解读航母弹射器的秘密

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导读: [img]http://img9.itiexue.net/1313/13133145.jpg[/img] 近20年来,有关航空母舰的文章可以说是数以万计,其中有相当多的文章总要或多或少地提到弹射器和弹射起飞,这就使读者们已经对弹射器有了相当了解,但仍然有很多令读者不解的地方,例如弹射器为什么制造困难?开口汽缸是怎样承受蒸汽压力的?俄航母为什么不用弹射器?弹射器的体积重量有多大?本文试图从现有资料、工业类似产品结合一些文章中的观点对以上问题作出一些推断,也许对读者解开一些疑问有所帮助。 [img]



解读航母弹射器的秘密

近20年来,有关航空母舰的文章可以说是数以万计,其中有相当多的文章总要或多或少地提到弹射器和弹射起飞,这就使读者们已经对弹射器有了相当了解,但仍然有很多令读者不解的地方,例如弹射器为什么制造困难?开口汽缸是怎样承受蒸汽压力的?俄航母为什么不用弹射器?弹射器的体积重量有多大?本文试图从现有资料、工业类似产品结合一些文章中的观点对以上问题作出一些推断,也许对读者解开一些疑问有所帮助。

解读航母弹射器的秘密

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!

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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。

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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。


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。附图1为一种英国老式弹射器的开口汽缸截面结构示意图,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。


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上图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。



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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。

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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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