航空母舰弹射器介绍

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导读:重型飞机要想从航空母舰上起飞,必须有蒸汽弹射器。在飞机起飞前,由位持器钢圈把尾部扣在一个坚固点上,飞机前轮附近的牵引杆垂落到一个“滑梭”内,滑梭以挂钩钩住飞机。滑梭是蒸汽弹射器唯一露在飞行甲板上的零件。飞机前面的甲板下,有两个平行圆筒,每个至少长45米,筒中的活塞与所有滑梭相连。蒸汽由母舰上的锅炉输出,增压后输入滑梭。飞机起飞时开足马力,但被位持器扣住。蒸汽弹射器一启动,飞机引擎的动力加上蒸汽压力,使钢圈断开,飞机前冲,在45米距离内达到时速250千米。飞机弹射起飞脱离滑梭后,活塞前端的注管就落入水池,在几
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重型飞机要想从航空母舰上起飞,必须有蒸汽弹射器。在飞机起飞前,由位持器钢圈把尾部扣在一个坚固点上,飞机前轮附近的牵引杆垂落到一个“滑梭”内,滑梭以挂钩钩住飞机。滑梭是蒸汽弹射器唯一露在飞行甲板上的零件。飞机前面的甲板下,有两个平行圆筒,每个至少长45米,筒中的活塞与所有滑梭相连。蒸汽由母舰上的锅炉输出,增压后输入滑梭。飞机起飞时开足马力,但被位持器扣住。蒸汽弹射器一启动,飞机引擎的动力加上蒸汽压力,使钢圈断开,飞机前冲,在45米距离内达到时速250千米。飞机弹射起飞脱离滑梭后,活塞前端的注管就落入水池,在几米的距离内停顿,滑梭移回原位,推动另一架飞机起飞。母舰上每个蒸汽弹射器每分钟可推动两架飞机起飞。通常航空母舰最多装设4个蒸汽弹射器。


要构件包括三部分:


(1)弹射器做动系统:开口活塞筒体、活塞环、引出牵引部分、U型密封条、导气管、模度气动阀门、排气阀、安全阀、测距仪、压力传感器。


(2)弹射器附属系统:海水淡化设备、贮水池、高压水泵、锅炉、加热装置。


(3)弹射器控制系统和导流板。

下面,具体介绍如下:


一、海水淡化设备及贮水池


航母即使没有弹射器(如采用滑跃起飞的),也有海水淡化设备及贮水池,因为生活用水、机器用水也需要淡水,从陆地上补给淡水只是一些近海防卫型护卫舰的办法。有了海水淡化装置,军舰远洋作战能力大大增强,对补给依赖低,而航母是远洋型军舰,不能没有海水淡化装置。有弹射器的航母,不仅生活淡水消耗量大,而且弹射器消耗量更大,根据美军记录:每起飞一架飞机,约消耗1吨淡水。目前,海水淡化技术比较成功的有低压蒸馏及膜透法。其中膜透法已广泛用于民用海水淡化水厂。当然,有了淡化设备还必须有贮水池,用于贮备淡水。


二、高压水泵、锅炉和加热装置


高压水泵的用途是把淡水从贮水池中抽入锅炉,以抵消释放蒸汽而消耗的淡水。由于锅炉在使用时压力很高,高压水泵必须有很高的压力才能把水补充进去,所以高压水泵不仅要有强大的动力以形成很高的压强,而且要有很高的抗压性,对轧钢和焊接工艺提出很高的要求。高压水泵是根据锅炉内淡水量的多少自动补充的,不过早期的是手动控制的,显得比较落后。


锅炉是提供蒸汽的设备,实际上锅炉就是一个储能装置,民用的锅炉比较多,航母用的锅炉原理上与民用没什么区别,但航母的锅炉更大、耐压性能更高,安全标准更高。即使如此,美国与英国航母还是发生过锅炉爆炸和烫死人的事故。高压锅炉对水质的要求也高,高盐、高硬度的海水根本不能进入锅炉。锅炉工作时要消耗大量蒸汽,如果以最小间隔进行弹射,需要消耗航母锅炉20%的蒸汽。


加热装置很多,美国现役核动力航母都是利用反应堆加热,以保证其有足够的能量释放给弹射器。加热装置也是受控的,但在战争时期锅炉是不能熄火的,以保证紧急情况下随时起飞飞机。不能熄火,就意味着锅炉随时消耗大量的能源,如果是常规动力航母,其燃料费用十分巨大。美军之所以发展核动力航母,也是为了在经济上节省能源开支,毕竟从长期来看,核动力运行成本较便宜。


三、开口活塞筒体、活塞、引出牵引部分和U型密封条


航母所用的弹射器早期采用闭口活塞,不过需要一个非常长的动力传动杆把蒸汽能量传给需起飞的飞机,由于几十米长(近百米)的传动杆中间无支点,导致存在传动杆下垂现象,而且会经常把传动杆顶弯的事故发生。后来工程技术人员把传动杆推力改为拉力起飞,解决了这个问题,但发现活塞与传动杆连在一起重量实在太重(大部分重量是传动杆),由于起飞时间短,蒸汽做功很大一部分都消耗在做在了活塞与传动杆上,而且停止时还必须用缓冲器。后来工程技术人员采用活塞开口,活塞环的动能直接从开口处把能量传出去,由于取消了传动杆,大大减少了重量,也同时提高了效率,可以毫不夸张地说:这是一场弹射器的革命,这种方法一直沿用至今。


2 航空母舰弹射器介绍


当然,由于采用了开口活塞筒,其开口对称的筒壁就需要相应加厚,否则在蒸汽的高压下,开口处会增大,导致密封不紧、蒸汽外泄。实际上,除对称筒壁加厚外,开口活塞筒外壁也要加固。


由于采用了开口活塞筒,最大的麻烦是活塞的密封刀经过开口时的密封问题。其实,弹射器活塞与普通活塞没什么两样,不过弹射器上的活塞较长一点,一是增强其稳定性,二是由于密封刀必须非常薄,而推力又比较大,所以只有增加密封刀宽度才能解决问题,而密封刀宽度增加了,活塞也需加长一点。不过,虽然活塞长了,重量并不增加多少,原因是其中间是空的(并非完全空,还有部分钢构),而且活塞为双向密封的。


引出牵引部分是通过密封刀与外部件连接起来的,但弹射器最大的麻烦之处就在于密封刀与U型密封条的结合处。由于密封刀经过时必须把U型密封条在接口处顶开,顶开后与密封刀接缝处肯定会泄漏蒸汽,如果U型密封条的密封力很大,密封效果肯定很好,但密封刀阻力也会越大,U型密封条磨损也就越快,所以为了很好地解决密封、运行阻力及U型密封条磨损问题,美国率先采用了“高压细流水密封技术”解决了这个问题。虽然还会有些蒸汽外泄,但密封刀的磨擦阻力与U型密封条磨损率已经大大降低。不过,不要认为这样就完美了,U型密封条磨损仍然是困扰弹射器的最大心病,日常维护与检修都相当麻烦,虽然一直在不断改进材质及采用新技术,但至今仍不能令人满意,美军对此意见很大。


四、导气管、模度气动阀门、排气阀和安全阀


导气管是把锅炉里的蒸汽导入弹射器,以迫使弹射器工作。模度气动阀门的作用是控制蒸汽进入的速度。由于气动模度阀门有开关迅速及开度易控制的特点,所以气动模度阀门可以控制蒸汽压力而达到控制弹射器的目的。排气阀作用是把活塞筒内的蒸汽排出去。安全阀是为了防止弹射器筒体内压力过高而采用的保护设备。


五、测距仪、压力传感器及控制系统


安装在弹射器上的测距仪可以精确地测出弹射器位置及弹射器的速度,而两侧的压力传感器可精确地读出弹射器内的压力,这些数据以极快的速度送入智能控制处理器(相当于PLC)。智能控制器处理这些数据后,准确控制气动模度阀门,从而达到起飞飞机的目的,也能通过控制气动阀门使弹射器返回原来位置。


弹射器还装有其它仪表,如锅炉水位计、温度计、压力传感器等,这些都要由智能控制器总体控制、统一管理,这样才能使弹射器效率大大提高。


六、燃气导流板


在弹射前,舰载机的喷气发动机已经全速运转,会向后喷射出高温高速燃气流,对后面的人员和器材危害甚大。这时,弹射器后方张起的挡板可使燃气流向上偏转,不会喷向后面甲板,这些挡板叫“偏流板”或“燃气导流板”。一般来讲,每个弹射器后面有一组共3块燃气导流板。当单发飞机起降时张开正中一块;当双发飞机起降时三块都张开。为降低燃气流的灼热温度,燃气导流板后面都装有供冷却水循环流动的格状水管。燃气导流板要求耐高温、耐冲击,能经受忽冷忽热和飞机降落时的强大冲击力,加工制造难度很大。


七、其他设备


其实,不要以为以上这些就是航母弹射器的全部设备,实际上还有弹射器固定装置、降温装置、专用维修工具和专用维修通道等。为了保证弹射器正常运行,航母上每天有数十人(至少40-50人)为运行、维护和保养弹射器而忙碌不已。


八、弹射器工作流程


(1)第一步:弹射飞机


当锅炉的蒸汽可以满足弹射使用时,模度气动阀门才能打得开,这时飞机发动机起动,同时弹射器作信号发出,工作侧气动模度阀门打开,同时返回侧排气阀打开,活塞在高压蒸汽推动下同时通过密封刀推动牵引部分带动飞机,使飞机高速运行,活塞另一侧筒内则因压力剧增使余气从排气阀迅速排出,当达到起飞速度时,工作侧气动模度阀门开闭,同时排气阀也开闭,由于活塞没有了外力(蒸汽推力),同时也由于排气阀开闭,使活塞运行时受到极大阻力而停止。当然,为了安全起见,返回侧还是装上了缓冲器。


(2)第二步:弹射器返回


为了弹射另一架飞机,弹射器必须在极短的时间内迅速返回原位,返回时与上述程序相反,返回侧气动模度阀门打开,同时工作侧排气阀打开,活塞在蒸汽压力下返回到原位。当然,返回侧的压力没有弹射侧的高,因为只是让弹射器回来而已。弹射器返回不同于工作,工作时只要飞机起飞了,弹射器立刻停止,而不管弹射器在什么位置(当然不能到头),而返回时则需要弹射器准确地停在起飞飞机的位置上,为方便起飞飞机,同时以减少起飞时间。


九、弹射方式简介


舰载机起飞时都利用弹射器轨道上的滑块把飞机高速弹射出去,而依据舰载机与滑块的联结方法,弹射方式可分为拖索式和前轮牵引式。


(1)拖索式弹射方式是50年代开始使用的老方式,需要8-10名甲板人员先用钢质拖索把飞机挂在滑块上,再用一根索引释放杆把其尾部与弹射器后端固定住。弹射时,猛力前冲的滑块拉断索引释放杆上的定力拉断栓,牵着飞机沿轨道迅速加速,在轨道末端把飞机加速到直起飞速度抛离甲板,拖索从飞机上脱落,滑块返回弹射器起点准备下一次工作。


(2)前轮牵引弹射方式是美国海军1964年试验成功的。舰载机的前轮支架装上拖曳杆,前轮就直接挂在滑块上,弹射时由滑块直接拉着飞机前轮加速起飞。这样就不用8-10名甲板人员挂拖索和捡拖索了。弹射时间缩短,飞机的方向安全性好,*作简便。但舰载机的前轮起落架需要做专门设计并加固,美军现役核动力航母都采用这种起飞方式。


十、蒸汽弹射器的缺陷


(1)维护成本大,U型密封条更换频繁而又十分麻烦,对材质要求高;


(2)使用蒸汽弹射器成本大,效率低,配套设施多,系统烦琐,各个环节要求高;


(3)需消耗大量淡水,美国曾为此考虑过蒸汽冷凝回收装置,终因体积大及效率低而取消。


由于蒸汽弹射器存在以上不足,所以美军对蒸汽弹射器不满,从而催生了电磁弹射器。不过,电磁弹射器现仍处于研制阶段,短期内很难投入美军现役 !



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