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单门前钩——国产军机减速伞舱小考

航空制造网
2017-02-17
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着陆减速伞(下文简称减速伞)也称为阻力伞,是飞机在着陆时施放出来拖于后面的伞具,利用增大空气阻力的原理达到飞机减速的目的,从而减少着陆距离。飞机机轮上的刹车减速作用受最大静摩擦力的限制,在飞机在着陆接地后最初一段滑跑距离内,由于速度较大,飞机具有一定升力,垂直负荷较小,可以理解为飞机的重量没有完全落在机轮上,此时机轮与地面的最大静摩擦力较小,机轮刹车对飞机的减速作用是有限的。而减速伞是利用增大气动阻力的原理使飞机减速的。减速伞产生的气动阻力与飞机滑跑速度成正比,也就是滑跑速度越大,伞衣产生的阻力也就越大,减速作用越明显。而当滑跑速度变小时,它的减速作用也明显降低。减速伞的这一特点和机轮刹车正好相反。在接地最初阶段速度较大时,减速伞的作用明显,机轮刹车作用不大,待飞机速度下降后,机轮刹车作用增加大,减速伞作用则下降,二者配合使用,长短互补,可有效缩短飞机着陆距离。尽管并不是高技术装备,但正是因为其简单、有效、可靠,所以从第一代到第五代喷气式战斗机,从单发的战斗机到8台发动机的B-52轰炸机都有使用,就在连每一千克重量都要仔细斟酌的航天飞机上,减速伞也是固定装备。

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美国当地时间2011年7月21日凌晨,“亚特兰蒂斯”号航天飞机完最后一次任务平安归来,展开减速伞。航天飞机从此退出载人航天的舞台

我国的第五代战斗机歼-20着陆放出减速伞

减速伞在各种飞机上应用已超过半个世纪,但减速伞的外型和运作方式却没有大的变化,其中的原因就是:这是一个从原理到形式,简单明确的装备。减速伞几乎全部装在前三点起落架布局的喷气式飞机上。在飞机主轮接地后,先放出一个小伞,称为导伞,导伞迅速展后从伞袋里拉出主伞,主伞展开后依靠伞衣形成的空气阻力来制动,达到飞机减速的作用。最后,当飞机速度进一步下降时,为避免伞衣被喷气高温烧灼和地面磨擦,飞行员启动抛伞装置,使减速伞与飞机脱离,完成整个使用过程。这时地勤需要快速把减速伞清理出跑道,避免影响后面飞机降落。

着陆时开始放伞的歼-8II,可以清楚的看到导伞展开,正在拉出主伞——实际上,所有飞机减速伞工作过程都差不多

参加“和平使命-2007”联合军演的我军8架歼轰-7A,抵达俄罗斯沙戈尔机场降落。地勤迅速拖走刚抛掉的减速伞

我国飞机使用减速伞从歼-6开始。之前装备的米格-15和歼五/米格-17战斗机,由于着陆速度还不高,没有装备减速伞。这两种飞机其实在前轮都没有刹车装置,只有主轮“两点”有刹车。而到了歼-6,也就是米格-19战斗机,除了“三点”起落架上都有刹车之外,还另外配备了减速伞。米格-19在使用减速伞的情况下,要比仅使用刹车的滑跑距离缩短约30%以上。我们就从米格-19开始说起。将减速伞舱在我国的主要军机上的发展变化作一个简单的梳理,去看看这个并不太起眼的细节。

所有型号的米格-19和早期生产的歼-6的减速伞在使用前,都装在机身上相同的一位置——据《歼-6飞机构造讲义》的文字描述是位于机身第30-33隔框左下方。直观一些的描述是左侧平尾下方,左侧发动机下面靠近机身中线腹鳍的位置。这是一个说起来拗口,看起来也很少注意到的地方。减速伞舱有两扇一大一小向外平开的舱门,且舱门的外形不是规的矩形。

米格-19的仰视图,红圈所示位置即是减速伞舱门

捷克斯洛伐克使用米格-19S,圆圈处是打开的减速伞舱门,这个角度不多见

减速伞迭好后放在伞舱内,主伞通过一根钢索上的挂扣与飞机尾部的减速伞绳固定锁钩相连。后来在使用中发现钢索断裂后会回弹打坏机身蒙皮,所以换成了尼龙绳。在伞绳上有一个被称为“细颈”的装置,它是一个定力拉栓,当主伞产生的拉力超过额定值时会断掉,防止因飞机着陆速度过大,或空中意外放伞时产生的过大拉力,破坏飞机结构。歼-6飞机使用的“细颈”额定值是3660公斤。

减速伞绳挂钩的位置

投(抛)伞动作筒、伞绳固定锁钩、绳扣的结构图。放伞和投伞均由各自的电磁冷气开关控制

米格-19/歼-6早期型着陆减速伞工作示意图

前苏联空军的米格-19着陆放出减速伞

实际上,米格-19是米格系列第一种使用减速伞的战斗机。苏联在这方面的实践经验也是空白。将减速伞舱设计在机腹下方,在使用中暴露出一个很严重的问题——由于减速伞绳的固定锁钩在飞机轴线之下,当减速伞打开后会产生一个很强的低头力距,此时如果前轮未有接地,就会使前轮过重地砸向地面,这很容易折断起落架而发生事故。此时飞行员必须向后拉杆来抑制飞机低头。我军在使用早期歼-6时,这种事故时有发生,起码是三等事故,修复飞机又需要一两月的时间,严重影晌飞行安全和出勤率。所以在歼-6的操作手册上,对着陆放伞的操作有详细的规定——在飞机前轮接地后,(也就是三个轮子都接地以后),而且滑行速度小于250公里/小时,飞行员可以放减速伞。

这个蹩足的规定虽然保证了飞行安全,却使减速伞的作用大大降低。象米格-19这种前三点式布局的飞机,在降落时是两个主轮先接地滑行,待速度进一步降低时,前轮接地。此时飞机已经在跑道上滑行了一段距离,三轮接地后,还要注意等飞机速度降至250公里/小时以下时才能放减速伞,等伞衣完全展开时,飞机已经在跑道上滑行了可观的一段距离。最重要的是,着陆是飞行中最危险的一个阶段,飞行员注意力高度集中以应对各种突发状况,在这种情况下,要做到恰到好处的放减速伞并非易事——投放早了,影响飞行安全,投放晚了,影响减速效果。这样就导致了减速伞不能有效地发挥作用。

其实在米格-19的原产国前苏联,也发现了这个的问题。只是米格-19在前苏联是个地道的过渡机型,在其量产之时,米格-21的原型机已跃上蓝天,两年多之后,米格-21就进入了量产,这个减速伞带来的问题,和米格-19上的各种设计缺陷都被弃之一边。顺便说个故事,我国在仿制米格-19初期,由于原始设计中的液压系统所用助力器的功率不足而引发飞机抖动,但当时找不出问题所在,只好搁置。1961年,时任航空工业局副局长的徐昌裕陪同空军司令刘亚楼赴苏联进行引进米格-21的谈判期间,参观了高尔基市飞机制造厂。徐昌裕问该厂总工程师:“你们生产的米格-19抖不抖?”苏联人回答:“抖。”徐昌裕再问:“你们是怎么解决的?”苏联总工程师指了指正在批生产的米格-21说:“现在都解决了,没问题了,米格-19已经停产了。”

中国自1958年开始在沈阳飞机制造厂(沈飞)仿制米格-19P型飞机。大约在1970年左右将减速伞舱由机腹上移至垂尾根部,伞绳的固定锁钩也随之移到伞舱内,这样就位于机身的轴线之上。当减速伞打开后,会产生一个抬头力矩,飞行员就不必刻意想着向后拉杆的问题。这符合前三点式起落架飞机着陆的操作习惯。因而飞机可以在较快的速度下放出减速伞,以歼-6为例,放伞时的时速可以提高到280公里。有经验的飞行员甚至可以在机轮接地前2米左右的高度就开始放伞动作,等机轮接地之后,减速伞已经全部展开,达到最好的减速度效果。并可以大幅降低轮胎磨损。这种上移到垂尾根部的减速伞舱外型呈纺棰型,舱门是左右对开的,减速伞绳的固定锁钩位于圆柱形伞舱内的后下部,所以简称为“双门后钩”。从型号上看,在可以确定是“沈飞”产的歼-6上,使用的都是这种结构的上移减速伞舱。当时除了“沈飞”之外,“贵航”和南昌飞机制造厂,即后来的“洪都”也生产过歼-6。至于“双门后钩”能不能成为“沈飞”产歼-6区别于其他厂的识别特征,还有待考证。

减速伞舱上移后,位于机身轴线之上

着陆中的“枭龙”01号原型机。减速伞舱位于机身轴线之上,前轮还没接地,伞衣已经完全展开,产生的抬头力矩作用明显。注意垂尾上的“Super-7”显示着它与歼-7深度改进型“超七”项目的渊源

笔者在沈飞航空博物园内拍摄的歼-6“双门后钩”伞舱特写

歼-6呈打开状态的“双门后钩”式减速伞舱特写。箭头所指位置是跟随伞舱一起上移的减速伞绳固定锁钩。林硕摄于2010年珠海航展

试飞院使用“双门后钩”的“沈飞”产歼-6III。注意歼-6III有两个版本,“沈飞”产的机头如上图,带有辅助气门和进气锥,称为歼-6IIIB,“贵航”产的歼-6III使用和基本型歼六一样的机头,称为歼-6IIIA,这种歼-6III和基本型歼-6很难区分

歼教-6是沈飞的独家产品,所有的歼教-6都使用了“双门后钩”减速伞舱

歼教-6尾部保护器(也称抗磨座)后面的减速伞绳固定锁钩已经取消了。歼教-6为增强纵向稳定性安装了一对尾鳍,所以出现了歼-6家族中独特的三道尾鳍的结构

位于沈阳航空航天大学院内的“沈飞”产歼-6IV,有“双门后钩”减速伞舱

“沈飞”产的歼侦-6也装备“双门后钩”减速伞舱

至于沈飞从什么时间开始把减速伞舱上移至垂尾根部,笔者没有查到确切时间。一般认为,1969年2月开始研制,并于同年7月首飞的歼-6III是第一种将减速伞舱上移的歼-6型号。但是歼-6III是不是从1969年一开始设计就将减速伞舱上移,却无法得到佐证。因为针对歼-6III存在的问题,1973年8月“沈飞”开始了歼-6III的改进型研制,即“歼-6III改”,改进项目之一就包括将减速伞舱上移。1975年11月,中央军委又决定将“沈飞”和“贵航”生产的所有歼-6III全部返修(注意不是歼-6III改),“主要解决操纵过于灵敏问题,同时将减速伞舱上移,加挂导弹”,返修工作直至1980年5月才结束。由此笔者判断1969年时的歼-6III,并没有将减速伞舱上移。而是在后期加上去的。始于1973年的“歼-6III改”是第一种将减速伞舱上移的歼-6型号。但是不能排除在1973年之前,“沈飞”已经掌握了减速伞舱上移的技术,并应用到除了歼-6基本型上。就是1961-1964年为彻底解决歼-6的生产质量问题,进行的“优质过关”活动中重新仿制的米格-19S。除了新生产的飞机以外,很多之前生产时没有把减速伞舱上移的歼-6,是在大修时接受了这种改装。有资料显示这个改装技术难度并不大,有些歼-6是在有大修条件的部队接受这种改装的。

至于这项技术来源有两种说法,一种是参考了美军的资料,根据歼-8II总设计师顾诵芬院士的回忆录《我的飞机设计生涯》中提到,在1964年“沈飞”接触过F-4残骸。推断是来自越南战场。另一种说法是在接触了朝鲜装备的米格-21之后,参考设计出来的。我国在上世纪六七十年代与朝鲜有过广泛接触,朝鲜也确实装备有米格-21PFMA(Fishbed-E),这是一种将伞舱上移,并有类似“双门后钩”结构伞舱的米格-21。这种飞机在2010年8月还掉到我国辽宁省抚顺市境内一架,飞行员遇难,按官方说法是飞行员迷航了。从最后“双门后钩”的结构上看,笔者更倾向于后者。

在2016年上映的电影《萨利机长》(Sully)中,可以看到F-4完整的降落放伞过程

朝鲜人民军空军装备的米格-21PFM,注意垂尾下的减速伞舱外型

米格-21的减速伞舱打开是这样的

除了上面所说的“双门后钩”式减速伞舱外,更晚一些生产的歼-6还装备着一种外型和结构与之不同的“单门前钩”式减速伞舱。从飞机的型号上看,装备这种减速伞舱的歼-6应该都出自“贵航”和“洪都”。这种减速伞舱的出现时间比较明确,在歼-7的改进项目中,由“空装所”研制成功,1975年6月16日“成飞”在歼-7I型飞机上完成了改装。这新伞舱采用了向上开启的单门,伞绳的固定锁钩移至伞舱前端,所以简称为“单门前钩”,它的撞钩式主锁具有空中假锁能力,可以有效防止意外开伞,结构可靠性高。后来成为了歼七家族、歼-10、枭龙,歼轰-7等国产军用飞机的固定装备。这个在歼-7上应用成功的技术,也“下嫁”到了当时大量生产使用的歼-6飞机上。

使用“单门前钩”式减速伞舱的歼-6

使用“单门前钩”减速伞舱的歼-10A,此时减速伞已经用完抛掉。减速伞舱门使用后不能自行关闭,需要地勤去操作关闭

除“沈飞”外,1970年以后,“贵航”也开始生产歼-6和歼-6III。1973年开始又生产“沈飞”早已停产的歼-6甲型飞机,称为歼-6新甲。这种飞机较之原型——米格-19P/歼-6甲(东风103)在外型上明显的特征区别,除了将原来2门23毫米航炮换成30毫米航炮以外,就是全部有“单门前钩”减速伞舱。

陈列于辽宁省锦州市的辽沈战役纪念馆的歼-6新甲,注意后面的“单门前钩”减速伞舱

还是辽宁战役纪念馆里的同一架飞机,大约在2014年,这里的飞机被统一修缮刷成了“大白”,机身上的涂装信息荡然全无

歼-6新甲是新生产的机体,机身上的减速伞舱已经不见了。尾部保护器后面的减速伞绳锁钩也取消了

至此,减速伞舱在歼-6上的变化先告一段落。米格-19在前苏联的生产时间只有两三年,却因为种种原因,在中国却生产了长达25年,使用时间更是长达40余年。并在这其间不断改进完善米格-19的原始设计缺陷,比如双发同时启动、无线电罗盘脊背天线、重力加油等等。外观上最明显的改进就是这个上移的减速伞舱,并可以做为区别国产歼-6和米格-19的绝对特征,前苏联和其他国家生产的所有型号米格-19都没有将减速伞舱上移。经过几十年的使用和改进,可以说,最好的米格-19就是中国产的歼-6。顺使说一句,小号手1/32和1/48的各型歼-6飞机,都没有“单门前钩”减速伞舱,如果用到这个细节需要自制。

巴基斯坦空军使用的歼-6,全部是“双门后钩”,要么是没有减速伞舱的早期型

埃及同时装备了米格-19和歼-6。从“单门前钩”的减速伞舱上看,应该是歼-6新甲

再说歼七。众所周知,歼七的原型机是前苏联的米格-21F-13型。这是米格-21的早期型号,它的减速伞舱的位置和米格-19也大至相同,都在机身内。运作方式也是一样——带来的问题也是一样的。前苏联一直到米格-21PFS时才将减速伞舱上移。下面这张图是十年前,一个国内模型高手的REVELL 1/72 米格-21-F13作品。作者名字记不住了。真实的再现了装伞后的情形,箭头1所指的是位于机身内的减速伞舱,箭头2是在尾鳍上为固定伞绳开出的凹槽,箭头3是最精彩的部分,再现了伞绳的挂扣挂在了固定钩上。这个细节实在找不到照片了。

这个细节是作者自己加上去的。我很惊奇他能做出这个很不为人关注的细节

本人拍摄自沈飞航空博物园院内的歼七I。带有“单门前钩”伞舱,注意同时它还有机内减速伞舱。说明这是一架早期型歼七后加装上去的,或者是试验机。该馆的飞机状态相对完好,只是被乱喷过多次,涂装信息早已变得不可考

减速伞舱门、尾鳍上的固定伞绳的凹槽,尾鳍末端的减速伞绳固定锁钩。当减速伞舱上移后,这些结节都不见了

减速伞绳固定锁钩特写

歼七先由“沈飞”试制成功,之后全部转到“成飞”开始了漫长的改进生产。“单门前钩”减带速伞舱研制成功之后,成了歼七家族的制式装备。除少数歼七基本型以外,1975年之后的所有型号歼七都装有“单门前钩”速伞舱。这也是国产歼七家族,区别于更为繁杂的米格-21系列飞机最明显的标志。国产歼七要么没有上移减速伞舱,要么就是“单门前钩”。而所有型号的米格-21,要么没有上移减速伞舱,要么就是类似“双门后钩”的减速伞舱。

全世界的米格-21的减速伞舱都是这个样子的

记住“单门前钩”这个特征时,就不会被涂装迷惑了。这是伊朗的歼教七

地勤小哥正在给歼教七装减速伞。减整伞舱上移后,再也不用钻到飞机底下装伞了,效率明显提高

歼-8飞机的减速伞舱设计最开始是在机身内的,这在当时明显是受了歼-6飞机设计的影响。虽然歼-8飞机1980年才开始服役,但项目立项是在1964年,1969年首飞。这个项目起源甚至可以追溯到1958年的“东风113”项目。而1958年我国刚开始仿制歼-6,歼-6作为当时国内唯一一款双发战斗机,其设计对歼-8的设计影响深远。所以从时间上看,歼-8在设计之初没有将减速伞舱上移也是在情理之中的事。歼-8飞机和有减速伞相关的照片非常少。其实歼-8飞机着陆时是很依赖减速伞的,歼-8和歼-8II的前轮是没有刹车的。歼-8的减速伞仓位于机身内,位置更为“隐蔽”,在机身后部两台发动机中间。平时的视角根本看不见。

歼-8的减速伞舱大约在这个位置

笔者在沈飞航空博物园院拍摄的歼-8,同样被COSPLAY成现在的空优灰色

歼-8的减速伞舱门,镜头方向是飞行方向。箭头是舱门上伞绳的出口

歼-8的伞绳固定锁钩。伞绳从伞舱出来后,沿两排铁扣到达固定锁钩,防止随意摆动。由此推断歼-8应该同时使用2具减速伞

歼-8和歼-8II的前轮结构非常简洁,没有刹车机构

歼-8的后期型把减速伞舱上移了。装有“单门前钩”减速伞舱。

摄于辽宁省锦州市塔山战役纪念馆中的歼-8E,是国内少有的收藏型号。涂装是非常有时代特征的经典白色,只是抹去了机号

尾部特写,注意“单门前钩”减速伞舱。垂尾上的这个编号是入馆的年月。除了机号,其他涂装信息完好

到了“沈飞”的明星产品歼-8II时,这个减速伞舱又变成了“双门后钩”。其中的原因不明。据公开资料,歼-8II在设计时大量参考了米格-23的技术,最明显的是进气道口和可折叠的尾鳍。下图中就是1978年我国从埃及得到米格-23。如果说歼-8II的减速伞舱受到了米格-23的影响,但其外型又和米格-23有较大不同,米格-23的减速伞舱的外型直接借鉴了米格-21。有意思的是,歼-8II的减速伞舱和其在苏联的远房兄弟——苏-15的非常相似。虽然可以证明歼-8II和苏-15,是航空界并不少见的“相同需求下产生的相似产物”。但这个有趣的相似细节,还会引发一些联想。

三者侧视图,由上到下:米格-23、歼-8II、苏-15。苏-15在设计之初也考虑了米格-23的可折叠腹鳍,原型机上也有歼-8II的“蜂腰”气动外型。但后来苏霍伊认为可折叠的腹鳍会增加机械复杂程度而没采用,取而代之的是直接增大垂尾面积,“蜂腰”气动外型被认为会增加制造难度,还会减会机体内空间而被取消。由此带来性能上的损失由换装更大推力的发动机弥补,而这正是我国航空工业的短板

强-5由当时的南昌飞机制造厂参照米格-19设计生产的,所以米格-19有很多相似之处。强-5的早期型减速伞舱也在机身内,位置与歼-6差不多,但是由于强-5安装了两片腹鳍,所以减速伞舱的舱门更靠近机身中线。强-5I之后的型号开始上移了减速伞舱,所有的强-5都使用“单门前钩”减速伞舱。

早期型的强-5减速伞舱是没有上移的

辽宁省锦州市的辽沈战役纪念馆里2009年入驻的强-5基本型,其特征是有机腹弹舱,机腹有一对挂架。机首空速管和航炮已经缺失。注意它有“单门前钩”的减速伞舱。这张照片摄于2011年夏天 ,此时这里的飞机还保持着原始的白色涂装,没有基座

后来飞机安装了基座,可以很方便的看到机腹的细节。这张图摄于2016年,可以看到机腹上的减速伞舱门。它并不在机身中线上,而是偏左

摄于沈飞航空博物园里的强-5减速伞舱特写,里面的机构有缺失

伞舱到底多大呢?直径正好能放下一个水瓶

强-5的后机身高度较低,地勤小哥不用爬梯子就能完成装伞

结束语

比起雷达、发动机等设备来说,这个小小的上移减速伞舱显得很不起眼,但它也是我国军用飞机技术发展积累的一个成果,尤其是我国长期生产改进歼-6飞机的一个特征。如今一些飞机不使用减速伞了,比如教-8中级教练机和练-15高级教练机。除了两种飞机自身有良好的低速性能外,现在的机轮刹车的材料和性能都有长足的进步。另外象轰油-6这种大型飞机,也是使减速伞的,由于资料的缺乏没有在讨论之列。本文内容是笔者依个人爱好据公开资料整理出来的,有问题和错误也希望同好能指出探讨。信箱:J-15@QQ.COM

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