[普及]航母液压弹射器为何会被淘汰?!(大量原理图)

海军论坛里最近关于液压弹射器的帖子最近弄得沸沸扬扬,回帖率甚高,的确是一件很有意思的事情,这让我年近半百的人想起年轻的时候热衷于永动机的发明。

永动机,呵呵,多么可爱的词,这个曾经让半个世纪的人为之奋斗的东西,直到现在还在吸引着一些偏执的爱好者去追求。的确,对于这种执着,我们真的需要怀着崇敬的心情来仰慕的。

对于弹射器,首先声明我不是专业工程师,仅仅只是比较喜欢物理学而已。看到大家谈论液压弹射器,我也很乐在其中。

既然如此,我不如转来一篇目前看来还比较专业的帖子,在这篇文章里,我们能够看到类似铁血网友青岛海草、河南大牛牛等人的观点,对与铁血这些网友讨论,我除了尊重就是敬仰。

当然,我觉得既然要谈论航母弹射器,要清楚几个基本问题。

首先,我们要知道上30-50吨的舰载机在航母上起飞需要达到250-270公里/小时的初速度,这是舰载机必须的起飞速度。这部分动力在弹射方式的航母上,是以弹射器+飞机自身动力获得的。在跃式航母上则完全靠自身动力,因此跃式航母的舰载机载重重量受限。

其次,弹射器弹射器重点在“弹”,实在理解不了这个问题,就把“弹”理解为“抛”出去吧。

既然是“弹”或者“抛”,就必然涉及到一个加速度,但匀速能不能弹或者抛呢?

当然可以,开过车的人都知道,汽车开到每小时100公里的匀速时,当它撞到前面一辆每小时只有50公里的汽车时,肯定能把前面那辆车弹出去。

问题在于,液压系统能获得这么高的速度吗?

记得一位铁血网友说到,一吨的汽车0-100公里加速都如此困难,何况30吨以上的飞机要在100米距离里面获得起飞需要每小时250公里以上的速度,液压弹射系统能否提供这种爆发力呢?

我也曾经提到,液压可以平移一栋几百吨的建筑几米甚至几十米,但是要把这栋建筑弹起一厘米,需要怎样庞大的系统才能做到这一点啊!

再次,作为军用而言,蒸汽弹射器已经做到不到一分钟就能弹射一架飞机,液压系统的回复能力又是否能满足这样的时效呢?

之所以提到液压回复能力,是因为液态尤其是油性液态物质在管道里的流速必然是一个非常缓慢的过程,我们不可能只考虑推弹一架飞机,然后在一个漫长的等待过程中再来推弹第二架飞机

理解这个问题并不难,我们知道物体的形态无非三种,液态、固态、气态。如果我们设想在一根管子里,哪一种状态下的物质跑的最快,我想首先就是气态物质,然后才是液态,最后才是固态物质。

不要以为固态物质不会在管道流动,发电厂的灰渣就是靠管道输送的;医院里最现代化的取药系统,包括囊式传送,也是固态物质在管道里的输送,尽管这里面肯定会有空气作为介质。

但从基本面讲,就效率而言,液体流动的阻力远比气体大,效率较低,爆发力更低

况且,油性液压造成的泄漏还容易着火,维护系统更加繁杂和危险

好了,当我们理解了这几个基本问题后,我要告诉大家的是,液压弹射器在螺旋桨式飞机时代还真的曾经有过,但是当喷气式分机诞生后,液压弹射器就被淘汰了。

由此,我们转入正题,看看航空母舰弹射方式的过去、今天和未来吧。

(尽管是转帖,但大量附图和文字,重新编辑比写一篇还麻烦。问题是就这么一个技术贴,还竟然有敏感字符,一直处于无法发帖的状态,好在老夫有自检的能力,经过几小时的排除法,从昨晚十点一直干到现在,给点掌声吧,谢谢!)

=========================以下为正文转载

航空母舰弹射器原理

[英] the catapult for aircraft carrier

1 航空母舰弹射器介绍

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(该死的敏感词!)、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。

早期的舰上弹射器<p></p>在飞机发明后的不久就出现了水上飞机,各国海军在使用水上飞机时候,为了让舰只在不用停下来的情况下,舰艇能让飞机在短时间内升空。各国开始开发助飞装置,这种装置最早是装备在大型水面舰只上的水上飞机弹射器.结构上有落重式,飞轮式,火箭助推式,液压式和气压式多种。

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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,这种简单的弹射器是火箭助推式的。这类弹射器性能上来讲,弹射周期都相当的长。

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航母最早使用弹射器的是1922年从运煤船改装而成的“兰利”号

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虽然最高航速只有15海里,“兰利号”这艘航母却是美国海军航空兵非常成功的试验平台,航母技术里最关键设备如弹射器,拦机网和升降机技术都在“兰利”上得到了试验。从这艘航母得到的经验和数据,对后来航母设计和运作有极大的影响。

30年代,大部分飞机还能凭本身的动力全负荷在航母甲板上起飞,装备弹射器的本来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

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经过二次大战的实战考验,航母的运作技术发展的更加成熟。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。

机械上,这种结构的难度是既要让驱动活塞/前引器结构在汽缸缝里自由移动,又要保持必要的工作压力。最大的技术问题是如何防止泄漏导致压力下降。不少设计者曾为此提出过多种不同的解决办法,最早的方案是在汽缸缝上设置弹性结构,既能让活塞结构通过,又可以在活塞通过后不让外漏。这种设计在40年代末曾用在 XH-8液压弹射器上,性能上,XH-8弹射器可以将15000磅的负荷加速达到120英里/小时的速度。可是,试验中也发现,弹性密封装置在高压状态下密封效果很不理想。

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。

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蒸汽弹射器的开发

1950 年,英国海军开始在“英仙座”航母上正式对蒸汽弹射器进行一系列的试验。试验中,研究人员成功地解决了影响开缝式气缸工作的两个最大问题,第一是气缸缝受 缸内压力扩张的问题,第二是弹射气缸本身受热后变形的问题。1952年对蒸汽弹射器的试验证明成功,这种被称为米切尔式弹射器的装置正式开始装备而且被沿 用至今。

通过技术合作,美国直接参与了“英仙座”航母的弹射器试验而获得的这项技术,此后将研制成功的型号为C-11的蒸汽弹射器装备在“汉考克”号航母上,并在1954年6月1日成功完成弹射操作。航母也从此进入全面喷气时代。

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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。

经过一系列的研究和试验后,发现最简单的方案,是在汽缸内放置密封条,然后通过前进的活塞,将汽缸里的金属密封条直接顶入汽缸缝,并利用缸内的压力将密封条压紧,从而压力的不泄漏。

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值得一提的是,在40年代开发蒸汽弹射器的同时,美国曾进行了**型的飞轮储能弹射器和电动弹射器的开发和试验。理论上飞轮储能弹射器可以达到很高的功率, 但是因高速离合器的技术难题得不到解决而很快被放弃。

值得注意的是,当时在电动弹射器上研究上,西屋电气公司成功研制了称为“电弹器” (Electropult)的弹射器,结构上跟目前热门的电磁弹射器结构几乎一样,采用直线电机设计,而且在弹射功率与蒸汽弹射器相似的输出。只是因为运作昂贵而被放弃。不过,飞轮和直线电机技术在最近这20年被重新开发,现在热门的电磁弹射器上运用的就是飞轮储能器和直线电机技术。

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弹射气缸是弹射器最大的一个部件,从图片里面可以清楚看到,整个气缸是分段制造,最后连接而成的。每段气缸长约4米,接口处有密封槽,整个汽缸是通过底座固 定在弹射器槽的气缸轨上而连成一体。这种多截连接气缸结构有利于降低生产,运输和维修的成本,而且可以更灵活地应付整体上的热变。

这东西设计其实很简单,原理也很简单。但是对材料和工艺的要求非常高。而材料工艺正是我们的短项。

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下图为美国航母飞机的起飞程序

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上图:弹射器起跑准备状态

弹射的时候,蓄压罐内的蒸汽由弹射阀门释放到弹射汽缸内,缸内压力上升推动活塞前进。弹射阀门的另外一个更重要的作用是精确控制蒸汽进入弹射汽缸的流量变化,以此控制推力和弹射的加速度,以保证飞机结构不会超负荷。

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总结:蒸汽弹射器

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。

中国,虽然航母不是万能,但是中国没有航母,是万万不能。科技发展强大生命力,在于吸收,创新。

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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。

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早期的螺旋桨式飞机由于起飞速度不大,可以轻易从甲板上自行滑跑起飞,但喷气式舰载机的重量和起飞速度急剧增大,只能通过弹射器起飞了。

美国的C-13-1型蒸汽弹射器长76.3米,每分钟可以弹射2架舰载机。如果把一辆重2吨的吉普车从舰首弹射,可以将其抛到2.4公里以外的海面,可见其功率之大,爆发力之大,材料的承受力之大。

蒸汽弹射齐结构很复杂,而且目前只有美国一家垄断,所以技术非常保密。它相对与俄罗斯的滑跳试飞行甲板的优势在于俄罗斯的滑跳试飞行甲板要起降飞机必须逆 风,在起降舰载重型战斗机,如苏-33时滑跑距离要比弹射器长许多,而且天气情况稍差一点就不能正常起飞,而弹射器就没有这些方面的顾虑。但蒸汽弹射器结 构复杂,重量大,滑跳试飞行甲板相对于蒸汽弹射器的优势就是结构简单和减轻了重量,技术难度也低。

可见,弹射飞机的二要素:

一:储备强大的,能爆发的动能。

二:驱动装置,能承受“瞬时爆发力”的附属设备。

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时代,在呼唤中国的国产电磁弹射航母,早日出世。

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本文内容于 2013/9/15 15:12:53 被向月苍狼编辑

[ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]

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评论

评 论

热门评论

53楼gk2368

......
48楼 生不逢时zhy
本人认为青岛海草的液弹要比蒸弾有一定的优点
49楼 gk2368
只是你的见解而已,实质上液压弹射器的先天性缺陷使其无发展前景

50楼 生不逢时zhy
你能否讲一讲你所认为液压弹射方法
51楼 gk2368
液压阻坭太大,不宜高速运动,要克服这点又要费太多机构

52楼 生不逢时zhy
好好想,不要停在用缸直接推动飞机

是因为不能用缸直接推动飞机,所以,必须增加其他辅助构造来实现,这个辅助构造有杠杆式的还有其他形式的,不管是什么形式这个辅助构造不但复杂还很庞大,这对于航母来说是不允许的。正是因为这一缺陷导致液压弹射上不了航母。

时下液压在世界各行业的应用基本上是用于对速度要求不高的领域,如用于的千斤顶推力传动、自动卸车顶杆和各种 吊装机械等。


[普及]航母液压弹射器为何会被淘汰?!(大这个就是牛顿第二定律的问题,F=MA,合外力是F,就是发动机推力和弹射牵引力的总和,M就是飞机的质量,A就是加速度,保证飞机离舰时能加速到当前质量下的最小平飞速度以上,弹射索引力的设定是根据机型和挂载情况确定的。蒸汽弹射索引力作用时间较长,可以保证加速度衰减较慢,液压弹射作用时间短,瞬间加速度可以较大,但马上就进入衰减,无法保证加速度的持久,举个例子,就像是自行车室内赛里那个助手在启动时推你一把一样,对于二战前的质量较轻的平直翼飞机还能用,现代的大起飞重量的小升阻升翼型的无法使用。瞬间作用力太大了,机体强度、挂载武器、飞行员的身体素质承受不了,小了不管用。F14在起飞前把机翼展开接近平直翼,是为了获得最大的升力面积。


我也来凑个热闹:

两件事:一是能不能分段加速,这样子弹射器可以分为两三级,前一段大功率,低动能,将飞机加速到一定速度。后一级高速高动能,进行后段加速,可以使飞机获得更好的加速,就像汽车的档位一样。这样子可以减少功率的需求。

二是应该可以设计出临时性的弹射器,只给大型加油机,预警机使用,比如使用火药,固体燃料,液体燃料等的,类似于火箭发动机的东西,这样子可以在滑跃式起飞的基础上解决大型飞机的起飞难题,在没有成熟的弹射器的情况下解燃眉之急。

29楼 calvinzeng
了解之后 蒸汽弹射就是材料和工艺问题

这个其实只要肯投入大量人力物力还是能解决的

苏联用滑跳起飞是有所在地区寒冷的原因 蒸汽弹射维护困难 还有他当时造的是常规动力航母 缺乏足够的蒸汽动力来源

瓦良格航母之后出现核动力航母已经看到了有蒸汽弹射的设计

所以并不存在技术上的问题

我觉得蒸汽弹射对中国今天的工业来说 应该是有挑战 但不会成为过不去的坎

而对于电磁弹射 貌似中国没有相关新闻 美国方面一直有电磁炮什么的新闻

我觉得电磁炮或者电磁弹射 主要问题是超导和瞬间输出能量的载体

超导技术中国之前一直有相关报道

另外重点是瞬间能量输出

最近看到中国有超级电容的信息 其实电容能作为瞬间输出能量的载体

这个会不会是中国电磁弹射相关放出来的信息

老瓦的常规动力不存在蒸汽来源问题,因老瓦本身就是蒸汽轮机驱动的,蒸汽是现成的。

毛子最初不用这个玩意,其一是弹射器研制起步晚,尚未来得及出成果,其次是高纬度地区存在蒸汽导致甲板结冰的情况。

而毛子最终也还是走了蒸汽弹射的路子,其老瓦的后续级别乌里扬诺夫就是蒸汽弹射,但是因苏联解体未能完成。

电磁弹射的技术瓶颈主要在超导直线电机上,高温超导材料的研制水平直接关系到这个玩意能不能实用化,至于储能方式,电容储能的能量密度较大,只是成本较高,单不是不可逾越的技术障碍。

国内电磁弹射最近也有爆料,还是因为其核心技术高温超导材料,中国实力并不弱,这个可以跟踪国内有关报道。此外,中国拥有唯一一条正式运营的磁悬浮列车线路,当年从德国引进的,这玩意肯定不是为了从浦东到机场这么点事花大价钱买来好玩。综合来看,国内电弹技术发展可以说是至少10多年前就开始着手了。


26楼 青岛海草
不信怎样?信又怎样?毫无意义!

本文内容于 2013/9/17 22:20:44 被青岛海草编辑

昨天看了一下你的帖子的简述,因为工作忙没有来得及回复你,结果你修改了,但大体意思我清楚。

你提到的用十根细管来分流,你认为分流会让流速减慢,这样就能降低沸然点,以及提高做功。

因为这和我的专业有点点相关,所以我提请你注意两个问题:

管径越小,流速越大!实际上这一点就已经能让你放弃了。

分流绝不是10管径/5分流=2管径/每个分流,实际上如果要分流,分流管径的流量综合,一定要远远大于被分流那根的管径;

只要分流,必然涉及拐弯,每发生一次拐弯,做功必然就会出现衰减。拐弯降速,拐弯多做功,这是公理。网线你只要折一下,网速就会下降,你信吗?但这是真的。

这几个问题你再考虑一下,也许你能知道问题在哪里了。


本文内容于 2013/9/18 7:22:59 被向月苍狼编辑

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