187. 折叠翅膀是个技术活——二战美国航空母舰多装飞机的秘诀

subtitle 燃烧的岛群03-25 19:47 跟贴 13 条

本文是“燃烧的岛群”第187篇原创文章。全文共5973字,配图35幅,阅读需要11分钟。本文得到多年好友wildcat的启发和协助,此公堪称人肉搜图引擎。

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图1. 日本海军“凤翔”号是第一艘专门设计建造的航空母舰

当人们开始往军舰上装飞机的时候,还没有搞清楚这种叫做“航空母舰”的新概念军舰到底能派上多大的用场?加上早期的飞机也是一种新鲜玩意,典型的特征是脆弱——马力小、载弹少、航程近、武器弱,还容易受到天气影响无法出动,跟初代火枪刚出现时一样,拆台的远多于捧场的!(关于早期火枪的发展简史,欢迎到同名公号搜索关键词:火器时代,共三篇)

图2. 一战中的舰载机仍是以侦察者的身份参战为主

的确在那个时间点,和威武雄壮排水量已达3万吨的战列舰相比,早期飞机那可怜的几十公斤装药量真让人看不上眼。第一次世界大战中,舰载机就曾作为一种侦察兵器参加了海战,军界大佬们普遍认为舰载机能把这事干好已经可以了,消灭主力舰还得靠同等级别的主力舰!

图3. 日德兰海战是巨兽之战,但是舰载机已经开始崭露头角

然而航空发动机和航空技术的发展速度远远超过的普通人的想象力(关于早期飞机发动机的发展,欢迎到同名公号搜索关键词:航空发动机),飞机迅速朝着更高、更快、更强的永恒规律狂奔而去,舰载机诞生20年后,已经可携带航空鱼雷,对水面的巨无霸们形成极大的威胁。但是由于“海军假日”带来的一段全球和平时光,没有合适的战例来说明飞机和巨舰之间此消彼长的实力变化。

图4. 东北空军几乎全部是一战后航空大发展时期的过渡机型

1931年因“九一八事变”而被日本关东军全部抢走的东北空军,其作战飞机的构成就显得尤其“老旧”(关于东北空军构成,欢迎到同名公号搜索关键词:东北空军),而到了1937年全面抗战爆发时,新型飞机就层出不穷冒出来了。值得一提的是,日本海军在长江江阴水面出动上百架次,通过高空水平投弹和俯冲轰炸这两种方式击沉了中国海军几乎所有的主力舰(关于这个战例,欢迎到同名公号搜索关键词:江阴海战),让世界各国第一次看到了航空兵对水面舰艇的巨大威胁。

图5. 江阴海战是海军航空兵对水面舰艇的一次强有力的挑战

就这样,舰载航空兵开始走上了舞台的前沿。如果说德国装甲兵是陆军中的一只骄傲的黑天鹅,那么舰载航空兵也是海军中后来居上的兵种,航空作战才代表着海上作战的正确发展方向。搞清楚这个之后,剩下的问题就是如何把舰载机搞得更大、更高、更强和更多了!

图6. 在英国航空母舰上飞翔的“剑鱼”攻击机,塔兰托的明星机型

为了多装飞机,有限的航母甲板和机库空间让设计师们废了点脑筋。一般来说,要么控制飞机的尺寸,要么增大母舰的空间,似乎这只是个简单的问题,但是英国人的创新精神又一次得到了发挥(同理的还有坦克、雷达和无畏舰),他们率先弄出了折叠翅膀的方法!本文无意也无能力将所有可折叠机翼的机型一一列举,只能列举几种典型的折叠方式,一求抛砖引玉。

图7. 折叠机翼后的“剑鱼”,像只大苍蝇一样趴在甲板上

值得一提的是,英国是最早成立第三军种——空军的大国。早在1918年,英国陆军和海军所属的航空兵就合并为英国皇家空军,1924年4月,英国皇家空军舰载航空兵成立,开始了两个军种在舰载机方面的合作,但由于两大军种在资源分配上不可避免的争夺,英国舰载航空兵没法跟在美国和日本的同行一样获得长足的进步。

图8. 英国航空母舰甲板上的剑鱼,注意前方的飞机都处于机翼折叠状态

在我们回顾三大海军强国航空兵代表人物时,日本有曾任海军航空本部部长的山本五十六(关于此公可以到同名公号搜索:山本五十六),美国有航空作战理论的前驱者米切尔(关于此公的部分事迹可到同名公号搜索:米切尔),而英国人的名字是缺失的。直到1935年,英国海军才重新开始建立航空兵部队,一直拖到1939年5月,皇家空军才正式将舰载航空兵指挥权归还给皇家海军,此时距离英德战争爆发只剩下区区四个月。

图9. 正在折叠机翼的“剑鱼”,注意其向后方收起的折叠方式

统管一切飞行机器的英国空军出于本土防御的角度,只搞出来一堆短腿的“飓风”和“喷火”式战斗机(关于喷火和零战的交手,可到同名公号搜索:喷火和零战),适合海上长距离作战的舰载战斗机极其匮乏,到二战爆发时,英国还在使用双翼的“海上角斗士”战斗机,太平洋战争爆发后,英国人不得不大量采购美国生产的“野猫”、“地狱猫”和“海盗”作为舰载机。

图10. 正在通过升降机进出机库的折翅剑鱼

最早的一款批量生产的折叠机翼舰载机就是大名鼎鼎的“剑鱼”式攻击机,这款设计于1933年双翼飞机提出了携带鱼雷攻舰的要求,并可以对上下两个机翼同时进行折叠。其折叠的方式也是简单粗暴的:以两个机翼中后部的两根支撑杆为轴心,将机翼往后方折叠,折叠后的机翼与机身平行,有点象折断机翼,这样对机翼结构强度自然是有影响的,但对于一款时速才230公里的双翼机,这点影响倒也没啥。

图11. 浮筒型剑鱼攻击机的四视图,可对比折叠前后尺寸

正常飞行状态下,剑鱼的宽度是13.87米,折叠后的机身宽度下降到约5米,从上方来看,形似一只趴着的大苍蝇。正是因为这款会折翅膀的“剑鱼”,让英国航母舰载机数量有了提高。

图12. 1938年正在通过“百眼巨人”号航母升降机的“剑鱼”

值得一提的是,英国在欧洲的近邻和死对头德国,也在1937年为建造中的齐柏林号航空母舰设计了一款双翼鱼雷攻击机Fi-167,为了便于舰上携带,这货的机翼折叠方式几乎与剑鱼一模一样,山寨妥妥的!

图13. 折叠机翼后的德国舰载鱼雷机Fi-167

但是展开机翼后的Fi-167得益于其液冷发动机的修长鼻型,颜值上相比“剑鱼”可高出了不止一个档次。

图14. 德国版“剑鱼”——Fi-167舰载鱼雷轰炸机,注意修长机身带来的高颜值

英国大表哥的创意很快被美日等同行们抄了过去,他们没有在双翼机上浪费时间,而是直接应用在30年代中期刚开始流行的单翼机上。第一款值得一提的著名舰载机,就是中途岛海战中发起死亡突击的TBD“蹂躏者”式鱼雷轰炸机(可惜他们惨被蹂躏,这个故事可以到同名公号搜索:中途岛,共5篇)。

图15. 中途岛海战中,冒着日军漫天炮火发射鱼雷的TBD鱼雷机

TBD是一款大型飞机,翼展达到15.24米,通过向上折叠机翼可以缩小一半的翼展,而且这种折叠方式简单明了,一看就明白,一学就会。

图16. 模型作品,折叠翅膀后的TBD,注意编号表示为VT-8中队第14号机

一般来说,为了节约航母空间而增加可折叠机翼的设计,毫无疑问增加了机翼的复杂度,破坏了整体结构强度,所以早期只在大型舰载机上使用。

图17. 描绘大黄蜂号上VT-8中队出动的场景,注意前景的TBD尚未展平机翼

就连中途岛的明星机型——SBD“无畏”式俯冲轰炸机,虽然翼展也达到了12.65米,但由于采用了蜂窝晶格的机翼结构,机翼无法折叠。这个毛病到了太平洋战争中后期仍被吐槽:对于机库空间有限的航空母舰而言,“无畏”式机翼不能折叠的缺陷实在是一宗罪过。

图18. 1942年6月中途岛海战期间,企业号航母上的VT-6鱼雷机中队,机翼向上折叠

不过还是有一艘新锐的轻型航母装备了最后的“无畏”式SBD-4,那就是“独立”级轻型航母的首舰“独立”号。舰上第22轰炸机中队的飞行员们驾驶着“无畏”式参加了1943年对马尔库斯、威克和塔拉瓦岛的空袭,直至被折叠机翼的“复仇者”式鱼雷机所取代。

图19. 现代复原模拟的零战21型可折叠机翼

太平洋彼岸,自号第三海军强国的日本海军一直拥有着一批志在“航空报国”的核心人物,对发展舰载机不遗余力,在1940年定型的著名的零式舰上战斗机上(关于零战的故事,可到同名公号搜索:零战,共3篇),日本人第一次在战斗机上设计了可折叠机翼。

图20. 正在港口吊装中的零战21型,注意向上折叠的翼尖

不过可能是出于控制机体重量的原因,零战并未象TBD一样在机翼中部截断增加折叠铰链,而是只在翼尖做了小幅度的向上折叠的设计,这样做只能稍微减少翼展(每侧可减少50厘米)。最初的舰载型零战21型的翼展达到12米,折叠后的翼展大约减少了1米多,日本航母的升降机宽度仅比12米略宽一点点,因此折叠后的零战才能够顺利通过升降机下降至机库。

图21. 零战32型,注意两侧的方型机翼尖

到1942年4月定型生产的零战32型时,又将零战21型主翼翼端可往上折叠的圆弧套件取消,直接改成方形翼端以缩短翼幅。这个改进虽然减轻了地勤人员的负担,并使零战32型借此提高了速度/加速性/滚转率/俯冲速限,变得更适于和倾向高速打带跑与擅用滚转的战机对抗,但是恶化了失速特性,是一种不甚成功的改型。

图22. 零战52丙型,可见增加了火力改善了整流罩,但机翼已不可折叠

产量最大的零战改型——零战52型虽然将翼尖形状改回了圆形,但取消了可折叠的设计,至于通过航母升降机的问题,则直接把零战52型的翼展设计成跟零战32型一样的11米,另外增加的驾驶舱装甲和自封闭油箱虽然改善了飞行员的生存能力,但也导致零战52型失去了零战21型的超大航程和轻盈的操作性,变成了一架平庸的飞机。也难怪在《永远的零》里面,神风主人公最后送死前换飞机时还要加上一句“我还是喜欢早期型号的零战”。

图23. 《永远的零》剧照,猪脚是一名自始自终的零战飞行员

实际上,零战的折叠机翼就不是为了省地方多装飞机的目的而来,反而被认为是一种增加地勤工作量的累赘设计,所以说日本航空母舰到后期越来越少的载机量和出击效率,跟轻视折叠机翼的设计有很大关系。

图24. 找了很久才找到一张不太清楚的九七舰攻折叠机翼照片

当然,大型舰载机还是有折叠机翼设计的,比如著名的三座大型机九七舰攻,就有着与TBD类似的向上折叠机翼的设计,不过为了降低机体复杂度,量产型的九七舰攻采用的是人力折叠机翼,而非原型机设计时的油压折叠。每次九七舰攻出击回来后第一件事就是一群鬼子地勤跑过去折翅膀,这画面太美都没法看!

美国人初期的主力战斗机——野猫在设计之初也没有考虑折叠机翼,这是因为野猫的宽度仅有11.58米,通过升降机一点问题都没有,但是为了多装飞机,美国海军还是向格鲁曼公司下达了增加机翼折叠设计的要求,此时不可折叠机翼的F4F-3型已经定型生产并装备了美国海军。

图25. TBD鱼雷机为代表的向上折叠方案是最初的主流方案

此时主流的折翅方法就是向上折起,但是单纯增加铰链不仅影响了机体结构强度,而且收起和展开时对机库的高度要求也变高了。因此为了能够兼顾舰载机的收纳、结构强度和机库设计高度的矛盾,格鲁曼公司决心拿出一种全新的机翼折叠方案。

图26. 格鲁曼本人用橡皮和曲别针在验证他的折叠机翼方案

格鲁曼最早的想法来自于一块橡皮和两个曲别针,格鲁曼把橡皮假设为机身,把两个作为机翼替代品的曲别针先垂直插进橡皮,再不断调试曲别针插入的角度,使其既可以垂直于机身模拟机翼展开的姿态,又可以把曲别针紧贴着橡皮收起。这就是倾斜轴的原理,即在翼根的一个支点以一定角度向外和向后投射到机翼的可动部分,最终使机翼可以贴合在机身上。

图27. F4F-4“野猫”的曲别针式折叠机翼方案

为了修改加装格鲁曼设计的折叠翼系统,格鲁曼将“野猫”的机翼分成了基础连接机翼面和折叠外翼面,中间由一道不会干扰向后收起的曲折折线分开,并由设置在主翼梁上的倾斜轴进行机翼的收放控制。格鲁曼的设计没有直接拆分主翼梁,而是借助倾斜轴有机结合在一起,机体强度超过传统折叠方式。通过这一设计,“野猫”F4F-4型成功的把翼展控制到4.4米以内,极大减少了空间占用,这个设计一直沿用到后来的F6F“地狱猫”和TBF“复仇者”上,甚至一直到上个世纪70年代的大型舰载机设计上。

图28. 1942年8月,“小鹰”号飞机输送舰正在向“长岛”号护航航母吊送一架折叠机翼的F4F-4

折叠机翼的成果可谓是立竿见影,1942年5月珊瑚海海战时的“约克城”号仅能携带18架不能折叠机翼的F4F-3,而在“约克城”号被击伤并返回珍珠港紧急修理三天后,再次搭载原属于“列克星敦”号的VF-3时,搭载数量立马上升到27架——VF-3装备的是可折叠机翼的F4F-4。

图29. 交付给英国空军的欧洲版“野猫”——“岩燕”MK2型,注意折叠机翼

折叠机翼版的“野猫”同样受到了英国大表哥的欢迎,由于英国航母侧重提高装甲防护能力,机库空间相对有限,非常喜欢象“野猫”这种机身粗短又能够大幅折叠机翼的舰载战斗机,主要用于对付德国人的大型远程巡逻机,英国人将他们定制的“野猫”称为“岩燕”。

美国人后来的舰载机设计多采用了这种折叠机翼设计,从而反复刷新了航空母舰舰载机数量的记录。比如在满载排水量仅有33000吨的埃塞克斯级航母上,美国人塞进了多达100架舰载机并能够有效运作。值得注意的是,这是在后期美国舰载机尺寸都有所增加的情况下做到的。相比较之下,43000吨的“列克星敦”号航母只能装载91架舰载机,通常只能有效运作73架,另有9架备用。

图30. CV-11“无畏”号上的F6F和TBM均采用向后折叠,SB2C则向上折叠

日本人那边就更惨了,36500吨的赤城号号称能载机91架,实际只能有效运作66架,另有25架处于零件状态备用。34200吨的装甲航母“大凤”号只能载机61架,这是因为日本后期舰载机尺寸也有所增加,而舰载机操作效率并未有多少提升。73000吨的巨型航空母舰“信浓”号只能载机65架(后来又进一步降低到47架),这跟其改造自战列舰的舰体结构有关,但也说明了日本舰载机运作能力的低下。

图31. E2C“鹰眼”预警机至今仍采用向后折叠方式

美国人在二战中建造的最大型航空母舰“中途岛”号满载排水量约60000吨,初期可搭载的螺旋桨式飞机数量高达145架,几乎是“信浓”号的三倍!“埃塞克斯”级和“大凤”号这两个相同重量级的对手之间,美军搭载量也是日本人的接近两倍,这还是日本人专门设计的快速舰队航母!

图32. 海喷火的两端折叠机翼的奇葩方式

其他一些奇葩而小众的折叠机翼方法,在本文就不再赘述,放几张图过过瘾,需要特别提示的是,最奇葩的方案还是来自于貌似古板的英国人。

图33. 丑出天际的折叠:英国“塘鹅”预警机

时至今日,在越来越大型化的舰载机面前,航空母舰的空间永远是那么有限。不过由于现代舰载机的机身和机翼设计都发生了较大变化,二战中由格鲁曼发明的折叠方法不再是最优方案,而是大部分改回了向上折叠,比如“辽宁”号上的歼-15。还有一些采用可变后掠翼设计的飞机如F-14“雄猫”就采用了“互相插入”的基友模式。

图34. 最基情满满的舰载机折叠方式:互相插入

“野猫”F4F-4型率先发明的折翅方法,远观上去就像一只收起翅膀的鸽子,所以说在那个时期,多装飞机的秘诀其实就是象鸟儿一样飞翔,象鸟儿一样折翅膀!

图35. 歼-15舰载机,主翼和水平尾翼均可向上折叠

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