我是反对造航空母舰的。不过,看在许多航母派网友的热切盼望的份上,我国可能会造1、2艘航空母舰来玩。造航母不是困难,困难在于舰载机。没有舰载机的航母出海打仗,就是送死。我国现在还没有适用于航母的舰载机:KJ-2000和KJ-200都太大,太重,不适合上舰。最适合的是运7。我相信,以运7为平台的预警机正在加紧研制中:不仅仅是为了上舰,而且是作为战术预警机,和KJ-2000配套使用。

舰载机必须用弹射器,运7也不例外,否则飞不起来。搞蒸汽弹射器?技术难度大,成本高,搞电磁弹射器?也不是很简单的东西。何不绕开这些框框,把思路放开些,另外走出一条具有中国特殊的弹射器的新路来?


一,弹射器的历史

用弹射器来帮助舰载机起飞,早在航空母舰正式登场前的战列舰时代就开始了。早期战列舰,重巡洋舰上大部分是飞轮式的弹射器。这种弹射器由飞轮储存机械能量,通过离合器拉动钢缆进行弹射。火箭助推弹射器多用于小型的舰船。二战中,英国为了对付德国潜艇,使商船队拥有一定空中力量,曾为商船装备了能让飓风式战机起飞的弹射器,这种简单的弹射器就是火箭助推式的。不过,这是在航空母舰出场之前,在战列舰、巡洋舰、商船上放飞飞机的办法。航空母舰正式登上战场后(上世纪30年代),大部分飞机都能凭本身的动力全负荷在航母甲板上起飞,弹射器也就显得多余了。但是,为了让航母在更短时间内让更多飞机升空,英国当时的“凯旋”和“勇气”号航母就装备了压缩空气气压弹射器。这个时期的气压液压弹射器多采用活塞顶杆结构,有滑轮钢缆系统,最大功率达到5兆焦耳。

这个时期下水的美国航母“萨拉托加”和“列克星顿”号上,使用了当时技术上较可靠的飞轮式弹射器。当时的弹射器,已经可以用比较短的弹射周期进行弹射。可是,弹射器的使用在运作上却增加了升空甲板人员运作的复杂性,令本来已经复杂的升空运作变得更难执行,反而导致升空延误。这个难题曾困扰航母多年,并导致弹射器被列为受淘汰设备。

二次大战爆发后,由于护航的需要,开发了护航航母,由于这类航母的甲板距离短,飞机必需依靠弹射才能起飞,弹射器成为必不可少的设备。最初装备在护航航母上的是飞轮弹射器。后来开发的大功率的液压弹射器在1943年正式投入使用,“企业”号是首批改装使用这种型号为H2-1的液压弹射器的航母之一。在这之后护航航母大部分装备了这种液压弹射器。性能上H2-1弹射器可以将11000磅的负荷在73英尺内加速到70英里/小时的速度。基本满足当时的作战需要。

经过二次大战的实战考验,航母的运作技术发展得更加成熟。二战到了末期,喷气机开始出现,喷气机起飞距离的增大和飞机重量的增加,导致对弹射器的功率要求更大,可是,液压弹射器已经达到技术极限,当时已经证明这种技术的最大输出功率只能达到20兆焦耳。推进活塞速度达到90英里/小时之后的工作效率急剧下降。而且,弹射器的液压油在高速流动推进时有沸燃现象,在安全性和工作可靠性上存在极大问题,而且顶杆钢缆系统重量很大。当时弹射器的问题成为延误航母使用喷气机的主要原因,此时,英美意识到高能弹射器技术的重要性,就着手开发新技术 。

在技术方面,为提高弹射器的效率,30年代已有人提出了“直接驱动”(DirectDrive)的结构概念,着重于降低驱动装置的动态总重。从而改善弹射器的加速效率。开缝式汽缸设计就是在这种概念下产生的。作为动态结构的活塞和牵引器用最短的距离直接连接,以减低推进活塞和牵引器这两个动态结构的重量。于是,诞生了蒸汽弹射器

蒸汽弹射器问世于1950年8月,原型机是英国海军航空兵预备队司令米切尔研制的,美国海军购买了专利并将其发展成熟。目前在“尼米兹”级航母上装备的C-13蒸汽弹射器长76.3米,每分钟可以弹射2架舰载机,功率强劲得可以将一辆两吨重的汽车弹射到两公里以外的海面。

不过,蒸汽弹射器的缺点也很多:它体积庞大,如C-13蒸汽弹射器长76.3米,总重量接近500吨,各种输送高温、高压蒸汽的管道、特别是储气罐,占据了庞大的体积(这些设备在飞行甲板下,体积达数百立方米);结构复杂,(从内部结构上看,一台蒸汽动力弹射器按功能可以分成7个主要系统:1.起飞系统 2.蒸汽系统 3.归位系统 4.液压系统 5.预力系统 6.润滑系统 7.控制系统 。这还不包括蒸汽锅炉和海水淡化装置),操作工作量惊人(要用120人来操作),维修周期短(两次重大故障间的平均周期是405次。美国的C-11-2型弹射器每弹射500次就要海上停飞,由随舰人员进行1-2天的检修。);战损后维修难度很大(甲板上的开缝式气缸变形后,很难恢复);工作时要消耗大量蒸汽,效率低,功率浪费严重,(一次弹射一般要消耗700千克到1吨蒸汽,每次弹射结束都有大量蒸汽被排除,带走大量能量,其效率一般在4%~6%之间。)工作时要消耗主锅炉大量蒸汽,如果以最小间隔进行弹射,需要消耗航母锅炉20%的蒸汽;蒸汽弹射器对飞机的加速度很不均匀,打开蒸汽阀门时,飞机的加速度可达6G,这对于飞机和飞行员都是难以承受的。随着速度和气缸容积的增加,过热蒸汽的膨胀绝大多数能量用于蒸汽本身的加速和推动上了,而体积增加后气体膨胀所需蒸汽的比例成立方关系增加。到弹射冲程的末端,蒸汽基本上只能加速活塞,对飞机的帮助不大。整个行程的平均加速度仅有2G多一点。F/A-18战斗攻击机飞行员常产调侃C-13-1弹射器在后段往往没有飞机自身的发动机加速得快。它的最大缺陷在于因为弹射功率太大而无法发射无人机,现役的无人机因为重量轻,在弹射时机体会被加速度扯碎。加工技术困难和价格昂贵也就成为其特点。

所以,世界上使用蒸汽弹射器的只有美国和法国的航空母舰。法国人用得少,自己造价格更高,只好买美国的蒸汽弹射器。所以,现在世界上只有美国在造蒸汽弹射器。

为了避免蒸汽弹射器的缺点,美国早在30年前就开始了电磁弹射器的研究。至今花了32亿美金的经费,最近的试验却以失败而告终……。


二,弹射器的工作特点

弹射器的工作特点是功率大,工作时间短。起飛時一個蒸汽驅動的彈射裝置帶動飛機在兩秒鐘內達到起飛速度。在他得到起飛信號的同時飛行員放開剎車,射手則同時起動起飛裝置,將飛機彈出跑道,這時飞机和飛行員約承受6G的重力加速度。這個過程一共持續1.5秒鐘。每次弹射最大输出能量可达到95兆焦耳,而这95兆焦耳的能量要在1.5秒的时间输出,功率达到了63兆瓦(6.3万千瓦)!而核动力航空母舰核反应堆的功率只有20万千瓦!可见蒸汽弹射器消耗功率之大!好在它的工作时间只有1.5秒钟,而且有高温、高压蒸汽储气罐存储蒸汽……。

可以看出,弹射器是爆发式的工作的。如果没有高压储气罐把蒸汽储存起来,靠核反应堆锅炉直接供应蒸汽,是不能满足弹射器的工作需要的。

蒸汽弹射器的本质就是一个长气缸的蒸汽机。而蒸汽机的工作特点不是爆发式的,而是连续式的。同样的,电磁弹射器本质上就是一个长程直线电动机。电动机也是连续式工作的,不能爆发式的工作。所以,电磁弹射器需要在大功率直线电动机和高能储能装置就成了电磁弹射器的技术关键。

内燃机是爆发式工作的,所以,在美国的“企业号”航空母舰上,就装有一条内燃式弹射器。不过,因为冲程太长,效果并不好。所以又加装了蒸汽弹射器。

火箭具有爆发式工作的特点。所以,从工作特点来看,最适合做弹射器的是助推火箭。

在飞机的挂件架上,加挂一个固体火箭发动机,在舰载机起飞时,启动火箭发动机,给飞机一个附加的动力,一个附加的加速度。经过滑跃甲板给它一个向上的速度,可以使舰载机在短跑道上飞离航空母舰。



三,固体火箭助推

首先是看火箭的推力够不够。

以最简单的固体火箭燃料—黑火药为例:它由75%的硝石、15%的碳和10%的硫磺组成。典型的黑火药容易发生爆炸。可以将混合比例改成72%的硝石、24%的碳和4%的硫磺。这种情况下,您得到的不是火药,而是简单的火箭燃料。这种混合物的燃烧速度极快,但它不会爆炸。它着火时,发生如下反应:

2KNO3 + S + 3C ==== K2S + N2 ↑+ 3CO2 ↑

硝酸钾分解放出的氧气,使木炭和硫磺剧烈燃烧,瞬间产生大量的热和氮气、二氧化碳等气体。由于体积急剧膨胀,压力猛烈增大。据测,大约每4g黑火药着火燃烧时,可以产生280L气体,体积可膨胀近万倍。

设弹射器工作长度为200米;

飞机起飞的速度100米/秒(360公里/小时);

加速时间4秒;(加速度为25米/秒^2,即2.55G);

飞机重量为22吨(2.2*10^7克,运7的最大起飞重量。与美国的E2-C预警机使用的飞机相似)

需要推力为2.2*25*10^9=8.5*10^10达因(5.5*10^5牛)。需要做的功为20000厘米*5.5*10^10达因=1.7*10^15尔格=1.1*10^8焦耳。

我们来计算一下,1公斤的改性黑火药燃烧产生的能量。

能量来自改性黑火药的碳氧化释放的热量。碳的燃烧值是34070kj/kg。1公斤改性黑火药含0.24公斤碳。燃烧后产生的热量是8176.8kj=8.176*10^6焦耳。

从上面的计算可以看出,一公斤的改性黑火药燃烧的后释放的能量,超过了弹射一架运7飞机需要的1/14.。只要不到15公斤的改性黑火药,所释放的能量就可以达到1.2255*10^8焦耳,足可以把一架运7飞机弹射出航母了。这还不算运7本身的发动机提供的推力。不算滑跃甲板提供的升力。而美国使用的蒸汽弹射器的输出能量也就是95兆焦耳(9.5*10^7焦耳),还没有15公斤黑火药提供的能量高!

当然,黑火药燃烧后释放的能量不可能完全转换成推力。就算20%的效率吧,75公斤的黑火药就足够了!

这里可以证明,用固体燃料火箭助推飞机,即使是用黑火药这样的极其普通的燃料,推力也是足够的!

用黑火药作为固体火箭的燃料,技术是很成熟的。我国普遍使用的防冰雹的土火箭,就是用黑火药作燃料。700克黑火药就可以把300克的炸药送上2,000米的高空爆炸,驱散冰雹。而这种土火箭的箭体,竟是用牛皮纸裹成的!喷嘴是用石棉短纤维加粘土、水玻璃作的。说明这种土火箭是很安全的!这种土八路式的东西,虽然简单,但是,很好用!用在助飞火箭上应该没有问题。

当然,也用不着那么寒酸,用牛皮纸来裹成助飞火箭。简单的箭体用无缝钢管就可以了。把钢管的前头封死,把后面做成喷嘴,就是一个简易的固体燃料火箭了。设计好装药量,选择好钢管的直径和长度,把钢管两头加工好,装上黑火药,就可以上飞机助它起飞了。

用火箭助推,飞机和飞行员承受的加速度是均匀的,不像蒸汽弹射器那样一来就很大(最大可达6G),后来就很小了。而用火箭助推,加速度只有2G多。这对于飞机和飞行员都是大大的好事!飞机可以使用更长的时间,飞行员不必承受很大的加速度的折磨。

推力没有问题了,成本如何?

黑火药的市价不会高。民间私自做的,一公斤4元人民币。75公斤价值300元。

黑火药是很便宜,火箭体呢?很贵吗?

也不贵。如果用土八路的办法,用牛皮纸就可以做成弹体了。当然,在航母上不能如此寒酸。至少也应该用无缝钢管吧?

我们来算算装75公斤黑火药要多大的无缝钢管。黑火药的密度是1.2.,75公斤黑火药的体积是75/1.2=62.5立升。即62.5 *10^3毫升(6.25*10^4立方厘米)。如果用外径为426毫米、壁厚为11毫米的无缝钢管,它的内径应该是415毫米。半径为207.5毫米,内截面面积应该是1353平方厘米。体积为6.25*10^4立方厘米无缝钢管的长度应该是62500/1353=46.22厘米。不算长吧?当然,也可以用细点的,长点的无缝钢管。

这样一段无缝钢管的重量应该是:它的外截面面积建区内截面面积再乘上长度再乘无缝钢管的密度:3342.3*7=23396克=23.4公斤。这种无缝钢管每吨价格是5700元人民币。每公斤是5.7元人民币。23.4公斤的价钱是134元!当然还有头部和喷嘴,再加上67元吧,一共是200元人民币。

300元的黑火药,200元的弹体,一枚固体助飞火箭500元!

用这样大的火箭,是在没有考虑飞机本身的发动机的推力和滑跃式甲板的作用(见下节的分析)。如果考虑到这两个因素,300元应该够了吧?

战斗机可以用滑跃式起飞,直升机根本用不着助飞,至于无人机,有些无人机设计时就是用火箭起飞的(无人机安装在零长发射装置上,在两台助飞火箭发动机推力作用下飞离发射装置,飞机起飞后,扔掉助飞火箭,由机上主发动机完成飞行任务。例如加拿大CL-289、英国“小鹰”无人机,中国的ASN-105侦察无人机,D-4侦察无人机系统。)只有预警机需要助飞。用不着多少助推火箭的。

再算算蒸汽弹射器每次弹射的消耗。

别的都不说,每次弹射预警机消耗的蒸汽是1,000公斤。这些水从25度加热到100度,需要消耗热量:4.2千焦耳/公斤(水的比热)*1000公斤(水的重量)*75(温度变化)=3.15*10^8焦耳;再烧成蒸汽,消耗的热量就是2260千焦耳/公斤(水的气化热)*1000公斤(水的重量)=2.26*10^9焦耳。加起来是2576*10^6焦耳。折算成715.6千瓦小时(度)。以1度电0.5元计算,一次弹射消耗的电费就是357.8元!比火箭还贵57.8元。这还是计算的在大城市大型发电厂发的电价,而不是航空母舰上的核电价格,还没有计算海水淡化的成本、蒸汽弹射器的制造成本、维护经费、100多操作人员的费用。

有的网友有会问,每次预警机起飞都要火箭助推,那么多火箭放在哪里?不用愁。取消蒸汽弹射器,就取消了它占用的场地:500吨的重量的设备,特别是几百立方米的大型高温高压储气罐。把这些东西抛弃了,地方不就出来了吗?

有的网友又会问:放那么多火箭在航母上,不安全。其实,航母上不安全的地方多了。弹药库安全吗?燃料库安全吗?而且,助推火箭也不多。一天预警机起飞四次吧(预警机6小时换班),用四支火箭。每月120支,每年1440支。每支100公斤吧,也才144000公斤,144吨。比起500吨的蒸汽弹射器轻多了。1支火箭0.07立方米,1440支火箭占地100立方米。比蒸汽弹射器占用的体积小多了。

还有的网友会问:火箭燃烧后的尾气温度很高,会烧坏甲板。我认为不会。黑火药燃烧后连牛皮纸的外壳都不会烧坏(见前面说的防雹土火箭),怎么会烧坏钢铁的甲板呢?


四,滑跃甲板

我们再来说滑跃甲板。

世界上的航空母舰,除美国和法国的以外,包括发明蒸汽弹射器的英国,都是用的滑跃式甲板起飞舰载机,而不要蒸汽弹射器。滑跃甲板可以使滑行的飞机有一个向上的速度分量,使飞机离开甲板后,延长腾空的时间,不至于立即下坠到海面。在这个被延长的时间里,飞机的发动机继续为飞机加速,使飞机在下坠到海面前,达到起飞的速度。如果滑跃式甲板的倾斜角为12度(经典的角度),如果飞机离开甲板的速度为50米/秒,那么,它产生的向上的速度为:

50米/秒*sin(12°)= 50米/秒*0.208 =10.4米/秒。

在这个速度和重力作用下,飞机会被向上抛1秒多钟,再经过1秒多钟,才落到原来甲板的高度。也就是说,飞机增加了2秒多的腾空时间。在这2秒钟,飞机发动机继续为飞机加速,使飞机达到起飞速度,飞向天空。

苏-33为例。苏-33的最大起飞重量不到30吨。发动机的推力是2*14.8吨,即29.6吨(290千牛),折合2.9*10^10达因。发动机推动苏-33的加速度为967厘米/秒^2。即9.67米/秒^2(秒平方)

设甲板跑道长200米。飞机从零速度加速到跑道200米处,需要6.43秒,速度将达到62米/秒。经过滑跃甲板向上引导飞机,飞机向上的速度将达到12.9米/秒。飞机将被上抛1.31秒到8.4米的高度再往下落。再经过1.31秒(共2.62秒)才落到滑跃甲板的水平。也就是说,飞机增加了2.62秒的腾空时间。在这2.62秒,发动机将继续为飞机加速,把飞机加速到87.5米/秒。再加上滑跃甲板离海水水面的高度(一般大型航母在30米以上),飞机还有约7秒多钟的时间才会落到水面上。在这7秒多的时间,发动机继续给飞机加速。不需要7,再过2秒,飞机的速度将达到106.8米/秒(约385公里/小时)。完全达到了起飞的速度要求!

从上述的分析可以看出,滑跃甲板增加了飞机腾空时间达两秒多钟,正是这两秒多钟,使飞机继续加速到起飞速度!

滑跃甲板对飞机的推重比要求很高,如果飞机发动机的推力不够,则达不到起飞的速度,不能以滑跃方式起飞。但是,它总可以帮助飞机以较小的速度、从航母较短的跑道从航母上起飞。只要有外力助跑,通过滑跃甲板,起飞更大型的飞机是完全可能的。美国人用的是蒸汽弹射器助飞机一臂之力。我的建议是,用火箭助推器,加上滑跃式甲板,也可以助飞机起飞一臂之力!

所以,虽然蒸汽弹射器是英国人发明的,但是,英国自己的航空母舰,都不用它,而是使用滑跃甲板!就连英国最新、最先进(还在制造之中的“伊丽莎白女王号” )的新航母,虽然也准备了蒸汽弹射器,但还是保留了滑跃甲板!

火箭助推加上滑跃甲板,应该可以解决舰载预警机从航母上起飞的问题。

当然,这些分析都是纸上谈兵。没有经过试验,不能说绝对正确。但是,飞机用火箭助推起飞,不但以前有,现在还在用:飞豹就有火箭助推的火箭挂件,米格21(歼7,见附图)也有火箭助推的设备。用在航空母舰上的预警机上,理论上应该没有问题。实际上怎么做,那是技术专家们的事情了。

再论火箭助推弹射器


我在这里抛个砖,希望引得好玉来。更希望引起有关部门的注意:何不花点时间试验一下?

欢迎各位网友发表高见!特别是计算中有什么错误,敬请指正。


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