[原创]说说舰载机弹射器

说说舰载机弹射器

正常情况下(我们暂时不考虑垂直起飞和滑跃起飞),固定翼舰载机从航母上起飞必须要依靠弹射器的推动来获得一个初始加速度,从而在滑跑距离有限的条件下达到足够的起飞速度。这里我们把着个起飞速度表示为V,弹射器的平均加速度(注意是“平均”而不是“瞬间”加速度)为A,弹射器的作功行程(也可以认为是舰载机的滑跑距离)为D。根据物理学中速度与加速度之间的关系,我们可以得出下面的等式:V=√2AD。

一般来说,V和D都是相对固定的数值。以美国“尼米兹”级航母为例,典型的舰载机(如F/A-18)的起飞速度是185节,约合95米/秒,弹射起飞距离是95.5米。若要求出A,上面的等式可以变为A=V Square / 2D = 95 * 95 / (2 * 95.5) = 47.5米/秒,约合5g. 也就是说,弹射器必须要为舰载机提供5g的加速度才能保证起飞成功。问题是3秒钟内达到5g的加速度需要有足够强大的动力,普通的液压动力显然不合适,现阶段唯一可行的选择是高压水蒸汽。当然,5g的加速度只是理论计算的数值,只是考虑了舰载机以最大起飞重量弹射的情况,实际应用中一般都设定在3.5g左右,而对应的起飞速度则只有150节。

对于中国航母是否安装弹射器的争论上,很多军事迷都极力反对弹射起飞,反而赞成滑跃起飞,理由大致集中在“弹射器制作工艺复杂”,“弹射过载增加机体结构重量”,“弹射器体积庞大”,“弹射器可靠性差”等方面,同时一再鼓吹滑跃起飞的优势,如“舰体建造容易”,“不增加机体结构重量”,“不需要额外占用舰内空间”,“可靠性高”等。乍一听来似乎很有道理,但实际上并非如此,我们可以逐一对比分析。

1.弹射器真的很难制造吗?

的确,虽然是英国人发明了蒸汽弹射器,但迄今为止只有美国制造出了用于实战的弹射器,连一向坚持国防独立自主的法国也不得不从美国进口弹射器,而前苏联则始终没有解决弹射器的问题,“库兹涅佐夫”上搭载的SU-33也是靠滑跃甲板起飞的。可以理解,以前苏联强大的工业基础尚且不能解决弹射器的问题,中国似乎更不应该有这个能力了。但是弹射器就那么难制造吗?非也。其实弹射器的加工精度远没有想象中的高。

许多文章对弹射器制造难点的说法不尽相同,有的说开口汽缸密封条是关键,有的说是开口汽缸的加工难度很大,还有的说是焊接技术要求很高。实际上,弹射器的真正难点在储汽罐的制造上而不是汽缸和活塞,不过焊接技术确实要求很高。

开口汽缸密封条是很重要,因为漏汽太多活塞很快就失去推力了。但是也大可不必把密封条件过于理想化,以为非要达到“滴汽不漏”不可。其实漏掉少量汽是可以接受的,只要对推力影响不大就可以了。弹射器开口汽缸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,只要蒸汽能量足够大,漏掉一小部分也无大碍。

担心开口汽缸的加工难度也是情有可原,毕竟开口汽缸长达90多米,还要保证活塞能够畅通无阻,内壁的光洁度确实不能太差,再加上要承受热蒸汽的巨大压强,要说很好加工那是吹牛。大概是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一直固定在457毫米,对承受每平方厘米200多牛的压力并不算太大问题,要知道我们日常生活中使用的液化气罐也能承受每平方厘米400多牛的压力。90年代法国在“戴高乐”上进行弹射器调试时,曾发现汽缸槽中火花四溅,铁屑横飞,把工人们吓得不轻,以为哪里装错了。后来问了美国方面方知虚惊一场,原来这是磨合期的正常现象。这样看来加工精度并不是太大问题。

弹射器的储汽罐是一种大尺寸的高压容器。对于航母弹射器来说,有使用次数、重量限制和耐高温方面的要求,故制造难度不小。制罐材料要用特种合金钢,必须要有很好的耐高温性能和抗高压强度,而且还要承受几十万次的弹射加压/卸压疲劳循环,没有强大重工业基础的国家根本无法制造。制罐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,还有严格的检测,否则一个微小的焊缝就足以导致大爆炸。不过储汽罐的制造难度也是相对的,从性质上讲和造高压锅没有什么两样。如果对体积和重量不太在意,用普通钢材加厚就能达到和使用特种合金钢同样的效果,这样不管是制造难度还是制造成本都可以降低不少。

2.弹射过载必须增加机体结构重量吗?

没错,舰载机的前起落架是需要加固,机身受力结构也要重新设计,以适应起降时的剧烈冲击。但是这些决不表明滑跃起飞的舰载机就不需要增加额外的重量。无论是弹射起飞还是滑跃起飞,着陆时都要通过阻拦索强制刹车,机体都需要加强以防止解体。这一点上两种起飞方式没有本质区别。以SU-33为例,为适应滑跃甲板起飞,苏霍依在SU-27的基础上扩大了襟翼面积并额外安装了活动前翼,付出的重量代价远大于加固前起落架。而且SU-33滑跃起飞时不能加满油箱,也不能外挂太多导弹,这样严重制约了SU-33的作战半径和作战威力,如果要空中加油则又增加了指挥协调的困难。弹射起飞则允许舰载机满载油弹起飞,而且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,一次出航可节省300多吨油料, 从效费比上评价,弹射器要比滑跃甲板节省得多。

3.弹射器体积庞大吗?

对,真的不小。现役美国“尼米兹”级航母上的C-13型弹射器用的储汽罐直径2米,长为20米,即使采用高强度轻质量的特种合金钢制造,两个罐子的重量也不低于200吨。两个汽缸组件加上往复轨道和支撑盖板等部件也不在200吨以下。飞行甲板上为安放汽缸留出的凹槽截面积可以通过航母照片来推算,大致是1.6 * 1.8 = 2.88平方米,再考虑弹射器将近100米得长度,则这部分的体积接进300立方米。两个罐子的体积也在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。4套弹射器的总体积是2400立方米。至于重量,一套弹射器至少有1000吨,4套就有4000吨。这样大的重量和体积对于习惯了驱逐舰和护卫舰的军迷来说确实是太大了,但对排水量10万吨级的大型航母根本不在话下。另外,弹射器一般设置在舰首和左舷侧,这些部位通常派不上其他用场,也不存在挤占舰内空间的问题,再加上弹射器是纵向安装,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成正比。美国航母上的C-13型弹射器是为最大起飞重量40吨的舰载机设计的,采用的是双汽缸推动。对于中小型航母,如果是舰载机的起飞重量在20吨以下,则采用单汽缸就足够了。弹射器的重量和体积可以大幅度下降。像SU-33这样的重型舰载机需要双汽缸推动,但是像MIG-29K这样的轻型战斗机单汽缸足矣。

4.弹射器可靠性差吗?

不见得。C-13型弹射器的大修间隔是1500次弹射,4部可以无故障弹射6000次。以一次航母出征60天计算,平均每天可以弹射100次,这样大的弹射密度在和平时期根本就用不上。在战争时期,看起来滑跃甲板似乎要比弹射器可靠不少,因为滑跃甲板没有任何机械部件,但是一旦航母中弹遭重创,无论是滑跃甲板还是弹射器都无法使用,可靠性没有任何区别。如果航母仅受轻伤,即使损坏一两部弹射器,还有剩下的两三部可以继续使用,而滑跃甲板一旦中弹舰载机就无法起飞,总体可靠性反而不如弹射器。除非是YAK-141和F-35那样有垂直起降能力的舰载机才能不需要跑道起飞,但这已经不在本文讨论的范围内了。同时弯曲的滑跃甲板无法作为停机坪使用,相当一部分舰载机不得不在机库和飞行甲板之间频繁调动,造成了后勤部门的沉重压力。

写到这里,也许会有战友发问:“既然弹射器有这么多优点,又不是很难制造,那为什么法国和前苏联没有成功呢?”GOOD QUESTION! 其实法国和前苏联都有各自的原因,我们不妨一一道来。

作为世界一流的工业强国(虽然比美国要差那么一点点),从纯技术的角度弹射器并不是不可逾越的障碍。有了充足的资金支持,假以时日法国应该是可以研制出“国产”弹射器的。但是,法国总共只计划建造两艘航母,只需要4部弹射器,这一丁点生产量根本不能抵消巨额的研发成本,更不要说盈利了。正好美国也不失时机地向法国游说,大力推销本国的弹射器,法国自然乐意少花钱了。这倒和我们某些“造不如租,租不如买”的领导们有异曲同工之妙了。

前苏联的情况要比法国复杂得多。斯大林喜欢战列舰,对航母不感兴趣,而且当时苏联的国力也无法支撑航母这样的大工程。赫鲁晓夫更是极端,认为在核战争时代航母就是水上的“活棺材”,所以大力发展核潜艇,还撤掉了支持建造航母的库兹涅佐夫。接任的戈尔什科夫以对付美国核潜艇为借口,获得了建造两艘“莫斯科”级“反潜巡洋舰”的批准。继这两个“似驴非马”的怪物后,“基辅”级同样是“四不像”,直到库兹涅佐夫级才有了现代航母的影子。然而西方媒体散布的一些言论影响了苏联发展航母的决心,而且苏联内部对弹射器也持怀疑态度。据说“库兹涅佐夫”号原打算采用弹射器,但就在弹射器取得重大进展时,有关方面突然下令改用滑跃甲板。就连戈尔什科夫这位坚定的航母支持者在航母发展上也提倡“走民族之路”,希望航母“应该有俄罗斯特色”!按照现代航母特点设计出的1160型方案出台后受到许多高层官员的质疑,被戏称为“企业斯基”,这种情绪甚至到了“连弹射器一词也受到诅咒的地步”。结果改来改去,我们今天看到的1143.5型 “库兹涅佐夫”号航母的战斗力比原设计低了70%!作为一个科技大国,工业大国,苏联除了在信息技术上不如美国外,无论是航空航天还是造船炼钢都与美国并驾齐驱,更拥有西方没有的20万吨水压机,很难想象会在一个西方海军已使用了30多年的弹射器面前碰壁。

前苏联船舶工业和航空工业部门之间的矛盾也许是另一个原因。像苏霍依,米高扬这样的航空设计局在苏联历史悠久,影响力巨大。为了部门利益,航空设计局诋毁造船厂是很自然的举动。这种情况在国内的刊物上也可看到,搞舰船的对弹射器持肯定态度,而搞飞机的则往往对滑跃起飞有保留意见。毕竟飞机设计师是权威,特别是在苏联这个从未有过航母使用经验的国家,飞机设计师的观点要比船舶设计师更有说服力。在“外行领导内行”的上级部门眼中,弹射起飞总是“不保险的“,而滑跃起飞总是“值得信赖的”。

总之,前苏联发展航母的曲折之路值得我们反思,中国海军不能也不应该对弹射器无动于衷,至于是研制蒸汽弹射器还是依托中国在电磁推进方面的雄厚基础来研制更高效的电磁弹射器,那就不是我们这些升斗小民所能知道的了。愿中国海军冲出亚洲,走向世界!

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