[原创]以创新的思维全新的视角重新审视蒸汽弹射器

以创新的思维全新的视角重新审视蒸汽弹射器

美国航母蒸汽弹射器伴随着航母的发展已经有六十余年的历史,经过几十年的发展完善,弹射器的技术更成熟,可靠性和稳定性都已经达到了很高的标准,现有的应用技术的发展已经接近极限。蒸汽弹射器所具有的优点、缺点也被人们挖掘殆尽,似乎蒸汽弹射器已成定论,“落后到家了、过时到家了”,再也没有改进提高之处,更不会有性能再大幅提升的空间。

事实上远非如此,答案是否定的。本文就尝试着以全新的视角先说一下美国现役航母蒸汽弹射器都有哪些缺陷和缺点,然后再说如欲对现役的美国航母的蒸汽弹射器施加创新式改造的思路以及大幅度提高其弹射舰载机性能的方向,最后说说如何改等问题。

美国的现役航母蒸汽弹射器具有“先天性设计结构上的缺陷”和密封材料固有的“疲劳、老化”特性等两大缺陷。伴这两大缺陷随之而来就决定了美国人第一代蒸汽弹射器独有的一系列的缺点。

美国现役航母蒸汽弹射器当初是英国人的专利,由美国人购买了英国人的专利后又经过美国人几十年的发展改进,在结构设计上演变成“简单明了直奔主题、不绕弯子不罗嗦”的风格,在对于开缝汽缸立缝开口的密封上其密封原理更是“简单明了直接”。

说美国的蒸汽弹射器结构简单恐怕是任何人都不会认同。多少年来充斥于报刊杂志的文章、专家做客访谈等所有的文字视频材料没有一个是说简单的。如果说是承认了结构“简单”那为什么做不出来?为什么难倒了除了美国以外的所有的国家?所以都没有一个说简单的,很多的人不去深入研究、不去深入思考,又没有去很多地占有资料但却又都像看到了“皇帝的新衣”一样:“哎呀!结构太复杂了”,好像不说结构复杂就不配做专家一样。以此“以讹传讹”。

那么美国蒸汽弹射器的汽缸结构到底是什么样呢?

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上图表示的是美国蒸汽弹射器检修的时候打开上部结构支护盖板后暴露出双弹射器汽缸体的照片。

图中两个红色的圆圈表示的是双弹射器汽缸的纵向开缝,双汽缸是左右对称结构,左右对称的双汽缸体中间用连接板相连。蓝色箭头指示的部位就是密封钢带贴紧的汽缸开口的外侧面。黄色箭头指示的是活塞返程机构的拖索钢丝绳,绿色箭头指示的是航母舰体上弹射器盖板的侧壁支护支撑根部。从图中汽缸体的内圆柱面的照片看,汽缸体内圆柱面加工精度并不算高,顶多也就是在粗糙度1.6至3.2之间。汽缸体的下部是基座,用以支撑、固定安装双弹射器汽缸体。图中在两个红色的圆圈内部的小绿色圆圈表示:相邻两节汽缸连接的时候,保证开口错差不大于±0.1mm的定位销子与销孔。

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上图所示:美国蒸汽弹射器上部 左、右支护盖板拆解过程解体照片

上图是弹射器上部支护盖板部分拆开以后的照片。图中的红色箭头所指示的就是弹射器上部支护盖板。左、右支护盖板中间的开缝就是弹射飞机用的滑板梭的通道开口(开口尺寸大约在70~80mm左右)。红色的圆圈和黄色的圆圈所指示的就是滑板小车“[]”型的左右对称的滚轮轨道,其中红色的圆圈中还有两个小一点的绿色小椭圆圈,所表示的是两个相邻滚道的接缝缝隙要加工、打磨成为倒角圆弧,以使滑板小车的滚轮通过接缝的时候顺利不卡涩,不与错缝造成撞击,(相邻盖板滚道上下错缝值不能大于±0.1mm),这样滑板小车滚轮可以顺利通过接缝间隙。绿色箭头指示的就是弹射器汽缸上部盖板,图中表示的仅是右边弹射器汽缸的上部盖板,左边的弹射器汽缸上部盖板在操作者右脚下边踩着呢。从照片分析不难看出:蒸汽弹射器上部盖板左右对称支护在航母舰体的侧壁上,用螺栓固定在舰体上。左右的支护盖板与下部的弹射器汽缸体是不连接的,悬空在汽缸体之上。左右支护盖板通过一种上下两个“猫爪”结构刚性固定在航母舰体上的弹射器安装沟槽的侧壁上。这样的连接关系看一看下图就更能清楚明白。下图中:红、蓝色箭头示上、下“猫爪”连接,上部圆圈示“[]”滑板小车滚轮滚道结构。

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弹射器上部左右支护盖板猫爪与侧壁连接,汽缸体轴线、基座位置关系图

总之,美国人的蒸汽弹射器汽缸体上部的支护盖板结构简单明了、具体用途、作用明明白白。一句话就是:结构一点都不复杂,再正常不过了!没有什么深奥难懂之处。

那么再看看蒸汽弹射器的活塞结构:

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美国航母蒸汽弹射器活塞检修照片,图中是左右对称的活塞

上图的一幅画面中出现的两个活塞就是左右双弹射汽缸的活塞,连个活塞是左右对称的,对称的部分就是图中黄色圆圈中所显示的活塞滑板部分是对称的,其余的部分都是一样的。图中绿色的箭头指示的是弹射器活塞的后圆柱面,其上面加工有三道密封环的沟槽,其中安装三道密封环。图中红色的箭头所指示的是弹射器活塞的前圆柱面,由于高压蒸汽的压力只是推动活塞的后圆柱体的园面上,所以在前圆柱面上不用安装密封环。图中蓝色的箭头所指示的是前圆柱体上安装的“水刹器”圆柱体。当弹射器弹射冲程结束的时候,弹射器的活塞、整个滑板小车都要从高速的弹射速度逐渐减速到停止,这个减速的过程就是靠水刹器圆柱体插入水刹器中来实现减速的。

图中的黄色圆圈圈住的范围就是活塞输出滑板的倒扣着的“∩”形状结构。这个结构的左半部分在开缝汽缸体的中间滑动,其右半部分在汽缸体开缝右半侧与密封钢带之间滑动。黄圆圈中的绿色小圆区域部分就是活塞用来劈开密封钢带与开缝汽缸外侧壁的尖角部分。绿色的椭圆区域就是容纳开缝汽缸侧壁的空间。从上述的分析与图解说明了美国现役的航空母舰蒸汽弹射器它的结构并不复杂,简单明了,目的明确,既没有多余无用的设计之处,又没有什么不足,恰到好处。但是,美国式的蒸汽弹射器存在有结构上的先天不足的缺陷:弹射器汽缸缸体刚度不足。

美国蒸汽弹射器的第一大缺陷:汽缸体刚度不足,汽缸开缝开度会逐渐变大

由于美国的蒸汽弹射器是一个纵向开缝汽缸,所以弹射器整体的纵向刚度很好而横向刚度先天不足,在弹射活塞动反力作用下,在高压蒸汽张开力矩作用下,其横向开口的开度逐渐变大,而且这个开口变大是随着弹射次数的增多而逐渐变大的,开口变大以后就造成弹射器漏汽增大,则活塞获得蒸汽推动的动力就变小,弹射功率就变小。所以要对弹射器汽缸开口的数值要定期地进行检查修复。巧合的是美国的蒸汽弹射器有“舰上维修期、返港维修期和返厂维修期”,说的直白一点就是弹射器的“小修、中修和大修”。特别是在返港维修期的时候,对于弹射器汽缸开缝的检查修复与弹射器密封钢带的更换同步。检修蒸汽弹射器是一个非常繁琐、悉心细致工作,来不得半点马虎大意。在航母的返港维修期内就要对弹射器的汽缸体进行“中修”,检修弹射器汽缸体有其固定的程序:

第一步整体吊出解体。

在把弹射器缸体从航母舰体安装槽内整体起吊的过程就是一个许许多多的人同步起吊、统一号令的过程。上图中的检修工人在摇动涡轮蜗杆减速器的摇把统一起吊速度。

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第二步:单节汽缸体清理:

下图中检修工人跪在地上用手工工具扁铲、切刀等在清理汽缸体两端结合部位的法兰面的油垢垃圾,这项工作纯粹是手工操作,大粗拉活根本就没有什么高深的技术。地面上是清理下来的油垢渣滓。

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图片中圆圈圈定的部分就是汽缸的开缝,右侧箭头指示的是密封钢带贴合的部位,左侧箭头指示的是汽缸上盖卡扣在缸体上的的圆弧槽。汽缸体尺寸如下:内径Φ457.2mm,单节汽缸体长度L=3600mm,壁厚推测只有30mm~35mm。汽缸开缝36mm.。汽缸的壁厚与缸体的刚度有直接的关系,缸壁厚则刚度大,缸壁薄些则刚度小。说蒸汽弹射器的汽缸体壁厚是结构设计上的先天缺陷,那么把这个缸体的壁厚增加厚度不就可以了吗?不是这样简单的!缸体的壁厚是不能太厚的,缸壁厚则弹射器整体的重量就大,在弹射器由“冷缸状态”进入“弹射状态”的情况下预热的准备时间就要长。从缸体的照片分析:缸体的壁厚在30mm~35mm左右就是一个最佳的壁厚了,重量、刚度适宜兼顾,还可以与密封钢带的更换同步。在航空母舰进入返港维修期的时候,也就是弹射器的密封钢带更换的时候,同时也是汽缸开缝最大的时候。这些都是弹射器“中修的内容。”

第三步:测量、精修缸体内圆柱面。粗糙度、圆柱度都要符合标准

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美国工程师在法国航空母舰上检测弹射器汽缸体的开缝数值

上图就是美国的工程师在对法国的航母弹射器进行检修的时候的照片。图片中的工程师在用百分表检查汽缸体开缝的超差情况。图中可看出:四块百分表的读数数值分别表示了横向超差以及直径数值的变化情况。如果检测的数值超出了标准规定的范围就必须校正回来达到标准规定的数值以内。校正的方法就是反变形的方法:用机械外力使开缝变小。施加外力的过程是一个矫枉过正的过程,不过正便不能矫枉。待到开口的数值符合标准要求了还要检查汽缸的内孔圆柱度。如果圆柱度超差就要采取机械加工的办法来保证圆柱度。图中的绿色箭头所指示的就是用内孔镗铣的工艺修复汽缸内孔后产生的铁屑。还要对整个的内圆柱面的粗糙度、圆柱度进行仔细地检查。如下图:选一个身材瘦小的工人携带检测工具推进检查。

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这个整体检修、检测、加工、恢复的工作量是很大的。其一:先单说一部蒸汽弹射器96米的弹射冲程,双弹射汽缸就有52段单节汽缸,都需要把每一段进行仔细地检查。四部弹射器就是200多段,所以说这个检修量是相当大的。其二:再说说每一部蒸汽弹射器不同部位的弹射器汽缸段的变形量也不完全一样,其中靠近弹射器起始部分汽缸段,由于初始蒸汽爆发压力大变形量就大,而在靠近弹射器末端的汽缸段变形量就小。但是如果有其中的一段、或者是多段汽缸段经过镗铣加工,那麽整个的弹射器所有的汽缸段的内孔就都要重新镗铣加工一遍,以保证汽缸体内孔尺寸的一致性。

第四步:根据汽缸体内孔的实际尺寸和选定的配合重新加工活塞圆柱面的外径尺寸。航空母舰上一般都备有足够数量的弹射器活塞备用。如下图:

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第五步:上述的所有的工作都进行完成之后就要按相反的程序重新安装弹射器。其中调整的过程是一个非常悉心细致的过程。每一个弹射器汽缸段内孔的尺寸必须限定在一定的公差配合之内;相邻的两个汽缸段内孔接缝必须打磨圆滑过度, 不可以出现错缝导致活塞通过的时候产生撞击的情况;相邻的两个汽缸段立缝开口对接的结合部错位公差不可以大于±0.05mm,否则当活塞通过汽缸接缝的时候就会产生严重的撞击。

一般来说,美国航母的蒸汽弹射器可以连续挺两个返港维修期,就是说进行“中修”两次。第三次中修到来的时候就是航母的返厂维修期了。到了那个时候,蒸汽弹射器就直接报废!再换上新的。

综上:航母弹射器的检修工作量是非常之大的。一部弹射器进行一次“中修”就要由500名检修工人在舰上工作3~6周的时间。引发这样大的检修工作量的根本原因就是:汽缸体本身横向刚度不足。这是美国蒸汽弹射器的先天设计缺陷。

美国航母蒸汽弹射器的第二个致命缺陷:密封钢带材料的:“疲劳、老化。”

先说说美国航母蒸汽弹射器的密封原理:美国弹射器的密封原理及其密封结构都是很简单的,简单到了不能再简单的地步了。美国人做事情不绕弯子不罗嗦,直奔主题达到目的,凸显在弹射器的结构设计上。

首先分析一下美国的蒸汽弹射器的密封结构:美国弹射器的密封结构非常简单,简单到了就是在一个长距离的汽缸体上扣上一个与汽缸体一样长的上盖,比如说:弹射器的冲程是96米,则弹射器汽缸体的长度就是96米,用于密封蒸汽的上部汽缸盖也就是96米,由于弹射器是左右对称的双汽缸结构,上部的汽缸盖就是左右对称的两个上汽缸盖,都是96米的长度。如下图所示:图中两个红色的圆圈圈住的部分就是左右上汽缸盖、开缝汽缸的立缝、还有顶住上盖的液压装置,在图中由蓝色箭头表示出。左侧的汽缸体的液压装置使上盖卡在立缝的卡扣上并给上盖提供一个顺时针方向旋转的力矩,使左侧的汽缸上盖紧紧地压住左侧汽缸体的密封刚带上,(密封钢带的形状及位置在下面第二个图中可以看出)。同样道理:右侧的弹射器汽缸体的液压装置使上盖卡在立缝的卡扣上并给上盖提供一个逆时针方向旋转的力矩,使右侧的汽缸上盖紧紧地压住右侧汽缸体的密封钢带上。

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一、按照美国人原创的密封原理的思路就是:1、采用这样的是缸盖压住密封钢带结构只要能够密封3秒钟的时间就可以完成弹射飞机的任务。所以,2、只要在这3秒钟的时间内密封住绝大部分高压蒸汽就算完成密封任务,少许跑掉一点蒸汽是可以的。3、这个密封钢带必须是可以压缩的,可以被弹射器活塞在通过的时候在极短的时间内压缩钢带,待到活塞通过以后,被压缩的密封钢带被释放开,再恢复原状。以上的这个密封思路也就是美国弹射器的密封原理了。它的这个密封原理就是力图通过密封钢带紧紧地压住立缝侧壁而不让高压蒸汽泄露掉,即或是不能保证不泄露蒸汽也尽量的让蒸汽少许泄露。这个密封原理是非常简单直白的。就是硬性地密封,直接地堵住。

二、 以上的分析就是在弹射冲程进行一次的时候密封钢带的一次“压缩、释放”过程。当弹射冲程结束的时候,整个的弹射器活塞、滑板小车在复位机构的牵引下被拉回到弹射初始的位置的时候就再一次地被压缩、释放。所以,美国的航母弹射器在一个弹射冲程的时间内被压缩、释放两次。这两次的压缩、释放密封钢带的过程有所不同:弹射冲程是在高压蒸汽的加热、烘烤,是一个热状态下的压缩、释放密封钢带的过程;复位过程是在高压蒸汽被排放净空的情况下去压缩、释放被压缩的密封钢带的过程,相对来说这个过程是一个冷态的压缩、释放过程。

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上图中两个红色的圆圈圈住的部分就是密封钢带贴合在汽缸体立缝的部位,密封钢带被紧紧地压住在立缝开口的侧壁上,从图中照片可以看出:此处的表面粗糙度很好数值很低,有利于密封蒸汽。

密封钢带是一种具有特殊性能的密封材料:它的横截面差不多是一个20mm×60mm长方形的矩形截面。截面两侧是非常薄的弹簧钢带,(钢带的厚度在0.3mm~0.4mm)。强度、弹性、耐磨性及韧性都要非常好,其表面粗糙度数值很低,其Rh值在0.8~1.6μm(相当于光洁度▽7~▽8)。钢带的中间夾裹弹性的橡胶材料,要求这个橡胶材料在400C0左右高压蒸汽的烘烤的热状态下具有非常高的“抗疲劳、抗老化”的性能。要求这样的密封钢带在受到“压缩的时候”能够充分被压缩以允许活塞滑板通过,在活塞复位的时候,密封钢带充分地恢复原状以对下一次的弹射进行密封。

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上图中绿色的箭头指示的就是密封钢带及密封钢带与汽缸体立缝接触的情况:图中所示的密封钢带在失去了上盖的侧面压住的力的情况下暴露出的间隙,活塞滑板的倒“∩”的右半部分就是从这个间隙中来回划过的,以此来压缩、释放密封钢带。在图中还可以看出:在红色的圆圈圈住的部位,汽缸上盖还没有来得及拆除,密封钢带还被紧紧地压住在立缝的外侧壁上,此时的间隙值很小。这个很小的间隙值就可以保证弹射器最大限度地密封住蒸汽。

以上的分析就是美国航母蒸汽弹射器的密封结构和密封原理。美国人的蒸汽弹射器无论是从密封结构到密封原理上都是无可挑剔的,但就是这个密封材料——密封钢带存在着致命的缺陷:就是钢带内部夾裹的橡胶材料具有不可抵御的“疲劳及老化”特性。橡胶材料的疲劳、老化的根本原因就是:在高温高压蒸汽的烘烤下,橡胶材料本身的弹性性能下降,当密封钢带被强制压缩的时候橡胶材料“不愿意被压缩”;当密封钢带被释放的时候,橡胶材料“不愿意”恢复原状,不能恢复原状。保留下来一部分塑性变形以致使密封间隙增大,造成蒸汽泄露增大。这个“疲劳、老化”现象是不可避免地存在于橡胶材料当中的。随着美国人的航母弹射器弹射飞机次数的增多,疲劳老化的现象就越发严重,舰上蒸汽泄露的事情就很严重。网上资料表明:当美国的蒸汽弹射器弹射500次左右就要由随舰检修人员舰上维修一周的时间,当美国的弹射器弹射飞机接近到2500次的时候,航母就要返回驻泊港由舰上的维修人员进行“返港维修”3~6周的时间。这个返港维修期结束的时候,弹射器汽缸体焕然一新,再换上新的没有过疲劳老化的密封钢带,航母的弹射能力才得以恢复。

美国人的航母蒸汽弹射器从结构到原理已经没有什么秘密可言,但在使用过程中的经验教训却是真正的秘密。局外人看到美国人的弹射器在弹射飞机的时候是那样的“光鲜靓丽”、那样的“完美无缺”却很难知道的是蒸汽弹射器在使用过程中都所发生了什么样的事情,都有过什么样的经验和教训。个中滋味只有美国人自己知道,对此美国人是闭口不谈,这些动态的东西才是真正的秘密,“活着的情报”。譬如说:密封钢带的疲劳及老化程度与弹射次数的关系曲线;弹射器蒸汽泄露量与弹射次数的关系曲线;蒸汽弹射器在弹射过程中输入蒸汽的能量与弹射飞机输出的能量的关系曲线;弹射器输出能量的波动曲线;蒸汽弹射器蒸汽的最大泄露量是多少?等等。这些都是美国航母蒸汽弹射器的实实在在的秘密。外人是看不到的,美国人也绝对不会告诉你的。但是我们却可以从点滴的现象的分析中看出端倪,分析出一些东西出来。

在刚刚经历过返港维修期更换了崭新的密封钢带,进入了弹射器使用的“初期”阶段以后,这个时候弹射器蒸汽的泄露量是很小的,弹射飞机的时候飞机的尾迹只留下一小溜蒸汽,显然是蒸汽的泄露量很少,如图:

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这样的情况都是发生在刚刚更换了密封钢带以后的时候,刚换上的密封钢带密封的性能好,橡胶材料还没有发生老化,密封钢带被压缩再释放以后能够很好地恢复密封,所以弹射器的漏汽就小的多。

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一旦是弹射器弹射的次数达到了千八百次,弹射器的使用进入刅了“中期”阶段,密封钢带的弹性性能就下降很多了,密封钢带的橡胶材料就逐渐地发生疲劳及老化现象,密封钢带的密封性能下降直接导致露汽增大,甲板上漏出的蒸汽都是“雾气腾腾、烟雾弥漫”遮挡住飞机。待到弹射器弹射飞机的次数接近到了2500次的时候,弹射器的使用已经进入到了“末期”阶段,密封钢带的疲劳及老化已经是相当的严重了,密封性能已经严重下降,弹射器的蒸汽大量地泄露,这个时候弹射飞机蹲在飞机旁指挥舰载机起飞的操作员都可以被泄露出来的大量蒸汽吹跑,这一吹跑人就可以使舰员向后吹跑30多米员的距离。而一旦到了这样的时候就距离返港维修期不远了。

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在蒸汽弹射器泄露的蒸汽都能够把舰员吹跑的情况下,其蒸汽的最大泄露量经过简单的推算都可以达到30%。在这样的情况下弹射器弹射飞机的功率已经严重波动,因为此种情况下蒸汽的泄露量是一个很难掌控的变量,所以在弹射舰载机的时候就只能是采取“就高不就低”的原则,首先要保证把飞机安全弹射离舰,舰载机所获得的弹射功率往往偏大。

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上图中:舰上的飞机弹射指挥员被泄露的蒸汽吹跑、身体倾倒

在上述的弹射器使用的“初期、蒸汽、末期”等三个阶段中,蒸汽的泄露量就是一个与密封钢带的疲劳老化、与弹射器的弹射次数有直接关系的多元函数关系,没有一个固定的函数关系式。所以,美国弹射器在弹射舰载机的时候,舰载机所能够获得的弹射功率就是一个多元的函数关系式,没有什么规律可以遵循。

从以上分析中可以看出:由于美国蒸汽弹射器的两大先天的缺陷:“弹射汽缸体结构刚度差、密封材料固有的疲劳及老化特性”,这就直接导致了美国人的蒸汽弹射器一系列的缺点:

美国航母蒸汽弹射器的缺点归纳:

1、美国航空母舰具有“舰上维修期、返港维修期和返厂维修期”。三个检修期就使美国航母处于使用半年闲置半年的局面,非检修状态的时间就是低于50%;再去掉路程往返、正常训练的时间,真正的战斗值班时间低于20%。

2、舰上维修人员多达500人,检修工作量沉重、繁琐,叫苦不迭,用于弹射器维修的费用占整个航母维护费用的一半;

3、蒸汽弹射器蒸汽泄露量大且很难掌控直接造成弹射舰载机的功率波动大,飞行员承受过载荷大;

4、由于弹射器输出功率难于控制,爆发力太强,所以它不能弹射无人机。

5、蒸汽能量利用率低,只有3%~6%。

美国人的蒸汽弹射器已经伴随航母的发展走过了六十年的路程,弹射器技术已经发展到了极致,各项性能指标已经稳定可靠,弹射器的优缺点已经被美国人挖掘殆尽,再想改进或是提高其各项性能,对于美国人来说已经是比登天还难了。

那么如何着手去提高蒸汽弹射器的性能?从那几个方面去对蒸汽弹射器进行改进才可以提高蒸汽弹射器的性能?譬如:针对美国航母蒸汽弹射器的一系列缺点做出针锋相对的如下改进:

1、能不能使蒸汽弹射器不发生蒸汽泄露?(即是蒸汽弹射器的“零”泄露!)

2、能不能使蒸汽弹射器的输入弹射功率与弹射舰载机的输出功率精确匹配?

3、能不能取消美国航母式的“舰上维修期、返港维修期和返厂维修期”?

4、能不能减少航母上随舰检修的人员?

5、能不能使蒸汽弹射器也能够弹射无人机?

对于上述问题的回答,如果是由美国人来回答那就是否定的,如果由我们中国人来回答那就是肯定的。也就是说美国人已经不可能把自己的蒸汽弹射器的性能再做大幅度的提高了,第一代蒸汽弹射器的先天缺陷已经使性能改进寿终正寝,不可能再有质的提高了。

大幅度改进提高蒸汽弹射器各项性能指标的思路

既然美国人的蒸汽弹射器从结构设计上和密封材料上存在着固有的缺陷,并由于这些缺陷带来了一系列的缺点,那么解决了或者说是回避了这些个缺陷是不是就可以大幅度地提搞蒸汽弹射器的性能呢?

的确如此!我们国家新型第二代蒸汽弹射器正是在“汽缸立缝开口如何密封”这个根本问题上,用创新的思维、全新的技术手段解决了蒸汽弹射器的技术上的“瓶颈”问题。

蒸汽弹射器的技术关键到底在哪里?有人说储气罐,有的说是高工艺,有的说是焊接。其实所有的说法都是没有说到点子上,弹射器真正的制造难点就在于汽缸纵向立缝开口的密封上。弹射器是用高压蒸汽推动活塞前进的,活塞前进的时候还要同时把蒸汽的强大推动力用来去带动飞机,这就必须在结构上使弹射器汽缸留有一道纵向的立缝开口,当活塞前进的时候活塞后面的开口就要大量地泄露蒸汽,泄露的蒸汽就会使弹射飞机的动力下降,所以要想保证有足够的蒸汽压力去弹射飞机就必须把活塞运动后面留下的开口密封掉。所以弹射器真正的技术难点是在如何“密封汽缸”上,这是真正的技术”瓶颈”。其他的什么都不是关键。

据传,中国的新型蒸汽弹射器正是在这个“关键的瓶颈技术”上走出了与美国人完全不同的另一条道路。其密封原理、材料、密封的方法、密封的位置都与美国人的蒸汽弹射器截然不同。

人类发展的历史就是一个不断创新的历史,一个创新的思维开拓一片崭新的天地已经是屡见不鲜。在自然科学中当牛顿力学发展到了极致就诞生了狭义相对论和广义相对论;从生活中的服装纽扣到发明了拉链;有几千年使用历史的木质车轮到发明了橡胶轮胎再到坦克履带;有了垂直电梯就发明了扶手电梯等等不一而足。世界上从来都没有什么产品只是单一品种的,蒸汽弹射器也是一样。美国的第一代蒸汽弹射器发展到极致,中国人就顺应历史发明了第二代蒸汽弹射器,这丝毫不奇怪。

两代蒸汽弹射器之间的“代差”究竟在哪里?其代差的根本区别就在于以下五点:

1、密封原理不同。美国人第一代蒸汽弹射器密封蒸汽的指导思想体现了美国人“硬朗”的性格:就是不论你蒸汽的压力是多么的大我都不让你泄露,封住你不让你跑掉;而第二代蒸汽弹射器密封高压蒸汽的指导思想是“避实就虚、顺势而为”,在实际应用技术中,让你蒸汽去泄露、去跑掉,在高压蒸汽泄露的路径上设置“迷宫”,让高压蒸汽在泄露的路径上消耗自身的内能来达到密封的目的。

2、密封材料不同。美国人的蒸汽弹射器密封材料使用了一种密封钢带材料,是一种在两片弹性钢片中间夹裹橡胶材料的密封材料。其橡胶材料具有“疲劳及老化”的特性。而第二代蒸汽弹射器采用的是不锈钢金属材料作为密封材料。这种金属材料没有疲劳期,不会发生老化现象。

3、汽缸体结构不同。美国弹射器的汽缸体是“双弹射器汽缸连接结构”,汽缸体横向刚度先天不足,汽缸体立缝开度随着弹射次数增多而变大。而第二代蒸汽弹射器汽缸体采用“组合式框架连体结构”,整体刚度足够大,汽缸立缝开口开度永远不发生变化。

4、滑板小车减速原理不同。美国人的第一代蒸汽弹射器滑板小车是采用“水刹器阻尼”来吸收滑板小车剩余的能量直至使滑板小车停止。而第二代蒸汽弹射器则是采用“电磁阻尼”效应来吸收弹射器滑板小车的剩余能量直至使滑板小车停止。

5、弹射器活塞在弹射冲程中轨迹不同。美国第一代蒸汽弹射器活塞弹射的轨迹是一条水平直线。而第二代蒸汽弹射器活塞的弹射轨迹是两种:一种轨迹是水平直线,另一种弹射轨迹是水平直线接上扬的曲线,实现滑跃式弹射升空。

第二代蒸汽弹射器把美国人的第一代蒸汽弹射器的先天不足全部摈弃,使新型蒸汽弹射器发生了革命性的变化。其优点是:

1、由于采用了新型密封原理、新型密封材料和新密封方法就实现了蒸汽弹射器在弹射飞机的冲程中蒸汽的“零”泄露。

2、由于采用了新型汽缸体“组合式框架连体”结构,汽缸体立缝开口的开度永远不发生变化。

3、基于上述两点革命性的创新,第二代蒸汽弹射器没有了“舰上维修期、返港维修期和返厂维修期”。大大提高了航空母舰战斗值班的时间。

4、蒸汽弹射器输入高压蒸汽的能量完全用于推动活塞去弹射飞机,实现了输入功率与弹射功率的精确匹配。需要弹射多重的飞机就输出多大的弹射功率。可以掌握操控。

5、可以减少随舰检修人员450人。可以节省450名舰员居住的舱室空间2000立方米。

6、可以实现歼-15舰载机满负荷情况下的弹射起飞。可以实现类似于美国的E-2C固定翼的空中预警机在航母上的滑跃式弹射起飞。

7、可以使辽宁号航母在现有条件下战斗力立马提高4~5倍。

8、可以实现无人机在航母上的弹射起飞。对于无人机的弹射起飞来说,弹射无人机的蒸汽弹射器需要单独特殊的设计制造。而不能与弹射各类战斗机、预警机、电子战飞机等飞机的蒸汽弹射器混用。

从以上的对比可以看出:新旧两代蒸汽弹射器已是水火两重天,其性能已是不可同日而语。新型蒸汽弹射器还可以叱咤风云,再独领风骚五十年。第二代蒸汽弹射器问世之日就是美国人的蒸汽弹射器寿终正寝之时。

那么第二代蒸汽弹射器和方兴未艾的电磁弹射器相比又会是怎么样的一种情景呢?

不可否认:目前电磁弹射器虽然还没有达到实际上的实战部署阶段,但在理论上却已经是占尽了一切优势,其理论上所具有的优点是蒸汽弹射器根本不能比拟的。现在人们谈起电磁弹射器那都是优点,而谈起蒸汽弹射器就都是缺点。这一褒一贬足见其胜负已经定论。可是事实上究竟是怎么样呢?

1、“据DoDbuzz网站2014年1月31日报道,美国作战测试与评估(DOT&E)年度报告显示,“福特”号的新型电磁弹射系统(EMALS)、先进阻拦装置(AAG)、双波段雷达(DBR)和武器升降机可靠性都有待于提高,需要进行更多测试试验。“福特”号的关键性试验和可靠性提升,对保证其2017年初始作战测试和评估(IOT&E)的成功完成至关重要。”

2、“报告显示,新型电磁弹射系统已在新泽西州雷克赫斯特基地开展了共计1967次弹射试验,其中201次弹射失败。根据现有数据,新型电磁弹射系统上舰后的弹射故障发生概率预计约为1/240。”

3、“电磁弹射器在使用中会形成很强的磁感应信号,弹射器轨道本身又不可能做到电磁封闭,电磁泄露可能对舰上其他电气系统造成干扰。”“过强的电磁信号会有效地引导敌方导弹对自身进行精确打击。”

4、“电磁弹射器的滑块通过脉冲电流驱动在轨道内运动,与轨道之间用滚轮等定位设备分隔,属于典型的‘干式’运动装置。弹射器轨道内和滑块间隙间存在很多缝隙,导电性能好的材料恰恰不抗腐蚀,盐分和水蒸汽很容易在轨道内壁形成腐蚀点或积盐,影响轨道内电气系统的工作,对轨道和滑块材料都会产生较明显的腐蚀伤害。”

5、“电磁弹射器的动子加速依靠脉冲电流,加速的指标则与电流强度有关”。“电气系统本身虽然是高可靠性系统机构,但在大脉冲电路和强载荷运动过程中,也无法避免电器元件可能出现的瞬间过载和损坏,而电气系统成品故障产生的问题难以定位,也不容易通过事前监控检查发现。电磁弹射器的故障症候理论上并不明显,主要靠系统自身的可靠性和监控保证系统可靠性,系统故障点多,定位难度比较大。”

6、电磁弹射器集“强电磁脉冲发生器、强力储能器、大功率变频功率调节器”等等一系列高端电气设备与一身,同时也就带来了一个问题:“各种先进技术集中后往往意味着高风险,仅这一条就使无数看起来‘高端大气上档次’的新装备服役后很快成为让人又累又恨的‘问题宝宝’。电磁弹射器的技术指标是最终的目标,但作为出航一次几个月、正常无维修工作循环上千次、直接决定航母是战斗舰还是运输舰的关键系统,其稳妥可靠比任何先进性更有实际意义。”

7、著名军事专家张召忠教授在做客《军情解码》栏目谈美国福特级航空母舰电磁弹射器的时候,

张召忠将军说:“现在就是有一个不定,我就始终就怀疑,这个玩意儿能不能搞出来。到现在美国还是不成功的。我就告诉你:电磁弹射器美国现在还是没有一个人说它现在就完全、百分之百就成功了,没有!它还是一个大问号,有可能这个舰服役了,这个玩意儿还是失败的。你就不要看那些吹牛,现在那个都是厂家的,那吹牛的。就这个三年之内,它能成功的可能性很小,就是说弹射基本上就是:失败的概率很低,能够实现这个航空母舰和飞行员的配合,能够顺利地弹射,能做到这一点,我想三年之内它要达到这个目标非常难。现在还在试验,现在不是成功的,失败了好多次了现在。”

从以上的各种分析来看,电磁弹射器在理论上的可行性是好,优越性是高,蒸汽弹射器在理论上是不能与之匹敌,但是迄今为止,从电磁弹射器在试验开发研制调试过程中所暴露出来的种种问题客观地分析评判:得出的结论是:电磁弹射器与蒸汽弹射器相比的“综合优势并不明显”。况且电磁弹射器尚没有在航母上安装过,更没有在航母上成功地弹射舰载机的记录,还只是一个纸上谈兵的东西,何年何月才能在航母上崭露头角还是一个未知数。

蒸汽弹射器以其安全、可靠、稳定并有几十万次成功地弹射舰载机的记录而稳坐泰山地位不可撼动。所以,若以实事求是地评判两种舰载机的弹射方式的话,我们得出的结论必然是:目前电磁弹射器还是远远没有达到实战要求部署阶段,遥遥无期短时间之内指望不上。

若以第二代蒸汽弹射器与电磁弹射器相比较的话,我们可以非常确定地说:电磁弹射器根本就不是对手,若是把两者放在一起相比的话,那话就应该倒过来说了:电磁弹射器不能与第二代蒸汽弹射器相比较。因为:

1、美国的电磁弹射器与美国第一代蒸汽弹射器相比较其综合优势都不明显,充其量也就是打个平手。那么第二代蒸汽弹射器比之第一代蒸汽弹射器优越得多的优越性就是比电磁弹射器优越得多的优越性。

2、有资料表明说电磁弹射器的电能的能量利用率高达60%,而蒸汽弹射器蒸汽的能量利用率只有6%,电磁超过了蒸汽的10倍,并以此来说明电磁弹射器的优越性。其实这里面有一个误判:不能将两者放在一块相比较,还有一个能量转化的环节没有考虑进去,就是蒸汽的能量到电能量的转化过程没有考虑进去。汽轮机组将蒸汽的能量转化为电能,其平平常常的汽轮机机组的效率只有35%左右,超临界汽轮机机组的效率可达到42%,超超临界汽轮机机组的效率可以达到45%。就以45%的转化率折算一下,60%就只剩下了27%,所以拿27%去与6%相比较,其能量利用率只有4.5倍。如果航母上是普通的汽轮机机组,其能量利用率才只有蒸汽弹射器的3.5倍。可见电磁并不比蒸汽有多大的优势。

3、单凭第二代蒸汽弹射器可以实现高压蒸汽的“零泄露”和取缔了“舰上维修期和返港维修期”这两点,电磁弹射器就已经不能与之相提并论。

第二代蒸汽弹射器是创新思维产生出来的创新产品,她的出现会使美国人的蒸汽弹射器黯然失色,望其项背。她展现出来的优越的性能会重新燃起人们对蒸汽弹射器的钟爱。伴随新型蒸汽弹射器研制成功、装舰并形成战斗力也将给电磁弹射器的研制完善留下充足的时间和空间。

让我们关注并期盼这一艳丽的奇葩绽放。

冬天的西北风 2014年03月29日

[ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]

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