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图为福特级铺设电磁弹射轨道

随着美国新海上巨兽“福特”级航母下水,世界迎来了新超级航母时代,其搭载的众多先进技术将航母作战效能推升到了极致,其中最被人称道的就是现在最前卫的电磁弹射起飞技术。弹射技术发展至今,它到底经历了什么,并怎样改变了我们的世界呢?

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图为莱特兄弟“飞行者一号”借助早期弹射装置起飞

其实最早的助飞弹射器在飞机被发明的时候就已经出现,和莱特兄弟同期的兰利,首先利用弹簧和滑道进行助飞,而莱特兄弟也在同样概念下,造出了落重弹射器。借助这种弹射器。莱特飞行器成功进行了动力飞行。

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图为飓风战斗机借助弹射装置起飞瞬间

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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,为了能让舰载机在舰只不停航的状态下迅速升空,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。

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图为美国“兰利”号航母

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,虽然其最高航速只有15海里,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。

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弹射器示意图

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在二战期间大部分飞机还能凭本身的动力全负荷在航母甲板上起飞,装备弹射器的本来只是为了让航母在更短时间内让更多飞机升空。甚至弹射器还反而增加了甲板人员运作的复杂性,令本来已经复杂的升空程序变得更难执行,因此导致升空延误。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。

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图为美国海军FJ-1喷气式战斗机,也是第一款在航母上起降的实用型喷气机

经过二战考验,航母技术发展的更加成熟。到二战末期喷气机开始出现,战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,当时常用的液压弹射器已达技术极限。这种弹射器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。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,顶杆钢缆系统的重量也很大。

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为了解决上述问题,蒸汽弹射器应运而生。英国的后备役人员科林.米切尔向海军建议尝试使用舰上主锅炉产生的蒸汽直接驱动弹射器的可能性。英国海军就此开展了初步试验,试验中证实了蒸汽弹射器的功率远高于液压弹射器,而且发现弹射造成的蒸汽消耗对整体推进功率影响不大。

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图为英国“英仙座”号航母

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。

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图为美国“汉考克”号航母

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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燃气弹射器的工作过程是,满载飞机挂上牵引架,开车,当喷气发动机推力达到预定值后,控制系统控制高压空气瓶中的空气经过阀门、管路进入汽缸,喷入汽油(或天然气),点火燃烧,产生高温高压气体;高温高压气体膨胀,驱动活塞运动,产生拉力,拉动牵引索运动;牵引索经过导轮改变方向和牵引位置,牵引甲板上的飞机产生加速度。

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图为甲板弹射器维护照片

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弹射过程的同时,牵引索和牵引架通过牵引索拉动复进汽缸中的活塞运动,复进汽缸中的活塞和汽缸密闭,压缩内部的空气,形成空气弹簧,蓄积弹射器牵引索和牵引架返回行程的能量。弹射行程结束时,活塞运行到汽缸中预定的位置,汽缸上的开口露出,形成气流通道,把汽缸中的高压空气排放出来,牵引索上就无法继续产生拉力,牵引索和牵引架受惯性力作用继续前进;

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图为裸露的弹射器气缸

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图为蒸汽弹射器工作时高温汽体流向示意图

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复进汽缸密闭压缩,高压空气压缩的阻力阻止牵引索和牵引架前进,空气弹簧中的复原力使牵引索和牵引架返回运动,完成一个弹射工作循环。按照计算,300毫米直径的汽缸在8MP的工作压力时,可以产生超过56吨的推力(或者拉力),这样的拉力可以使总质量14吨的歼10飞机获得4个G的加速度

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图中就是弹射器的汽缸内活塞,两个平行的活塞连结上方的弹射梭

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图为蒸汽弹射器气缸及开缝部分清晰照片

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如果弹射目标(或者叫负载、负荷)换成我国比较重型的歼11型战斗机,这样的弹射力也可以得到近2个G的加速度。如果所弹射的飞机的重量有所增加,或者减少,可以通过调整汽缸工作压力的办法,调整改变弹射器的弹射力,满足不同飞机弹射起飞的要求。或者选用直径更大一些的钢管适应重量级别更大的飞机

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上两图为弹射力曲线示意图

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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。

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图为蒸汽弹射器横截面结构详解

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图为弹射活塞前端水刹锥撞入水刹器进行减速的示意图

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图为弹射活塞与密封条开闭的工作示意图

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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。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。

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图为大型飞轮储能弹射器

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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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最后说说新型的电磁弹射器。其实在19世纪初电磁直线推进技术便被提出,20世纪70年代,**功率脉冲技术和电子电工技术逐渐成熟,为电磁弹射技术的提供了重要的理论基础。电磁弹射器主要包括储能系统、电力电子系统、直线电机、控制系统,另外还要有冷却系统、预加动力装置、减速缓冲与刹车装置等。

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图为实验室模拟的电磁弹射器

现在所采用的线圈型电磁弹射器又称同轴加速器,其是利用直线感应电机的直线运动,给予舰载机一个较大速度,以满足舰载机起飞的速度,通常要求在150节以上。主要原理为直线感应电机的初级固定部分通上交流电流,产生交变磁场,交变磁场在直流感应电机次级运动部分产生该应电流,使次级变为感应电流的导体,处于交变磁场次级部分就会受到安培力作用,向前推进。

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福特级航母电磁弹射装置的核心部件是弹射直流感应电机,美国目前研制的直线感应电机需要极高的峰值功率,要100兆瓦以上,目前民用的直线感应电机的功率远远低于此,美国的每台电磁弹射器都配备4台30兆瓦的直线感应电机来达到要求。

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图为美国军方试验型电磁装置

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电磁弹射最主要的问题是均压和散热的问题。由于高压变频器价格高昂,因此一些高压电动机甚到采用变压器先把电压降下来,然后采用变频器控制频率输出,再经过升压变压器输出到电机上。这么做就是因为电子元器件耐压能力差,而且串联起来的元器件在实际工作中并不能均压,这均会导致部分元器件过电压从而导致损坏。

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图为电磁弹射装置示意图

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还有就是散热,大电磁弹射器的大功率控制装置室内,高大的柜内象排队一样排满了元器件,由于美国采用了IGCT大功率电子元器件,而这些元器件的单一元器件无论是耐压也是载流量都远远无法满足电磁弹射器控制装置的需要,因此,需要数量众多的IGCT元器件分别进行串联及并联,并用母线排分别把几个柜内的元器件连接起来。如此数理众多的元器件难道仅仅是通过风扇散热的吗?

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答案是否定的,美国采用的高压细流水冷却办法。冷却入水是0℃~4℃的水,由储能式液压装置负责水流的供给,主要采用的是前二后四的方法,也就是电磁弹射器弹射战机前两秒开始注入水流,弹射结束后再注入四秒后停止,弹射器返回及强迫储能装置充电则不需要采用水冷,直接由风扇冷却就够了。可以说,采取高压细流水冷方案真正使电磁弹射器实用走向可能。

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以前美国一直寻求高性能元器件或者说低耗元器件来满足工作要求,但是长期试验失败后,通过对有源相控阵雷达的液冷方案的提醒,最终采取了高压细流水冷方案。当然,如果有源相控阵雷达不采用液冷的话,实用化仍无从谈起。高压细流水冷却说起来简单,但是实用起来却不是容易的事。

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图为电磁弹射器的牵制杆

首先,它需要水箱及冷却装置,同时需要储能式高压活塞注入装置,更困难的是每一个元器件都必需配备散热片及连通水管,与主回路、控制回路、仪表回路等一样,水管回路也是控制柜内的一大器件。要知道,目前国内的高压变频器功率最大做到了20000千瓦,比给强迫储能装置及弹射器返回工作时的功率都要高,但是目前无一采用水冷或液冷,而全部采用的是风扇冷却,可见水冷或液冷的难度。

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所以纵观飞机弹射器的百年发展不难看出,弹射器技术的进步一方面是为了适应不断变革的军机的脚步,另一方面也是长期综合技术和工艺能力的积累。现在美国海军已经率先步入“电磁时代”,这种完全不同于以往机械能和化学能的颠覆性武器必将改变未来战争规则,所幸的是中国在类似高新技术领域与传统优势国家差距并不大,希望能早日看到我军用上自己的“划时代武器”。

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图为网传中国电磁弹射大型实验装置

本文是对人类飞机弹射技术百年发展的一次回顾,抚今追昔着眼未来,军事技术的进步不断改变着战争的形式,也深刻的影响着我们的历史。本人希望通过这篇文章,帮大家梳理对于当今高精尖技术演变脉络的思路,因时间紧迫水平有限,如有不足欢迎指正。当然也希望喜欢的朋友帮顶一下,谢谢!

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本文内容于 2014/2/21 11:28:35 被沉思的奥勒留编辑

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