让世界变小的空中加油机

Image copyright iStock

"冷战时期,当警戒期到来时我常常整个星期的躲在地堡里,"克里斯·霍克特(Chris Hoctor)说。他是美国空军空中加油机前飞行员、《老兵的声音》(Voices from an Old Warrior)一书的作者。他一边说一边回忆20世纪80年代他在美国战略空军指挥部度过的时光。

"我们的职责是让B-52轰炸机能够接近遥远的目标。然后我们回到欧洲和日本提前指定的空域降落,因为我们留给自己的燃料会非常少。最糟糕的情况就是我们必须把所有燃料都输送给轰炸机,然后跳出加油机。"

加油机是轰炸机、运输机、很多小型战斗机以及现在的无人机的空中加油站。加油机让它们能够飞到比通常情况下远的多的地方。

虽然空中加油并不抢眼,但是霍克特告诉我们,它在关键的战略任务以及中东地区的冲突、赈济饥荒和应对自然灾害方面发挥了关键的作用。如果没有加油机为世界各国的空军扩大飞行范围,那么过去六七十年的历史将被重写。

Image copyright Boeing
Image caption K-46是波音最新设计的加油机(图片来源:Boeing)

2016年12月美国空军试飞了计划中500架新型加油机中的第一架,它将在未来数十年为美国空军效力。这笔订单的规模和目标反映出空中加油一直以来对美国空军有着重要的意义。虽然目前试飞的飞机看起来就像传统的客机一样,但是这笔巨单的最后一部分可能是我们前所未见的。未来的加油机预期形似隐形轰炸机,自带武器并且——有可能——在没有飞行员的情况下飞行和加油。

空中加油有多种叫法:"air refuelling","in-flight refuelling"甚至是"tanking"。但不论用哪种叫法,指的都是一回事:在飞行中把航空燃油从一架飞机(加油机)输送到另一架飞机(接收机)。在20世纪30年代,横跨大西洋的大型水上飞机就是依靠这一方式延长航行距离,把遥遥相望的欧洲帝国联系起来。如今,只有军队保留了空中加油——尽管有一些人呼吁商业航班恢复使用空中加油。

虽然空中加油很少发生事故,但是在20000英尺的高空给飞机加油本身就是一件非常危险的事。这被称为"有组织的半空相遇",因为两架飞机的间距必须缩小到22米以内。有时,飞行员不得不施展高超的操纵技巧,为飞行速度快于自己或慢于自己的飞机加油。

几乎在首次有飞机飞行成功的同时就有人提出了在空中给飞机加油的疯狂想法。"空中加油的想法几乎与飞机同时诞生。" Cobham Mission Systems公司的产品主管詹姆斯·肯米特(James Kemmitt)最近在英国皇家航空学会(Royal Aeronautical Society)做报告时说,"在莱特兄弟的飞行实验后六年,1909年的Punch杂志登出了一幅漫画,描绘了一艘飞船试图把一条油管挂到下方的飞机上,并评论称航空业的下一个主要难点是空中加油。"

最后我们迎来了技术的突破,它是基于1921年俄裔美国飞行员、发明家、空中力量的拥护者亚历山大·塞维斯基(Alexander P de Seversky)的专利技术。他的公司后来设计出了二战时最经典的一些飞机。

Image copyright iStock
Image caption 俄罗斯等国家也运营空中加油机队(图片来源:iStock)

1923年7月,当历史性的时刻终于来临时,画面竟然与Punch杂志的漫画如出一辙,除了飞船被另一架飞机所取代。美国空军的两架双翼飞机一上一下缓慢飞行,一条油管将一个手持油箱和另一架飞机的油箱连接起来。后来,同一批飞行员驾驶同一类飞机从加拿大边境直接飞到墨西哥,中途在俄勒冈和加利福尼亚空中加油。

英国和法国当时也在试验这一概念,而美国有一些勇敢的飞行员已经能够展现这一危险的技巧,让在露天观看的人群惊叹不已。

20世纪30年代,关注的重点从实验转移到设计更为安全的流程和能够用于日常实际飞行的系统。实现的一大进步是设计出了无溅洒的加油喷嘴。1935年,英国空军前飞行员、长距离飞行的先驱阿兰·科巴姆(Alan Cobham)说明了他的"空中加油站"理念。他采用的复杂却实用的技术被称为"钩索加油系统"。飞行员需要丢出一个钩子来抓住绳索。战争打响后,该系统被用来为横跨大西洋航行的15架水上飞机加油。

此后军方开始进一步发展该技术。英国皇家空军为"兰卡斯特(Lancaster)"这样的轰炸机配备了科巴姆的技术,为的是参加1945年对日本的轰炸行动——但是还没等技术被用到,太平洋的战争就结束了。1949年,美国空军的一架飞机在改进了英国的技术后首次完成了绕地球一圈的飞行。完成这次为时94个小时飞行的是名为Lucky Lady II的B-50超级堡垒轰炸机,它与四年前在日本投下核弹的那架飞机相仿。到20世纪50年代初,美国已经部署了首个加油机飞行中队,并于朝鲜战争期间首次在战区完成空中加油。当时,即使在没有其他风险的情况下,民航飞机空中加油本身就已经十分危险。

"阿兰·科巴姆本人就十分大胆,"肯米特说,"他把设备卖给英国皇家空军,让他们可以去轰炸日本。后来英国没有去轰炸,他就又以低价把设备回购,再转手卖给美国空军。美国人非常惊讶他能如此迅速的提供设备。"

在20世纪50年代,加油机本身的设计得到了改进。波音公司推出了世界首架空中加油机(和Lucky Lady II一样基于二战的重型轰炸机),此后又推出了世界首架喷气式空中加油机(基于波音367民航飞机)。仅仅是设计和制造普通加油机的成本就已经让人望而却步,更不用说载重量巨大的轰炸机和民航飞机了。

如今的大多数飞机都选用两种空中加油系统中的一种:探管锥套式和伸缩套管式空中加油设备。前者是对科巴姆早期系统的改进版,外形上类似于20世纪20年代双翼飞机的早期实验。加油机的背后扔下一条灵活的油管,下端的锥套与下方飞机的探管相接。末端有一个阀门,只有当接牢时才会打开。

Image copyright Boeing
Image caption 美国空军未来数年需要500架像K46这样的加油机(图片来源:Boeing)

波音公司为美国战略空军指挥部开发了伸缩套管式空中加油设备。加油机上的操作员操纵一条长长的带有小型机翼的坚固油管与接收机上的接油装置连接起来。

未来,空中加油将变得日益重要。目前,中国、澳大利亚等国家正忙于开发空中加油系统。更多的研究将围绕直升机的加油展开。直升机加油的难度和危险度在于加油机和直升机的速度存在差别,这意味着加油机的油管很容易就会卷入直升机的螺旋桨里。不过,美国早在越南战争时就已经率先使用了这一技术——首次用于拯救被击中的飞行员。

全球各地冲突越来越多的投入特种部队,这意味着直升机的使用也在增加。法国空军就曾在空中为直升机加油。英国等国家则考虑紧随其后。

无人机空中加油的实验也已经开始——而且是用一架无人机来给另一架无人机加油。2015年4月,美国海军的无人机X47-B自动飞向一架飞行员驾驶的加油机,并操作探管与锥套相连。今年早些时候,中国也用一架小型无人机为另一架无人机加油——尽管这两架飞机仍都处在人的控制下。

但是未来会如何发展?美国海军的首架航空母舰搭载的无人机可能会成为加油机。

过去的二十年,航空工程师拉杰·南贾(Raj Nangia)一直在提倡商用空中加油。"这个想法是不会消失的。如果人们既想节省燃油,又不想扩大机场,那么商用空中加油就是唯一的途径。"

南贾的研究为欧盟近期270万英镑的项目"Recreate"(关于利用巡洋舰实现航空运输环境的研究)打下了基础。空中加油意味着飞机可能会变小变轻,因为它们不再需要携带大量燃油。

使用200座的民航飞机和一队加油机可能意味着每5000英里可以节约燃油15%,包含加油机自身使用的燃油在内。在飞行模拟器中的测试显示,通过利用自动加油技术,商用加油可以安全进行。这可能还意味着小型机场可以开启国际航线。

Image copyright iStock
Image caption 在空中为直升机加油被证明比为传统飞机加油困难得多(图片来源:iStock)

"美国国家航空航天局(NASA)、空中客车公司,它们都喜欢这个主意,"南贾说,"首创者总是面临很大的难度。"

未来数十年将交付给美国空军的这500架加油机将对未来技术的发展产生深远的影响。"波音已经在空中加油领域深耕65年,我们已经制造了2000多架加油机,"波音新设计的KC-46的全球销售和营销经理麦克·哈弗(Mike Hafer)说,"美国空军需要一支500架加油机的机队,其中三分之一将会是我们的KC-46。它本身还可以由另一架加油机加油[目前机队中只有少数加油机可以做到这一点],并且可以在探管锥套式和伸缩套管式之间切换。它从设计的第一天开始就以成为战斗机为目标。它拥有夜视照明功能,还配备了复杂的防卫系统以抵御导弹和提醒飞行员已被雷达侦察到。"

虽然第二批加油机KC-Y很可能会类似于KC-46,但是最后制造的KC-Z可能会带来革命性变化:它将具有隐身功能。"大家都在制造隐形战斗机和轰炸机。如果你的加油机不能隐形,那就糟糕了,"詹姆斯·肯米特说,"看起来KC-Z将具备隐形功能,它可以靠近前线并受到保护。新的飞机框架很贵,所以它很可能会借用现有的新型隐形轰炸机的框架。"

但是很难预测这以后空中加油的发展。

"会不会到某个时候,我们不再需要空中加油了?"哈弗说。"空中加油的需求至少还会维持30年。这就像问别人一战后会发生什么一样。"

"这之后会出现什么?当我们需要替换新一代加油机时,我们可能已经不再需要加油机了,"肯米特补充道。

请访问BBC Future阅读英文原文