航母弹射器的秘密(想了解的进!)

弹射器的制造难点在那里?


许多文章关于弹射器制造难点的说法不尽相同,有的说开口汽缸密封是关键,有的说是开口汽缸制造难度很大,还有的说是弹射器的加工精度很高,也有的认为必须要有第一流的焊接技术。实际上,弹射器的真正难点在储汽罐的制造上。以上说法只有焊接技术才算是说到了点子上。


说开口汽缸密封是关键的看法可能是把密封条件理想化了,其实要达到“滴汽不漏”比登天还难,而在“适当漏掉一些汽”的情况下,做到满足弹射需要却不是太难的事。弹射器开口汽缸有两种密封方法,老式弹射器采用的是设置在汽缸开口两侧的橡胶带形成“拉链”式密封,现在的弹射器则利用一根柔性金属条填入汽缸的开口中,用“填条”式方法达到密封目的。不管是哪种方法,要达到像蒸汽机汽缸一样的密封程度是不可能的,但要满足飞机起飞的需要是没有问题的,无非是多浪费一些能量。


弹射器开口汽缸是制造难点的观点可能是根据“开口汽缸要承受高达80千克/平方厘米的蒸汽压力”而得出的,由于缸壁上有开口,开口汽缸的受力特性很差,要做到不变形是相当困难的。实际上,弹射器的工作压力为80千克/平方厘米,是指储汽罐中的初始压力,开口汽缸承受的压力则要小得多,因为要使弹射推力保持均衡,就必须在储汽罐中的压力从80降低到一定值的过程中使开口汽缸中的压力保持不变,两个压力值相差不大是不可能做到这一点的。开口汽缸中的最大压力是多少,可以通过弹射器的额定推力和457毫米直径的双汽缸结合热力学计算出来,可能也就是20千克/平方厘米左右。气缸有些变形也不要紧,无非是要漏掉一点汽。由于习惯和成本的原因,弹射器汽缸的直径从开始研制到现在都是457毫米,这么小的尺寸,再加上采取一些加强措施,要承受每平方厘米20多千克的压力可以说是易如反掌。要知道我们日常生活中使用的煤气罐也能承受40多千克的压力!


对于体积庞大、“只有”一个弹射活塞是活动部件的弹射器来说,精度是难点一说使人感到意外。弹射器由大部件组成,而且体积大,几乎全部是钢结构件,光是受热变形就能产生不小的尺寸变化,因此即使有精度也是相对的,是属于测量学中的相对误差范畴,要说绝对误差精度就不是很高了。相对精度问题只是在制造和安装中麻烦一些,难度远远谈不上。有文章称“法国‘戴高乐’号在调试弹射器时,火花铁宵四处飞浅,使施工人员胆战心惊,原来是粗心的美国卖主忘了告诉法国人,这是磨合期的正常现象”,也许这一点可以用来说明精度问题。


弹射器的储汽罐是一种大尺寸的高压容器。在制造工业中,高压容器是机械工业产品中一个重要的品种,被广泛用于化工、核工业、能源和航天技术中,是一个国家重工业水平的重要体现。虽然这种产品没有活动部件,结构也相当简单,但由于要承受高压,尺寸又大,因此对制罐材料、制造设备和焊接工艺等方面提出了特殊的高要求,制造企业要有相关的生产许可证。对于航母弹射器来说,又有使用次数、重量限制和耐高温方面的要求,故制造难度就更大了。制罐材料要用耐热的特种合金钢,必须要有很好的蠕变性能和抗拉强度,而且还要承受几十万次的弹射加压/卸压疲劳循环,目前只有几个国家才能制造。制罐工艺有好几种,常用的是用钢杵穿过钢锭,反复锻压制成环节状,经车削加工后,再将几个环节焊成筒体,两边封头用万吨以上的水压机整体压出或分块压出,然后经过切削加工再焊接。焊接过程要严格按照操作工艺进行,稍有不慎,就会使部件报废。


不过,储汽罐的制造难度也有相对性,它和罐的直径有很大的关系,当直径较小时,承受同样压力的储汽罐制造难度就会大幅度下降。如适当放松对重量的限制,也对降低难度有很大帮助。能生产小尺寸高压容器的国家可能要超过几十个,用来满足中小功率的弹射器是绰绰有余的。英国发明弹射器时,从提出方案到制造出演示装置,时间不超过几个月,弹射功率不大,储汽罐的工作压力只有每平方厘米20多千克显然起了很大作用。近十几年来出现了板缠绕制罐工艺,就是用高强合金板一层一层缠绕成罐体,这种方法解决了原有工艺产品重量大的缺点,制造难度也能下降许多。从某种意义上讲,发展弹射器有“门槛”,但不是很高,而且也不多,设计者可以是“半路出家”,并且试验的大部分部件可以一直用下去,开发费用不会太高,弹射器开口汽缸的直径始终是457毫米,也可证明这一点。


弹射器开口汽缸的结构受力措施


开口汽缸是弹射器的核心,就是由它和活塞共同产生的约束力把高压高温蒸汽中的热能转化成飞机离舰时的巨大动能。有许多读者认为,为了能承受高压高温蒸汽的压力涨开作用,开口汽缸必须要用厚钢板在水压机上卷制而成。其实真要这么作,效果并不好,制造起来也非常困难。一种英国老式弹射器的开口汽缸截面结构,其开口汽缸并不是用厚钢板制成,而是用较薄的钢板卷制而成,外面套有用高刚性铸钢浇铸的月牙形加强板,用来防止开口汽缸被高压蒸汽涨开。


加强板之所以用月牙形状,是因为作用在开口汽缸壁上的蒸汽涨开力是相对于开口处不断累加的,越往下越大,月牙形正好适应了这种变化,同时也是为了控制重量和体积。加强板上还有减轻重量的孔,据说是为减少弹射蒸汽中的热量损失,用热空气加热开口汽缸是弹射前的必备步骤,这些孔可用来通过热空气。


附图1是现在美国航母上使用的弹射器开口汽缸组件截面示意图。由图中可以看出,开口汽缸组件由两个汽缸组成,每个汽缸内有一个活塞,两个活塞都通过伸出汽缸开口的传动板与往复车相连,为防止漏汽,用汽缸盖和密封条把汽缸的开口密封起来。可以说这是一个比较详细的介绍,但还是有一些问题没有说明,例如开口汽缸是如何承受高压蒸汽而不被涨开的。从图上看,汽缸盖扣在开口汽缸上,好象能把开口两侧拉紧,但又存在着向上涨开的情况。就是被悬臂式支撑件压住也还存在着被“涨开”的情况。现代武器的设计讲究的是“一体化”,估计美国的弹射器可能是把汽缸加强件与航母结构上的弹射器安装凹槽设计在一起了,这样既可以节省安装的空间,又可以让加强的结构达到既加强开口汽缸的刚性、又提高航母结构强度的目的。可以想象,如果还是采用上面所说的那种老式弹射器的开口汽缸加强板结构,双缸的弹射器开口汽缸组件的截面积就会很大。





由于结构设计限制和材料上的缺陷,开口汽缸在弹射一定次数后,变形的程度就会越来越大,需要拆下来进行校正,以延长使用寿命。但这个变形是有规律的,而且不是一下子就会使弹射器失去弹射力,在海战的关键时刻是可以不考虑这一点的。


俄航母为什么没有采用弹射器?


媒体上关于弹射器制造困难的说法是有一个发展过程的,刚开始出现在刊物上的相关文章并没有提到这一点。随着时间的推移,科普刊物越来越多,有关航母的文章也成为刊物中的重头戏,但关于弹射器的描述却越来越简单,而制造困难的说法却流行开来。造成这种情况的原因可能和跃飞甲板的出现以及俄航母采用跃飞甲板有很大关系。跃飞甲板也能使飞机从航母上起飞,而结构却要简单得多。与此相类似,跃飞甲板刚出现的时候,也很少有专家看好,例如国内“首次”报道滑跃起飞的文章大概是在1976年,其中就认为“滑跃起飞必须满足两个严格条件:一是航迹角超过30度时仍能加速;二是在失速情况下仍能操纵,到目前为止只有‘鹞’式飞机才能满足这两个条件”。当大家开始认同还是弹射起飞更有优势时,又从俄航母采用滑跃起飞得出“连苏联也没有解决弹射器的制造问题,这说明弹射器的复杂性”的结论来。


上面的情况对同样没有航母使用经验的苏联也有影响。一直有观点认为,西方媒体散布的一些言论影响了苏联发展航母的决心,俄罗斯的航母专家在回忆苏联发展航母的文章中说,声东击西、移花接木,是西方将对手引入歧途的惯用伎俩,当苏联未着手研制垂直起降飞机时,西方宣扬这种机型的优越性;当苏联研制弹射器时,他们则大肆宣扬滑跃起飞的优点。结果,苏联一再否定自己的判断,以至于“库兹涅佐夫”号航母的战斗力比原设计低70%。作为一个科技大国. 苏联除了在信息技术上不行外,无论是航空航天、还是造船造坦克都是仅次于美国的国家,在制造大尺寸高压容器这样的工业设备方面更是数一数二,很难想象会在一个西方国家海军已使用了30多年的弹射器面前碰壁。


那篇文章还说“库兹涅佐夫”号原打算采用弹射器,但就在弹射器取得重大进展时,有关方面突然下令改用跃飞甲板。就连戈尔什科夫这位具有现代军事科学头脑的军人在航母发展上也在提倡“走民族之路”,他支持航母“应该有俄罗斯特色!”按照现代航母特点设计出的1160型方案出台后受到许多高层官员的质疑,被戏称为“企业斯基”,这种情绪甚至到了“连弹射器一词也受到诅咒的地步”。


这些情况可能都对苏联航母是否采用弹射起飞起到了一定的影响。本位主义的影响也不能小觑,飞机设计局在苏联历史悠久,是有影响的大单位,而搞弹射器的可能只不过是一个临时组成的“草头班子”。在没有舰载机使用经验的苏联,飞机设计师的话更有说服力,“苏-35不依靠弹射器就能从航母上起飞,这是世界创举”,那位俄罗斯专家特意强调了这一点。这种情况在国内的刊物上也可看到,搞舰船的对弹射器持肯定态度,而搞飞机的则往往对滑跃起飞有保留意见。当滑跃起飞优于弹射起飞的气氛占据上风时,苏联做出了错误的选择也就不足为奇了。


苏联设计的第一架舰载战斗机实际上是在米格-23基础上发展的米格-23A。由于原型机的前起落架是向前后收起的,不经过大的改动不可能采用美国舰载机的前轮拖曳弹射,为简便起见,采用了拖索弹射。后来的苏-27K采用向前收起的前起落架,在采用前轮拖曳上有便利条件,但设计师不愿意为一个前轮拖曳弹射挂点而付出增加机身重量近百千克的代价。而且这种飞机在机身结构上又与米格-23有着明显的不同,安装发动机的两个吊舱突出在机身下,如果在这两个吊舱上安装弹射钩,就得大大加强吊舱结构,要是设置在两个吊舱之间,又不便于进行弹射挂索,而且还会影响此处挂载弹药或副油箱,这又成为了设计师拒绝采用弹射起飞的借口。





就飞机起飞安全性来说,弹射起飞甚至要比从陆地上起飞还要高一些

有关弹射器看法的几点说明


当出现滑跃起飞方法后,弹射器就被指责有以下几个严重缺点:弹射过载使飞机增重,恶化了舰载机的作战性能;弹射器结构沉重,体积庞大,严重影响航母其他武器的装备,只能安装在大中型航母上;弹射器能耗大,效率低,维修困难,可靠性差;如此等等。之所以得出这些看法,主要是对弹射器缺乏仔细的分析。


通常认为弹射起飞的加速度为5g,实际上这是指规定重量的飞机可达到的最大加速度。现在美国航母上的飞机起飞都不超过3.5g,这一点可以从飞机相对于航母的起飞速度及弹射行程中计算出来。美国航母的航速为33节,再加上风速,甲板风速可达到达70千米/小时,如飞机的起飞速度为310千米/小时,则此时只需240千米/小时,在弹射行程84米的情况下,弹射过载平均值则只有3g左右,从物理加速度公式可以看出,飞机结构受力和起飞重量大小也有关系。在甲板风小时,适当减少起飞重量,就可使飞机结构受力不超出结构的强度,美国人总是尽量让飞机能以最大速度离舰,这样可增加航程。实际上,舰载机的结构强度在设计上是互相补充的,为适应阻拦着舰和机轮触及甲板时的冲击,就是不采用弹射起飞,这些强度也节省不下来;而采用滑跃起飞的苏-27K不但避不开这些结构加强引起的增重,相反的为满足滑跃起飞采用了前翼和增加了襟翼面积,付出的增重代价更高。增加弹射行程也是控制飞机弹射增重的有效措施,如果弹射增重真是象有些文章说的那样,设计师就会想方设法增加弹射行程。现在的美国航母弹射器冲程几乎都要比战后几年中的航母长二十多米,已经把重载飞机起飞时的弹射过载控制在3g以下了。美法第二代舰载机都采用了前轮拖曳弹射,和拖索弹射相比,这种弹射方式对前机身的强度要求更高,这样作的主要目的虽是为了节省人力,但也说明弹射增重并不严重。


关于弹射器的重量和体积,媒体上说法不一,最高的达千吨,800立方米,有的说是800余吨,最近有一权威性的文章说是525吨,看来这个说法比较准确。弹射器的储汽罐是个重量大户,美航母上的C-13弹射器用的储汽罐直径2米,长为20米,如采用轻重量的制造方法,两个罐的重量也可能在200吨左右。两个汽缸组件加上往复轨道和支撑盖板等也可能在200吨以上。飞行甲板上为安放汽缸留出的凹槽截面积可以从航母照片中大致推算,如果是1.6乘1.8米,则这部分的体积是300立方米。两个罐占据的舱室容积也在200立方米以上,再加上输汽管道等装置占据的地方,总体积就到了600立方米了。从以上推测可以看出,弹射器的重量体积确实是太大了,但对航母来说,弹射器节省了甲板面积,总体效果上是减少了航母的结构重量。再说,弹射器设置在舰首和左舷侧,这些部位通常派不上其他用场。由于是纵向安装,对航母的结构强度影响也不是很大。


弹射器的重量和体积与弹射功率有相当大的关系,美国航母上的弹射器是按起飞重量40吨飞机设计的,采用的是双缸。对于中小型航母,如果是搭载20吨级飞机,则可以采用单缸,重量就可以下降到220多吨。要是为起飞10吨级飞机设计弹射器,则重量更有可能降低到80吨以下,当装置的尺寸大幅度降低后,像储汽罐和支撑盖板这样的结构件重量下降得会更快。


航母每次出航装载燃油6000~9000吨,可供舰上飞机起飞6000多架次,依靠弹射起飞每架次可节省燃油近200千克,总共可节省300多吨,实际上是节能。如果要从效费比上评价弹射器,该装置可能是效率最高的航空支援设备了。


无论是从工程技术的角度看,还是从美国海军的实践看,蒸汽弹射器的可靠性都是不容质疑的。从总体上来说,弹射器只有一个弹射活塞是运动部件,而舰载机弹射起飞过程是一个可控的过程,航母的航速、风向、飞机的起飞重量、弹射时的蒸汽压力等都是可以事先确定的。决定可靠性的关键时刻是在弹射开始后两秒的时间内,在这么短的时间内,弹射活塞是不会出问题的,弹射阀的开启速度也不易出故障,充其量弹射的过载波动大一些。因此,就飞机起飞安全性来说,弹射起飞甚至要比从陆地上起飞还要高一些。美国一航母工程师针对海军发展电磁弹射器的计划指出,“蒸汽弹射器拥有高可靠性,迄今为止,没有一架飞机在近千万次的弹射起飞中因装置本身的故障而出事”。言外之意是怀疑电磁弹射器的可靠性,但也从侧面说明蒸汽弹射器是非常可靠的。


有人认为,俄舰载机为采用滑跃起飞而提高气动力的设计对改善飞机的飞行能力是有帮助的,而弹射起飞增加的重量是纯死重。其实对于飞机设计师来说,他宁愿增加1千克不产生“体积”问题的死重,也不愿意为0.5千克的死重量而带来体积上的麻烦,从这个角度看,弹射器的作用就更不能忽视了。美国海军一直对弹射器相当重视,就是因为弹射起飞对提高飞机主要战术技术性能有很大帮助


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