自1910年11月14日美國(guó)人尤金·伊利完成了史上第一次從軍艦上起飛升力飛行器的壯舉之后，艦載機(jī)這個(gè)名詞從此進(jìn)入海軍，并成為今日海軍繼續(xù)發(fā)展的重要角色之一。不可否認(rèn)的是，在航空母艦和艦載機(jī)100多年的發(fā)展歷程中，航空母艦的布局一直在順應(yīng)艦載機(jī)本身的變化，每當(dāng)艦載機(jī)發(fā)生一次重大的動(dòng)力更新?lián)Q代，航母本身的布局就要被重新設(shè)計(jì)。縱觀今天的航空母艦，和上世紀(jì)40年代的航空母艦相比，雖然一些概念詞匯比如攔阻索等能夠沿用至今，但是基本的構(gòu)造和甲板布局已經(jīng)大相徑庭。毫無(wú)疑問(wèn)的是，如果今日的艦載機(jī)相比70年前的艦載機(jī)了無(wú)變化，那么如此變動(dòng)的布局只能說(shuō)是軍艦設(shè)計(jì)和制造上的浪費(fèi)。

短短幾十年間，航母的甲板布局已經(jīng)變得大相徑庭

今天我們從上世紀(jì)20年代的艦載機(jī)開(kāi)始說(shuō)起，以艦載機(jī)動(dòng)力的變動(dòng)為主線，不僅穿插艦載機(jī)本身氣動(dòng)布局等等的參數(shù)變化，同時(shí)也影射出航空母艦百年的發(fā)展歷程。

最早的發(fā)動(dòng)機(jī)：活塞式內(nèi)燃機(jī)

內(nèi)燃機(jī)是最早的航空動(dòng)力，它的壽命是如此之長(zhǎng)久，以至于直到今天仍有不少輕型飛機(jī)仍然在使用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力。當(dāng)然，僅限于輕型飛機(jī)。

在航母剛剛誕生的年代，活塞式的內(nèi)燃機(jī)卻是航空動(dòng)力的不二之選。當(dāng)時(shí)，人類所能制造出來(lái)的熱機(jī)僅有活塞式蒸汽機(jī)、活塞式內(nèi)燃機(jī)和蒸汽輪機(jī)三種。外燃機(jī)笨重龐大，還需要在外面附加鍋爐，必然無(wú)法成為航空動(dòng)力的選擇。而活塞式內(nèi)燃機(jī)，卻是那個(gè)年代能夠裝到航空飛行器上面的唯一動(dòng)力選擇方案。

一戰(zhàn)時(shí)的戰(zhàn)斗機(jī)互相僅僅采用水平機(jī)動(dòng)來(lái)占據(jù)攻擊陣位

當(dāng)然，彼時(shí)的活塞式內(nèi)燃機(jī)鑒于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，其功率無(wú)法讓飛機(jī)獲得滿足的航速。所以當(dāng)時(shí)的艦載機(jī)基本都采用了上下雙翼的氣動(dòng)布局以保證低速航行狀態(tài)下的升力。此外，當(dāng)時(shí)的內(nèi)燃機(jī)推力僅僅能夠滿足飛機(jī)在水平面之內(nèi)的機(jī)動(dòng)，快速的垂直爬升基本上不可能實(shí)現(xiàn)，緩慢飛行的戰(zhàn)斗機(jī)空戰(zhàn)僅僅是水平面咬斗，盲目的向上拉動(dòng)機(jī)頭，飛機(jī)基本上會(huì)進(jìn)入失速尾旋狀態(tài)。在當(dāng)時(shí)，戰(zhàn)列艦的裝甲防護(hù)還很強(qiáng)大，而功率小的發(fā)動(dòng)機(jī)能將飛機(jī)從甲板上起飛已經(jīng)很不容易，更遑論攜帶能夠擊沉戰(zhàn)列艦的足夠重量的彈藥。即使是攜帶少量彈藥對(duì)戰(zhàn)列艦進(jìn)行攻擊，由于航速太慢，自身目標(biāo)又大（有兩個(gè)翅膀的雙翼機(jī)的彈著點(diǎn)實(shí)在是太多了），非常容易遭到防空火炮的攔截。也正是由于這一點(diǎn)，當(dāng)時(shí)的其他水面艦艇都沒(méi)有拿艦載機(jī)當(dāng)一回事，甚至19世紀(jì)40年代下水的戰(zhàn)列艦也沒(méi)有安裝多少防空火炮，這也注定了日后戰(zhàn)列艦被航空母艦迅速淘汰的結(jié)局，因?yàn)閷?shí)在是太不重視飛行器了。

垂直機(jī)動(dòng)：活塞式革命

從1920年到1940年，航空動(dòng)力的發(fā)展是快速的。短短20年時(shí)間，艦載機(jī)的最高速度從100節(jié)左右提高到了300節(jié)，續(xù)航能力從幾十公里發(fā)展到超過(guò)2000公里，發(fā)動(dòng)機(jī)功率從140馬力突破了1000馬力。也難怪二戰(zhàn)中戰(zhàn)列艦面對(duì)艦載機(jī)是如此的力不從心，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候大多數(shù)戰(zhàn)列艦的防空火力布置思路還是20年前的。

這就是星型發(fā)動(dòng)機(jī)，其軸向的尺寸十分緊湊

這個(gè)時(shí)候的艦載機(jī)所使用的仍然是活塞式汽油機(jī)，但在內(nèi)燃機(jī)本身的設(shè)計(jì)和制造水平已經(jīng)大大提高。星形發(fā)動(dòng)機(jī)采用星形的向心布局來(lái)安放汽缸，空氣流通汽缸之間的空隙來(lái)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供必要的冷卻功能。這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以被制造的非常緊湊，在艦載機(jī)狹小的前機(jī)身內(nèi)就能容納相當(dāng)大功率的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，采用易于得到的空氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻工質(zhì)，無(wú)疑減小了航空母艦上對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行維護(hù)的地勤壓力。

當(dāng)然，采用液冷發(fā)動(dòng)機(jī)的V型汽缸布局也沒(méi)有被完全淘汰，在英國(guó)航空母艦上所使用的“海噴火”式艦載戰(zhàn)斗機(jī)就采用了V12缸的液冷活塞式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

新發(fā)動(dòng)機(jī)所提供的充沛動(dòng)力，讓艦載機(jī)的氣動(dòng)布局也隨之變化。隨著飛機(jī)飛行速度的提高，艦載機(jī)無(wú)需額外使用雙翼布局提供額外升力，低阻力高速度的單翼布局成為主流；更大的推力讓?xiě)?zhàn)斗機(jī)在空戰(zhàn)中首次有了垂直機(jī)動(dòng)的概念，高度-速度平衡的能量空戰(zhàn)法成為空戰(zhàn)理論中最重要的一環(huán)；同時(shí)，利用高度和速度對(duì)敵目標(biāo)實(shí)行俯沖轟炸的艦載轟炸機(jī)也得到實(shí)用列裝。正是航母上搭載的俯沖轟炸機(jī)在中途島海戰(zhàn)中扭轉(zhuǎn)了太平洋戰(zhàn)場(chǎng)的戰(zhàn)局。

活塞式艦載戰(zhàn)斗機(jī)甚至裝上了氣泡座艙，圖為美國(guó)F8F艦載戰(zhàn)斗機(jī)

然而，新發(fā)動(dòng)機(jī)為飛行器帶來(lái)的不僅僅是數(shù)字指標(biāo)上的革命，更是從根本上改變了空戰(zhàn)模式。由于發(fā)動(dòng)機(jī)馬力的加大，飛行員可以通過(guò)在平飛時(shí)加大油門(mén)獲得速度，通過(guò)獲得的動(dòng)能拉升高度搶占空戰(zhàn)中的有利位置。“速度-高度”的能量空戰(zhàn)理論，正是針對(duì)這一新戰(zhàn)術(shù)而出現(xiàn)的新型空戰(zhàn)理論。從此，飛行員之間的格斗不僅僅是在同一高度縮小轉(zhuǎn)彎半徑以咬住對(duì)方或者甩脫對(duì)方，盡量消耗對(duì)方的空戰(zhàn)能量成為了各國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的標(biāo)準(zhǔn)教材，飛行器的能量包線也成為了飛機(jī)設(shè)計(jì)制造單位所執(zhí)行的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。

二次大戰(zhàn)為航空母艦最終擊敗戰(zhàn)列艦成為海洋霸主提供了最好的擂臺(tái)。1941-1945年短短的五年間，艦載機(jī)的各方面性能都再次大大提升。到了1945年，已經(jīng)有裝備超過(guò)2000馬力活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的艦載機(jī)，以及能夠攜帶超過(guò)1000公斤載荷的艦載攻擊機(jī)問(wèn)世。

但是，活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳推進(jìn)原理在這個(gè)時(shí)候也被挖掘到了極限。為了進(jìn)一步提高活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，只能通過(guò)增加螺旋槳的槳葉數(shù)量或者長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣做的效果不僅僅是飛機(jī)在艦上存放或起降安全方面受影響的問(wèn)題，在推力提升的同時(shí)螺旋槳本身產(chǎn)生的阻力甚至也大大超過(guò)了增加的推力，反而使得這樣的改進(jìn)毫無(wú)效果。一系列失敗證明，為了使得飛行器獲得進(jìn)一步的優(yōu)良性能，不得不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理模式進(jìn)行革命性的創(chuàng)新，在這樣的大背景下，人類有史以來(lái)最強(qiáng)大的常規(guī)能源發(fā)動(dòng)機(jī)——噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)誕生了。

從汽缸到燃燒室：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)誕生史

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)有三個(gè)沖程不在做功，也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)3/4的時(shí)間都被浪費(fèi)了

首先我們說(shuō)一下內(nèi)燃機(jī)的工作原理。在工作時(shí)，燃料與空氣的混合物在氣缸內(nèi)被壓縮點(diǎn)燃；點(diǎn)燃后，燃?xì)庠跉飧變?nèi)膨脹，推動(dòng)活塞做功。飛機(jī)上的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)通過(guò)曲軸等一系列復(fù)雜的機(jī)構(gòu)將燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣的相互作用，使得飛機(jī)獲得向前推進(jìn)的動(dòng)力。首先，在活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料的燃燒并不是連續(xù)性的，必須經(jīng)歷一個(gè)將燃料和空氣注入封閉空間，單次點(diǎn)燃，而后排出廢氣的一個(gè)間斷過(guò)程；其次，在這一系列復(fù)雜的過(guò)程中，從燃料燃燒做功到飛機(jī)最終獲得推力，在每一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)都要經(jīng)歷一次功率消耗。以上這些因素，使得活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率隨著速度提高而急劇下降。最致命的一點(diǎn)在于，對(duì)于螺旋槳飛機(jī)來(lái)講，即使可以不計(jì)油耗盡量的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，但當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，槳葉外輪的速度已經(jīng)超過(guò)音速；此時(shí)空氣的流體性能會(huì)發(fā)生巨大變化，不僅螺旋槳的推力會(huì)減少到極小值，引發(fā)的振動(dòng)問(wèn)題甚至?xí)沟蔑w機(jī)發(fā)生事故。也就是說(shuō)，對(duì)于螺旋槳飛機(jī)，速度越高，推力越小。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比令人咋舌，這種一噸半的導(dǎo)彈其火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力高達(dá)28噸，雖然僅僅能夠工作幾秒鐘，但當(dāng)火箭燃燒完畢導(dǎo)彈的速度能夠突破5倍音速。

利用反沖作用獲得高速度的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)早在一千多年前就被運(yùn)用于軍事領(lǐng)域。這是一種在燃燒室內(nèi)填裝燃料與氧化劑，進(jìn)行一次性使用的發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然燃料和氧化劑的消耗量驚人，但是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能夠獲得相當(dāng)強(qiáng)大的推力。在航母彈射器還不太成熟的年代，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常被捆綁在重載的艦載機(jī)上，用以使飛機(jī)在短小的航母甲板上獲得足夠的起飛速度。

利用火箭助推艦載機(jī)起飛實(shí)驗(yàn)

對(duì)于飛機(jī)來(lái)講，空氣是最容易獲取的氧化劑。所以一種可行的思路是：改進(jìn)火箭的結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)能夠從空氣中取得氧化劑，與燃料在開(kāi)放的燃燒室內(nèi)燃燒獲得推力。這就是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基本設(shè)計(jì)思路。雖然在燃油經(jīng)濟(jì)性上或許不如螺旋槳飛機(jī)，但是和活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在高速飛行時(shí)仍然能夠保持相當(dāng)?shù)耐屏?，這一點(diǎn)尤為可貴。

雖然原理簡(jiǎn)單，但是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的溫度相當(dāng)高，氣流也更為強(qiáng)烈，內(nèi)部零部件的工作條件十分苛刻，一般的金屬材料難以應(yīng)付；其次，其設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的難度和技術(shù)要求也高于以往僅僅考慮輸出功率的內(nèi)燃機(jī)。

Jumo004發(fā)動(dòng)機(jī)，其壽命僅有短短50小時(shí)，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度實(shí)在是太高了

最早投入實(shí)戰(zhàn)的德國(guó)Jumo004發(fā)動(dòng)機(jī)自重715公斤，能夠提供880公斤的推力，兩臺(tái)Jumo004發(fā)動(dòng)機(jī)使得二戰(zhàn)時(shí)的Me262型戰(zhàn)斗機(jī)達(dá)到了時(shí)速870公里，這一速度超過(guò)了幾乎全部的螺旋槳戰(zhàn)斗機(jī)。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)大大提高了人類所能實(shí)現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的重量與功率比。例如，折算成功率來(lái)講，運(yùn)用在教練機(jī)上的AI-222-25噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，重500千克左右，等效功率達(dá)到了6000千瓦；而二戰(zhàn)時(shí)的普惠R-2800活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，重達(dá)1073千克，功率僅有1567千瓦。

既然噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)如此之優(yōu)秀，那么我們是不是可以立即將其運(yùn)用在艦載機(jī)上呢？且慢，這里說(shuō)一下二戰(zhàn)后飛機(jī)的發(fā)展問(wèn)題。

既然噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)給航空界提供了如此良好的一個(gè)高速動(dòng)力源，那么除了發(fā)動(dòng)機(jī)本身，在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上，飛機(jī)設(shè)計(jì)師也致力于為發(fā)動(dòng)機(jī)提供一個(gè)良好的高速平臺(tái)。特別是對(duì)德戰(zhàn)爭(zhēng)中，東西方陣營(yíng)都吃夠了高速飛行的苦頭，為了追求己方飛機(jī)的最高飛行速度，飛機(jī)的高速阻力被設(shè)計(jì)的越來(lái)越小，飛機(jī)的翼展也越來(lái)越窄。窄小的機(jī)翼使得飛機(jī)在低速時(shí)的升力大打折扣，也使得飛機(jī)的起飛速度更高，降落更困難。在過(guò)去活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的年代，飛機(jī)在航母甲板上僅需要加速到時(shí)速150公里即可起飛，簡(jiǎn)單的直通式甲板完全能夠勝任；而噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)米格21的起飛速度高達(dá)每小時(shí)330公里，在陸地上需要800米長(zhǎng)的跑道才能完成起飛——目前最長(zhǎng)的船舶都沒(méi)有達(dá)到800米長(zhǎng)。也同樣是為了高速，為了使得飛機(jī)機(jī)體具有足夠的強(qiáng)度在高速飛行時(shí)不會(huì)解體，原有的木材能輕質(zhì)材料被完全放棄，改換為能夠耐高溫也更重的金屬；同時(shí)，導(dǎo)彈武器的重量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過(guò)去的機(jī)槍機(jī)炮；為了能夠負(fù)擔(dān)更重的機(jī)體重量，又需要更多的燃油和更大的發(fā)動(dòng)機(jī)。二戰(zhàn)初期的零式戰(zhàn)斗機(jī)不到兩噸重，而蘇-33艦載機(jī)的重量近30噸。當(dāng)艦載機(jī)動(dòng)力剛剛實(shí)現(xiàn)從活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)到噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)渡時(shí)，出現(xiàn)在美軍航母上的起降事故層出不窮，甚至到了要用傷亡率衡量的地步。

早期噴氣式艦載機(jī)在航母上起降時(shí)事故率居高不下

現(xiàn)在對(duì)飛機(jī)的要求又回到了推力上：雖然渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)有足夠的推力實(shí)現(xiàn)高速飛行，但是現(xiàn)在需要提供一種至少在起飛階段推力更強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠使得飛機(jī)的起飛距離盡量短，對(duì)于艦載機(jī)來(lái)說(shuō)，意味著更加安全的起飛。在這個(gè)時(shí)候，人們又想起了已經(jīng)淪為初級(jí)飛機(jī)主要推進(jìn)器的螺旋槳。誠(chéng)然，高速飛行的螺旋槳存在失效效應(yīng)，但是低速的時(shí)候，螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)又有著良好的可靠性和不高的油耗，也難怪低速飛機(jī)從來(lái)沒(méi)有用過(guò)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。

渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理其實(shí)不難，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)有一根主軸，軸的前端是風(fēng)扇，后端是能夠承受高熱的渦輪。工作時(shí)，主軸高速旋轉(zhuǎn)，將前方的空氣吸入發(fā)動(dòng)機(jī)并賦予一定的壓力，壓入燃燒室；燃料被噴入燃燒室，與高壓空氣混合并被點(diǎn)燃；爆燃的燃燒氣體一方面帶動(dòng)渦輪，驅(qū)動(dòng)主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，另一方面噴出形成推力?？梢?jiàn)，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸是渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件；同時(shí)，這是一個(gè)連續(xù)的工作流程，不存在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)分沖程工作的間斷過(guò)程。為此，將噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)主軸延長(zhǎng)，使其帶動(dòng)一個(gè)在外面的螺旋槳，是不是可以既能滿足低速工況下的大推力，又能滿足高速飛行時(shí)保持推力的情況呢？

全集完