攻击舰可能会被视为小型航空母舰，从而影响到作为水面舰队核心的巨型传统航空母舰（CVN）。

图十六 美国海军最新的“美国”号两栖攻击舰，由于作战理念不同，并没有安装滑跃起飞坡道

对于皇家海军而言，滑跃起飞坡道——这项相对简单的发明——将继续在未来许多年内让其两艘航空母舰具有搭载固定翼战斗机进行作战的能力。

图十七 QEC的滑跃起飞坡道上标记距离坡道尽头距离的倒计数字