李曉華,王 海,楊 林,劉 康
(1.海軍研究院,上海 200436;2.92074部隊(duì),浙江 寧波 315000)
美航母編隊(duì)平均每年在海上活動時間長達(dá)6個月以上,航母編隊(duì)的后勤保障工作有一半以上是在海上進(jìn)行的。航母戰(zhàn)斗群典型補(bǔ)給周期為4天左右,加之后勤保障條件苛刻,困難較大,所以海上已成為保障的主要方向。美海軍堅(jiān)持以在作戰(zhàn)海區(qū)為航母編隊(duì)提供可靠的物資資源作為海上保障的重點(diǎn)。美海軍航母編隊(duì)的海上補(bǔ)給模式及補(bǔ)給船編成就是建立在這個基點(diǎn)上的。海上補(bǔ)給不僅能有效擴(kuò)大艦艇的作戰(zhàn)半徑,延長執(zhí)行任務(wù)時間,還能持續(xù)保持戰(zhàn)斗力。海上補(bǔ)給使艦艇不必為取得自身補(bǔ)給而往返于作戰(zhàn)海區(qū)和補(bǔ)給基地之間,避免了沿途遭受攻擊或削弱一線戰(zhàn)斗力量的風(fēng)險。因此,海上補(bǔ)給是現(xiàn)代化海軍必不可少的海上后勤保障手段。發(fā)達(dá)國家海軍都非常重視海上補(bǔ)給能力的發(fā)展與提升。海上補(bǔ)給主要包括航行縱向補(bǔ)給、航行橫向補(bǔ)給、靠幫補(bǔ)給和航行垂直補(bǔ)給等方式[1]。
垂直補(bǔ)給是指通過艦載直升機(jī)在補(bǔ)給艦和接收艦之間傳送貨物等。垂直補(bǔ)給被各國認(rèn)作最為迅捷而有效的海上補(bǔ)給方式,是一種重要的海上補(bǔ)給方式。該方式可以同時為多艘艦艇提供補(bǔ)給;既可以遠(yuǎn)距離的海上補(bǔ)給,又不存在補(bǔ)給船與受補(bǔ)給艦之間的復(fù)雜點(diǎn)位問題;補(bǔ)給速度快,機(jī)動性強(qiáng);既適用于艦艇航行狀態(tài),也適用于艦艇錨泊狀態(tài)。因此,垂直補(bǔ)給在各國海軍廣泛應(yīng)用[2]。
1959年,美國海軍首次利用直升機(jī)成功實(shí)現(xiàn)應(yīng)急物資的運(yùn)送。美國現(xiàn)役補(bǔ)給艦均搭載運(yùn)輸直升機(jī),而且大中型作戰(zhàn)艦艇所載直升機(jī)在必要時也可進(jìn)行垂直補(bǔ)給。美國海軍的垂補(bǔ)數(shù)量占到海上干貨補(bǔ)給總量的30%以上。盡管垂直補(bǔ)給費(fèi)用昂貴,但由于占據(jù)時空優(yōu)勢,現(xiàn)已成為海上補(bǔ)給的主要手段[1]。
本文基于國外艦載直升機(jī)垂直補(bǔ)給發(fā)展現(xiàn)狀,從不同方面探討制約垂直補(bǔ)給能力的原因,針對問題提出可行性意見和建議,以期為海上補(bǔ)給能力的發(fā)展與提升起到牽引和支撐作用。
艦載直升機(jī)機(jī)動靈活,運(yùn)輸效率高,補(bǔ)給設(shè)備簡單,人力需求少,能夠在較高海況下工作。垂直補(bǔ)給是一種立體補(bǔ)給方式,通過艦載直升機(jī)在補(bǔ)給艦和接收艦之間運(yùn)載物資,是最快速有效的補(bǔ)給方式。
垂直補(bǔ)給按作業(yè)方式不同,可以分為絞車吊掛補(bǔ)給、鋼纜吊掛補(bǔ)給和連桿吊掛補(bǔ)給等。
1)絞車吊掛補(bǔ)給,吊掛點(diǎn)一般在機(jī)身側(cè)邊,受飛行安全及絞車性能約束,吊掛重量遠(yuǎn)小于直升機(jī)外吊掛最大載荷。
2)鋼纜吊掛補(bǔ)給,吊掛點(diǎn)一般在機(jī)腹,通常在旋翼軸下方。該方式能夠充分發(fā)揮直升機(jī)外吊掛性能,但是每次補(bǔ)給作業(yè),直升機(jī)需起降,相關(guān)補(bǔ)給系統(tǒng)復(fù)雜,準(zhǔn)備時間長、作業(yè)繁瑣。
3)連桿吊掛補(bǔ)給是現(xiàn)在歐美海軍垂直補(bǔ)給的主要方式。該方式完美解決了鋼纜吊掛補(bǔ)給的缺陷。吊掛連接桿與貨物相連,補(bǔ)給作業(yè)時將吊掛連接桿掛到直升機(jī)機(jī)腹下的貨物掛鉤上。直升機(jī)不需要頻繁起降,簡單快捷高效。
艦載直升機(jī)一般搭載于補(bǔ)給艦,對接收艦進(jìn)行補(bǔ)給作業(yè)。如美國“薩克拉門托”級快速戰(zhàn)斗資源艦搭載了3架“海騎士”直升機(jī),“劉易斯和克拉克”級彈藥干貨補(bǔ)給船搭載了2架MH-60R“騎士鷹”直升機(jī);俄羅斯“別烈津河”級綜合補(bǔ)給艦搭載了2架“卡-25C”直升機(jī);英國“格蘭杰堡”級補(bǔ)給船搭載了4架“海王”直升機(jī);法國“迪朗斯河”級綜合補(bǔ)給艦搭載了1架“山貓”多用途直升機(jī);日本“摩周”級補(bǔ)給艦搭載了2架“CH-53E”直升機(jī)。艦載直升機(jī)垂直補(bǔ)給作業(yè)如圖1所示。垂直補(bǔ)給能力主要取決于艦載直升機(jī)的性能。各艦載直升機(jī)性能參數(shù)如表1所示。
表1 補(bǔ)給艦搭載的直升機(jī)性能對比[3]
圖1 艦載直升機(jī)實(shí)施垂直補(bǔ)給
艦載直升機(jī)垂直補(bǔ)給作為一種高效快捷的補(bǔ)給方式,利用直升機(jī)吊掛投放系統(tǒng)吊掛運(yùn)輸貨物,不受地理環(huán)境、交通、海況、貨物體積形狀等限制,具有其他補(bǔ)給方式無法比擬的優(yōu)勢。以美國和俄羅斯為首的軍事強(qiáng)國的艦載直升機(jī)垂直補(bǔ)給應(yīng)用及其配套的外吊掛設(shè)備、管理體系和標(biāo)準(zhǔn)都非常成熟。
20世紀(jì)50年代,直升機(jī)開始應(yīng)用吊掛投放系統(tǒng)。早期的吊掛投放系統(tǒng)技術(shù)落后,結(jié)構(gòu)比較簡單,較為笨重。1959年,美國首次運(yùn)用直升機(jī)吊掛投放系統(tǒng)進(jìn)行垂直補(bǔ)給。
美國的直升機(jī)吊掛投放系統(tǒng)的主吊點(diǎn)絕大部分采用在機(jī)腹艙口安裝貨物掛鉤,也有極小部分設(shè)置在主減速箱支架下方。目前,垂直補(bǔ)給直升機(jī)已經(jīng)涵蓋了輕、中、重系列的直升機(jī),相關(guān)吊掛投放系統(tǒng)最大外掛載荷16,300 kg。CH-53等重型直升機(jī)的吊掛投放系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3個吊掛點(diǎn):前后貨物掛鉤裝置安裝于前后艙口的地板艙口內(nèi);主貨物掛鉤安裝于主艙口的地板艙口內(nèi)。垂直方向載荷通過一定的傳力機(jī)構(gòu)傳遞給主減速箱支架俄羅斯的直升機(jī)大多是在吊掛艙口的地板上安裝支架,在支架上安裝吊掛投放系統(tǒng)。吊掛投放主要采用中大型以上直升機(jī)。其中,米-26直升機(jī)的吊掛投放系統(tǒng)最大吊掛載荷達(dá)到了20,000 kg。大的直升機(jī)吊掛投放系統(tǒng),只有一個主吊點(diǎn),通過支架安裝于主艙口上方。
美國和俄羅斯的直升機(jī)吊掛系統(tǒng)最大的區(qū)別在于:以美國為代表的北約國家的直升機(jī)吊掛投放系統(tǒng)配備的吊索幾乎全部為高強(qiáng)度纖維吊索,具有重量輕,易收納,使用方便,耐腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn);俄羅斯的直升機(jī)吊掛投放系統(tǒng)配備的吊索全部為金屬吊索,重量重,收納困難,如米-26配備的吊索達(dá)到了470 kg,并配備了專用的電動絞車輔助吊索的連接。
美國在直升機(jī)垂直補(bǔ)給方面的研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列化和標(biāo)準(zhǔn)化[4-5],對外吊掛系統(tǒng)的吊索、吊網(wǎng)、吊鏈、吊掛連接設(shè)備全部制定了專用標(biāo)準(zhǔn),垂直補(bǔ)給形成了標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程。目前,美軍已經(jīng)完成了31類500多個吊掛運(yùn)輸方案,針對不同直升機(jī)、不同貨物、不同補(bǔ)給和受給艦艇等,均制定了詳細(xì)的運(yùn)輸方案。盡管是在嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和管理?xiàng)l件下,美軍仍認(rèn)為“由于貨物掛鉤故障、吊索斷裂、操作失誤等原因?qū)е碌闹鄙龣C(jī)吊掛運(yùn)輸事故經(jīng)常發(fā)生”。可見垂直補(bǔ)給作業(yè)相對于其他運(yùn)輸作業(yè),仍然是高風(fēng)險科目。
垂直補(bǔ)給可以擴(kuò)大和增強(qiáng)平行補(bǔ)給能力,也可以給補(bǔ)給計(jì)劃,尤其是航行補(bǔ)給作業(yè)時間、地點(diǎn)增加靈活性和適當(dāng)?shù)幕顒佑嗟?。垂直補(bǔ)給具有以下獨(dú)特優(yōu)勢:
1)縮短受援兵力(或作戰(zhàn)艦艇)補(bǔ)給所需時間;
2)縮短或免去艦艇脫離陣位時間;
3)減少參加補(bǔ)給作業(yè)人員;
4)能夠?qū)Ψ稚㈥?duì)形的艦艇進(jìn)行補(bǔ)給;
5)能夠?qū)σ驁?zhí)行任務(wù)而不能前來并行補(bǔ)給的艦艇進(jìn)行補(bǔ)給;
6)在惡劣天氣時,能夠?qū)Σ⑿袝形kU或不能并行的艦艇進(jìn)行補(bǔ)給;
7)能夠?qū)ξ挥跍\水區(qū)或駐泊的艦艇進(jìn)行補(bǔ)給;
8)垂直補(bǔ)給的運(yùn)送量通常不及主力艦艇航渡補(bǔ)給,但可以節(jié)約時間,省去平行補(bǔ)給運(yùn)輸所需的接近、掛接和脫離時間。
艦載直升機(jī)垂直補(bǔ)給作業(yè)通常需要補(bǔ)給作業(yè)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、直升機(jī)吊掛運(yùn)輸系統(tǒng)和艦艇搬運(yùn)系統(tǒng)等配合完成。垂直補(bǔ)給作業(yè)前,艦艇和直升機(jī)有關(guān)各方應(yīng)熟知對方信息,確保艦機(jī)之間相互滿足要求。直升機(jī)詳盡了解接收艦的著艦區(qū)、保障設(shè)施、甲板標(biāo)志、垂直補(bǔ)給操作區(qū)、障礙物方位和其他影響直升機(jī)著艦環(huán)境的物理性細(xì)節(jié);艦艇詳盡了解前來補(bǔ)給的直升機(jī)的情況,包括旋翼直徑、總重量、機(jī)身長度、起落架規(guī)格說明以及相應(yīng)的維護(hù)要求等。根據(jù)貨物的尺寸、形狀和重量,運(yùn)輸人員的數(shù)量和狀態(tài),飛行甲板穩(wěn)定性,任務(wù)緊急程度等因素可續(xù)合理地確定垂直補(bǔ)給形式[6]。
通過任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng),可以科學(xué)合理地規(guī)劃直升機(jī)、補(bǔ)給艦和受給艦的工作內(nèi)容。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)獲取被補(bǔ)給艦的內(nèi)部倉室位置、裝倉路線和存儲位置,被補(bǔ)給貨物倉室位置、裝倉路線和存儲位置等,根據(jù)任務(wù)情況,規(guī)劃直升機(jī)補(bǔ)給方案[5, 7-10]。
任務(wù)規(guī)劃過程中,需考慮以下內(nèi)容:
1)艦載直升機(jī)運(yùn)載能力。直升機(jī)運(yùn)載能力包括艙內(nèi)裝載能力和外吊掛能力,與直升機(jī)最大起飛重量直接相關(guān)。
2)垂直補(bǔ)給相對風(fēng)向。受艦船上層建筑產(chǎn)生的紊流影響,直升機(jī)垂直補(bǔ)給作業(yè)時,應(yīng)該逆風(fēng)起飛、進(jìn)場和懸停,相對風(fēng)速和夾角均不宜過大。
3)垂直補(bǔ)給貨物的尺寸、形狀和重量。貨物的尺寸、形狀和重量決定了貨物的運(yùn)輸方式以及所需卡鉤的數(shù)量等。緊湊的載荷可以在艙內(nèi)運(yùn)輸或外掛運(yùn)輸,而超大貨物必須采用外吊掛運(yùn)輸。由于外吊掛載荷氣動特性的影響,直升機(jī)空速會受到限制。
4)飛行距離和氣象條件。直升機(jī)性能受溫度、空氣密度、飛行高度和相對風(fēng)速等因素影響。隨著溫度的增加或大氣壓力的降低,直升機(jī)最大升力減小,這是由于發(fā)動機(jī)性能和槳葉的空氣動力性能下降所致。因此,高氣壓的寒冷、干燥的天氣和強(qiáng)而穩(wěn)定的相對風(fēng)速對垂直補(bǔ)給作業(yè)有利。
5)艦艇的就位樣式。一般來說,長距離(對重的、高比重貨物超過60 km,對輕的低比重貨物超過45 km)的攜帶外掛,不應(yīng)該視為一種標(biāo)準(zhǔn)的垂直補(bǔ)給程序,而應(yīng)該看作是一種對要求緊急優(yōu)先運(yùn)輸?shù)呢浳镔A備的能力。
6)艦船之間相互影響。倘若補(bǔ)給艦和受給艦的舷側(cè)還有另一艘艦艇,則進(jìn)行垂直補(bǔ)給的困難增大:直升機(jī)投放/提吊作業(yè)區(qū)上空會有擾動的氣流和熱的燃?xì)馀艧?投放/起吊作業(yè)區(qū)的風(fēng)受阻塞;這艘艦艇可能成為飛行航線上的障礙物,迫使直升機(jī)采用順風(fēng)進(jìn)場/起飛,而帶外掛進(jìn)行順風(fēng)進(jìn)場和起飛特別危險,應(yīng)盡量避免。除非作業(yè)必要,帶外掛的直升機(jī)務(wù)必不要在艦艇頂空飛越。
7)直升機(jī)駕駛員的工作時間。白天進(jìn)行垂直補(bǔ)給作業(yè),駕駛員的耐力極限為6~8小時,夜間垂直補(bǔ)給作業(yè)則為2~3小時。影響駕駛員耐力的因素還有:甲板縱橫搖,天氣條件,機(jī)組人員的經(jīng)驗(yàn)/體力條件,連續(xù)工作時間,夜間作業(yè)和低的能見度。
8)直升機(jī)架數(shù)需求。這取決于補(bǔ)給和受給艦艇的艦型和數(shù)量,艦艇之間的距離,可調(diào)用直升機(jī)的數(shù)量,受給艦艇投放區(qū)的受貨能力,補(bǔ)給艦艇的最大供貨速度,直升機(jī)機(jī)組人員的技術(shù)/訓(xùn)練水平。
9)內(nèi)部裝載通常要比外掛貨物更耗時間,因此一般應(yīng)該避免內(nèi)部裝貨運(yùn)輸,除非運(yùn)輸?shù)木嚯x很遠(yuǎn)而又能為卸貨提供著艦場地。
垂直補(bǔ)給作業(yè)設(shè)備通常包括托板、集裝箱、吊網(wǎng)、可調(diào)吊索、提升吊索、貨物掛鉤、連桿等。
不同裝載能力的部件或不同類型的吊掛組件不可互換。不同裝載能力或吊掛類型的部件混合使用可能導(dǎo)致不可預(yù)計(jì)的吊掛特性或吊掛組件故障。
垂直補(bǔ)給作業(yè)流程包括補(bǔ)給貨物準(zhǔn)備,貨物起吊,飛行和卸載等。
1)垂直補(bǔ)給貨物準(zhǔn)備。貨物準(zhǔn)備的目的是保證飛行中的安全和到達(dá)目的地?zé)o損壞。外掛貨物在運(yùn)輸期間可能經(jīng)歷強(qiáng)風(fēng),應(yīng)做好準(zhǔn)備。做好垂直補(bǔ)給貨物重量標(biāo)識。采取使貨物高效運(yùn)輸?shù)呢浳锝M合:每個貨物組合前,標(biāo)記重量和直升機(jī)機(jī)組及貨物接收人員所需的其他信息;組合貨物時,各貨物應(yīng)當(dāng)具有近似或一致的尺寸和重量,以減小吊起或運(yùn)輸過程中翻轉(zhuǎn)的可能性。貨物高度必須使起吊人員在不爬到貨物頂部的情況下就可完成吊索連接。避免運(yùn)輸輕的貨物,小于70 kg間貨物易產(chǎn)生不穩(wěn)定性。
2)垂直補(bǔ)給的起吊。直升機(jī)進(jìn)場,到達(dá)艦船外側(cè)懸停位置,然后進(jìn)入著艦區(qū)域或起吊區(qū)域;在貨物上方穩(wěn)定懸停,掛鉤人員進(jìn)入位置將貨物與直升機(jī)相連;當(dāng)貨物掛上,掛鉤人員撤離后,直升機(jī)機(jī)組人員發(fā)出指令吊起貨物,飛離艦船。
晝間和夜間垂直補(bǔ)給流程相同,但夜間飛行需更加小心,要求的精度更高。夜間貨物運(yùn)輸速度通常慢于晝間操作。艦船保持航向,煙囪排放的氣體偏離垂直補(bǔ)給區(qū)域。進(jìn)場時飛行員要避免穿過煙囪氣流飛行,因?yàn)闊焽枧欧诺臍怏w會降低能見度,并可導(dǎo)致空間定向障礙。
1)避免輕/不規(guī)則形狀的外部載荷。這可能產(chǎn)生不可預(yù)測的擺動、振蕩等。如果出現(xiàn)過大的載荷振蕩,必須立即降低空速,以防失控或?qū)χ鄙龣C(jī)施加過大的載荷。在拾取或交付期間,必須極其小心地處理此類負(fù)荷,避免對直升機(jī)造成損壞或?qū)德鋮^(qū)附近的設(shè)施、設(shè)備或人員造成損壞/傷害。若對直升機(jī)性能產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響或威脅到直升機(jī),不穩(wěn)定載荷可能在前飛中丟棄。
2)無線電高度正常工作受影響。在懸停和低速飛行時,外部載荷影響可能導(dǎo)致無線電高度表指示不穩(wěn)定和不可靠。
3)格外注意具有空氣動力學(xué)特性的外部載荷。這些載荷的氣動升力可能會放大任何載荷,并導(dǎo)致載荷傳遞到直升機(jī)上。在水平飛行時,低密度大體積貨物可以通過平滑地控制運(yùn)動來防止直升機(jī)振蕩。
4)防止負(fù)載意外釋放。應(yīng)特別小心,以確保負(fù)載不會因意外而釋放。
經(jīng)驗(yàn)表明,對于任何類型的外部貨物載荷,都有一個最適合它的空速。對于有外部載荷的飛行,沒有一條固定的規(guī)則,重量、尺寸和形狀的組合都會對飛行期間的載荷作用有直接影響。
艦載直升機(jī)具有定點(diǎn)懸停、機(jī)動靈活、快速高效等獨(dú)特優(yōu)勢,是進(jìn)行垂直補(bǔ)給的最好手段。垂直補(bǔ)給能力建設(shè)的重點(diǎn)有以下幾個方面:
1)卓越的艦載直升機(jī)平臺能力
艦載直升機(jī)執(zhí)行垂直補(bǔ)給作業(yè)時,懸停、小速度飛行在整個飛行譜中占有較大時間比例。直升機(jī)在飛行甲板保持相對懸停狀態(tài),操作員將貨物通過連接桿手動連接到直升機(jī)吊掛系統(tǒng)。直升機(jī)的懸停性能直接影響其任務(wù)執(zhí)行能力,因此要求直升機(jī)具備較高的懸停精度和良好的飛行控制能力。為能在極端的環(huán)境和設(shè)計(jì)總重條件下仍具有良好的任務(wù)執(zhí)行能力與安全性,艦載直升機(jī)還需要具有足夠的功率裕度和較低的空重比。
2)科學(xué)合理的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)
使用多架直升機(jī)同時對多艘艦艇進(jìn)行多種物質(zhì)補(bǔ)給,要有科學(xué)合理的任務(wù)規(guī)劃,有效避免“艦等機(jī)、機(jī)等艦、機(jī)機(jī)沖突”等問題,保證直升機(jī)能夠安全高效地進(jìn)行垂直補(bǔ)給。
3)完善的垂直補(bǔ)給配套設(shè)施設(shè)備
不同貨物的垂直補(bǔ)給作業(yè)需用的設(shè)備各不相同,例如散裝物品使用托板、吊網(wǎng)等,大型標(biāo)準(zhǔn)件采用集裝箱。相關(guān)設(shè)施設(shè)備還有可調(diào)吊索、提升吊索、貨物掛鉤、連桿,以及艦船上搬運(yùn)用的叉車、轉(zhuǎn)運(yùn)車、搬運(yùn)機(jī)器人等。因此,需要有完善的配套設(shè)施設(shè)備,才能保證各種物資的正常補(bǔ)給作業(yè)。
4)健全的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系
隨著技術(shù)的發(fā)展,補(bǔ)給艦、受給艦和直升機(jī)的能力和要求不斷提高,垂直補(bǔ)給方式也在不斷升級更新。艦載直升機(jī)垂直補(bǔ)給作業(yè)流程、配套設(shè)施設(shè)備、作業(yè)方式等也需要與時俱進(jìn)。因此,需建立健全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,朝標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化方向發(fā)展。
5)扎實(shí)的作業(yè)訓(xùn)練
再好的設(shè)備也需要反復(fù)磨練才能最大化地發(fā)揮效能。也正因?yàn)榇怪毖a(bǔ)給作業(yè)屬于高風(fēng)險科目,所以更需要平時進(jìn)行扎實(shí)的訓(xùn)練,才能更好地提高垂直補(bǔ)給作業(yè)能力。
本文首先分析了海上補(bǔ)給需求及海上補(bǔ)給方式,垂直補(bǔ)給費(fèi)用盡管昂貴,但由于占據(jù)時空優(yōu)勢,現(xiàn)已成為海上補(bǔ)給的主要手段;然后研究了國內(nèi)外垂直補(bǔ)給的現(xiàn)狀,著重分析了美、俄兩國的垂直補(bǔ)給吊掛系統(tǒng);針對垂直補(bǔ)給整個作業(yè)過程,分析了提升垂直補(bǔ)給能力的關(guān)鍵因素;最后建議從直升機(jī)平臺能力、任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、配套設(shè)備、法規(guī)及訓(xùn)練等方面入手,提升垂直補(bǔ)給能力。