航母弹射器

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/25 08:57:45
航空母舰弹射器介绍
  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。
主要构件
  包括三部分:   (1)弹射器做动系统:开口活塞筒体、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。
航空母舰弹射器介绍
  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。
主要构件
  包括三部分:   (1)弹射器做动系统:开口活塞筒体、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。
具体介绍
一、海水淡化设备及贮水池
  航母即使没有弹射器(如采用滑跃起飞的),也有海水淡化设备及贮水池,因为生活用水、机器用水也需要淡水,从陆地上补给淡水只是一些近海防卫型护卫舰的办法。有了海水淡化装置,军舰远洋作战能力大大增强,对补给依赖低,而航母是远洋型军舰,不能没有海水淡化装置。有弹射器的航母,不仅生活淡水消耗量大,而且弹射器消耗量更大,根据美军记录:每起飞一架飞机,约消耗1吨淡水。目前,海水淡化技术比较成功的有低压蒸馏及膜透法。其中膜透法已广泛用于民用海水淡化水厂。当然,有了淡化设备还必须有贮水池,用于贮备淡水。
二、高压水泵、锅炉和加热装置
  高压水泵的用途是把淡水从贮水池中抽入锅炉,以抵消释放蒸汽而消耗的淡水。由于锅炉在使用时压力很高,高压水泵必须有很高的压力才能把水补充进去,所以高压水泵不仅要有强大的动力以形成很高的压强,而且要有很高的抗压性,对轧钢和焊接工艺提出很高的要求。高压水泵是根据锅炉内淡水量的多少自动补充的,不过早期的是手动控制的,显得比较落后。   锅炉是提供蒸汽的设备,实际上锅炉就是一个储能装置,民用的锅炉比较多,航母用的锅炉原理上与民用没什么区别,但航母的锅炉更大、耐压性能更高,安全标准更高。即使如此,美国与英国航母还是发生过锅炉爆炸和烫死人的事故。高压锅炉对水质的要求也高,高盐、高硬度的海水根本不能进入锅炉。锅炉工作时要消耗大量蒸汽,如果以最小间隔进行弹射,需要消耗航母锅炉20%的蒸汽。   加热装置很多,美国现役核动力航母都是利用反应堆加热,以保证其有足够的能量释放给弹射器。加热装置也是受控的,但在战争时期锅炉是不能熄火的,以保证紧急情况下随时起飞飞机。不能熄火,就意味着锅炉随时消耗大量的能源,如果是常规动力航母,其燃料费用十分巨大。美军之所以发展核动力航母,也是为了在经济上节省能源开支,毕竟从长期来看,核动力运行成本较便宜。三、开口活塞筒体、活塞、引出牵引部分和U型密封条 航母所用的弹射器早期采用闭口活塞,不过需要一个非常长的动力传动杆把蒸汽能量传给需起飞的飞机,由于几十米长(近百米)的传动杆中间无支点,导致存在传动杆下垂现象,而且会经常把传动杆顶弯的事故发生。后来工程技术人员把传动杆推力改为拉力起飞,解决了这个问题,但发现活塞与传动杆连在一起重量实在太重(大部分重量是传动杆),由于起飞时间短,蒸汽做功很大一部分都消耗在做在了活塞与传动杆上,而且停止时还必须用缓冲器。后来工程技术人员采用活塞开口,活塞环的动能直接从开口处把能量传出去,由于取消了传动杆,大大减少了重量,也同时提高了效率,可以毫不夸张地说:这是一场弹射器的**,这种方法一直沿用至今。   当然,由于采用了开口活塞筒,其开口对称的筒壁就需要相应加厚,否则在蒸汽的高压下,开口处会增大,导致密封不紧、蒸汽外泄。实际上,除对称筒壁加厚外,开口活塞筒外壁也要加固。   由于采用了开口活塞筒,最大的麻烦是活塞的密封刀经过开口时的密封问题。其实,弹射器活塞与普通活塞没什么两样,不过弹射器上的活塞较长一点,一是增强其稳定性,二是由于密封刀必须非常薄,而推力又比较大,所以只有增加密封刀宽度才能解决问题,而密封刀宽度增加了,活塞也需加长一点。不过,虽然活塞长了,重量并不增加多少,原因是其中间是空的(并非完全空,还有部分钢构),而且活塞为双向密封的。   引出牵引部分是通过密封刀与外部件连接起来的,但弹射器最大的麻烦之处就在于密封刀与U型密封条的结合处。由于密封刀经过时必须把U型密封条在接口处顶开,顶开后与密封刀接缝处肯定会漏泄蒸汽,如果U型密封条的密封力很大,密封效果肯定很好,但密封刀阻力也会越大,U型密封条磨损也就越快,所以为了很好地解决密封、运行阻力及U型密封条磨损问题,美国率先采用了“高压细流水密封技术”解决了这个问题。虽然还会有些蒸汽外泄,但密封刀的摩擦阻力与U型密封条磨损率已经大大降低。不过,不要认为这样就完美了,U型密封条磨损仍然是困扰弹射器的最大心病,日常维护与检修都相当麻烦,虽然一直在不断改进材质及采用新技术,但至今仍不能令人满意,美军对此意见很大。
四、导气管、模度气动阀门、排气阀和安全阀
  导气管是把锅炉里的蒸汽导入弹射器,以迫使弹射器工作。模度气动阀门的作用是控制蒸汽进入的速度。由于气动模度阀门有开关迅速及开度易控制的特点,所以气动模度阀门可以控制蒸汽压力而达到控制弹射器的目的。排气阀作用是把活塞筒内的蒸汽排出去。安全阀是为了防止弹射器筒体内压力过高而采用的保护设备。
五、测距仪、压力传感器及控制系统
  安装在弹射器上的测距仪可以精确地测出弹射器位置及弹射器的速度,而两侧的压力传感器可精确地读出弹射器内的压力,这些数据以极快的速度送入智能控制处理器(相当于PLC)。智能控制器处理这些数据后,准确控制气动模度阀门,从而达到起飞飞机的目的,也能通过控制气动阀门使弹射器返回原来位置。   弹射器还装有其它仪表,如锅炉水位计、温度计、压力传感器等,这些都要由智能控制器总体控制、统一管理,这样才能使弹射器效率大大提高。
六、燃气导流板
  在弹射前,舰载机的喷气发动机已经全速运转,会向后喷射出高温高速燃气流,对后面的人员和器材危害甚大。这时,弹射器后方张起的挡板可使燃气流向上偏转,不会喷向后面甲板,这些挡板叫“偏流板”或“燃气导流板”。一般来讲,每个弹射器后面有一组共3块燃气导流板。当单发飞机起降时张开正中一块;当双发飞机起降时三块都张开。为降低燃气流的灼热温度,燃气导流板后面都装有供冷却水循环流动的格状水管。燃气导流板要求耐高温、耐冲击,能经受忽冷忽热和飞机降落时的强大冲击力,加工制造难度很大。
七、其他设备
  其实,不要以为以上这些就是航母弹射器的全部设备,实际上还有弹射器固定装置、降温装置、专用维修工具和专用维修通道等。为了保证弹射器正常运行,航母上每天有数十人(至少40-50人)为运行、维护和保养弹射器而忙碌不已。
弹射器工作流程
  (1)第一步:弹射飞机   当锅炉的蒸汽可以满足弹射使用时,模度气动阀门才能打得开,这时飞机发动机起动,同时弹射器作信号发出,工作侧气动模度阀门打开,同时返回侧排气阀打开,活塞在高压蒸汽推动下同时通过密封刀推动牵引部分带动飞机,使飞机高速运行,活塞另一侧筒内则因压力剧增使余气从排气阀迅速排出,当达到起飞速度时,工作侧气动模度阀门开闭,同时排气阀也开闭,由于活塞没有了外力(蒸汽推力),同时也由于排气阀开闭,使活塞运行时受到极大阻力而停止。当然,为了安全起见,返回侧还是装上了缓冲器。   (2)第二步:弹射器返回   为了弹射另一架飞机,弹射器必须在极短的时间内迅速返回原位,返回时与上述程序相反,返回侧气动模度阀门打开,同时工作侧排气阀打开,活塞在蒸汽压力下返回到原位。当然,返回侧的压力没有弹射侧的高,因为只是让弹射器回来而已。弹射器返回不同于工作,工作时只要飞机起飞了,弹射器立刻停止,而不管弹射器在什么位置(当然不能到头),而返回时则需要弹射器准确地停在起飞飞机的位置上,为方便起飞飞机,同时以减少起飞时间。
[编辑本段]弹射方式简介
  舰载机起飞时都利用弹射器轨道上的滑块把飞机高速弹射出去,而依据舰载机与滑块的联结方法,弹射方式可分为拖索式和前轮牵引式。   (1)拖索式弹射方式是50年代开始使用的老方式,需要8-10名甲板人员先用钢质拖索把飞机挂在滑块上,再用一根索引释放杆把其尾部与弹射器后端固定住。弹射时,猛力前冲的滑块拉断索引释放杆上的定力拉断栓,牵着飞机沿轨道迅速加速,在轨道末端把飞机加速到直起飞速度抛离甲板,拖索从飞机上脱落,滑块返回弹射器起点准备下一次工作。   (2)前轮牵引弹射方式是美国海军1964年试验成功的。舰载机的前轮支架装上拖曳杆,前轮就直接挂在滑块上,弹射时由滑块直接拉着飞机前轮加速起飞。这样就不用8-10名甲板人员挂拖索和捡拖索了。弹射时间缩短,飞机的方向安全性好,*作简便。但舰载机的前轮起落架需要做专门设计并加固,美军现役核动力航母都采用这种起飞方式。
[编辑本段]蒸汽弹射器的缺陷
  (1)维护成本大,U型密封条更换频繁而又十分麻烦,对材质要求高;   (2)使用蒸汽弹射器成本大,效率低,配套设施多,系统烦琐,各个环节要求高;   (3)需消耗大量淡水,美国曾为此考虑过蒸汽冷凝回收装置,终因体积大及效率低而取消。   由于蒸汽弹射器存在以上不足,所以美军对蒸汽弹射器不满,从而催生了电磁弹射器。不过,电磁弹射器现仍处于研制阶段,短期内很难投入美军现役 .
弹射器的制造难点在那里?

  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!

  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。

  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。
弹射器开口汽缸的结构受力措施

  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。

俄航母为什么没有采用弹射器?

  媒体上关于弹射器制造困难的说法是有一个发展过程的,刚开始出现在刊物上的相关文章并没有提到这一点。随着时间的推移,科普刊物越来越多,有关航母的文章也成为刊物中的重头戏,但关于弹射器的描述却越来越简单,而制造困难的说法却流行开来。造成这种情况的原因可能和跃飞甲板的出现以及俄航母采用跃飞甲板有很大关系。跃飞甲板也能使飞机从航母上起飞,而结构却要简单得多。与此相类似,跃飞甲板刚出现的时候,也很少有专家看好,例如国内“首次”报道滑跃起飞的文章大概是在1976年,其中就认为“滑跃起飞必须满足两个严格条件:一是航迹角超过30度时仍能加速;二是在失速情况下仍能操纵,到目前为止只有‘鹞’式飞机才能满足这两个条件”。当大家开始认同还是弹射起飞更有优势时,又从俄航母采用滑跃起飞得出“连苏联也没有解决弹射器的制造问题,这说明弹射器的复杂性”的结论来。

  上面的情况对同样没有航母使用经验的苏联也有影响。一直有观点认为,西方媒体散布的一些言论影响了苏联发展航母的决心,俄罗斯的航母专家在回忆苏联发展航母的文章中说,声东击西、移花接木, 是西方将对手引入歧途的惯用伎俩,当苏联未着手研制垂直起降飞机时,西方宣扬这种机型的优越性;当苏联研制弹射器时,他们则大肆宣扬滑跃起飞的优点。结果,苏联一再否定自己的判断,以至于“库兹涅佐夫”号航母的战斗力比原设计低70%。作为一个科技大国. 苏联除了在信息技术上不行外,无论是航空航天、还是造船造坦克都是仅次于美国的国家,在制造大尺寸高压容器这样的工业设备方面更是数一数二,很难想象会在一个西方国家海军已使用了30多年的弹射器面前碰壁。

  那篇文章还说“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跃飞甲板。就连戈尔什科夫这位具有现代军事科学头脑的军人在航母发展上也在提倡“走民族之路”,他支持航母“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”。

  这些情况可能都对苏联航母是否采用弹射起飞起到了一定的影响。本位主义的影响也不能小觑,飞机设计局在苏联历史悠久,是有影响的大单位,而搞弹射器的可能只不过是一个临时组成的“草头班子”。在没有舰载机使用经验的苏联,飞机设计师的话更有说服力,“苏-35不依靠弹射器就能从航母上起飞,这是世界创举”,那位俄罗斯专家特意强调了这一点。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。当滑跃起飞优于弹射起飞的气氛占据上风时,苏联做出了错误的选择也就不足为奇了。
苏联设计的第一架舰载战斗机实际上是在米格-23基础上发展的米格 -23A。由于原型机的前起落架是向前后收起的,不经过大的改动不可能采用美国舰载机的前轮拖曳弹射,为简便起见,采用了拖索弹射。后来的苏-27K采用向前收起的前起落架,在采用前轮拖曳上有便利条件,但设计师不愿意为一个前轮拖曳弹射挂点而付出增加机身重量近百千克的代价。而且这种飞机在机身结构上又与米格-23有着明显的不同,安装发动机的两个吊舱突出在机身下,如果在这两个吊舱上安装弹射钩,就得大大加强吊舱结构,要是设置在两个吊舱之间,又不便于进行弹射挂索,而且还会影响此处挂载弹药或副油箱,这又成为了设计师拒绝采用弹射起飞的借口。

  有关弹射器看法的几点说明

  当出现滑跃起飞方法后,弹射器就被指责有以下几个严重缺点:弹射过载使飞机增重,恶化了舰载机的作战性能;弹射器结构沉重,体积庞大,严重影响航母其他武器的装备,只能安装在大中型航母上;弹射器能耗大,效率低,维修困难,可靠性差;如此等等。之所以得出这些看法,主要是对弹射器缺乏仔细的分析。

  通常认为弹射起飞的加速度为5g,实际上这是指规定重量的飞机可达到的最大加速度。现在美国航母上的飞机起飞都不超过3.5g,这一点可以从飞机相对于航母的起飞速度及弹射行程中计算出来。美国航母的航速为33节,再加上风速,甲板风速可达到达70千米/小时,如飞机的起飞速度为310千米/小时,则此时只需240千米/小时,在弹射行程84米的情况下,弹射过载平均值则只有3g左右,从物理加速度公式可以看出,飞机结构受力和起飞重量大小也有关系。在甲板风小时,适当减少起飞重量,就可使飞机结构受力不超出结构的强度,美国人总是尽量让飞机能以最大速度离舰,这样可增加航程。实际上,舰载机的结构强度在设计上是互相补充的,为适应阻拦着舰和机轮触及甲板时的冲击,就是不采用弹射起飞,这些强度也节省不下来;而采用滑跃起飞的苏-27K不但避不开这些结构加强引起的增重,相反的为满足滑跃起飞采用了前翼和增加了襟翼面积,付出的增重代价更高。增加弹射行程也是控制飞机弹射增重的有效措施,如果弹射增重真是象有些文章说的那样,设计师就会想方设法增加弹射行程。现在的美国航母弹射器冲程几乎都要比战后几年中的航母长二十多米,已经把重载飞机起飞时的弹射过载控制在3g以下了。美法第二代舰载机都采用了前轮拖曳弹射,和拖索弹射相比,这种弹射方式对前机身的强度要求更高,这样作的主要目的虽是为了节省人力, 但也说明弹射增重并不严重。
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。

  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。
航母弹射器结构与工作原理
目前美国的大型航母一般装置多达4台弹射器。在各种型号的弹射器当中,只有C-13-1和C-13-2型号的弹射器有足够的功率能让飞机在不迎风的情况下起飞。

航母

弹射器型号

CV41中途岛 2xC-13 CV43珊瑚海 3xC-11-1 CV60萨拉托加 2xC-112xC-7 CV61漫游者 4xC-7 CV62独立 4xC-13 CV63小鹰 4xC-13 CV64星座 4xC-13 CVN65企业 4xC-13-1 CV66美国 3xC-131xC-13-1 CV67肯尼迪 3xC-131xC-13-1 CVN68尼米兹 4xC-13-1 CVN69艾森豪威尔 4xC-13-1 CVN70卡尔-文森 4xC-13-1 CVN71罗斯福 4xC-13-1 CVN72林肯 4xC-13-2 CVN73华盛顿 4xC-13-2 CVN74斯坦尼斯 4xC-13-2 CVN75杜鲁门 4xC-13-2 CVN76里根 4xC-13-2

蒸汽弹射器工作原理和结构



蒸汽弹射器基本工作过程

据已公开资料显示,目前在役蒸汽弹射器总重量接近500吨,每次弹射最大输出能量可达到95兆焦耳,最短工作周期为45秒,平均每次耗用近700公斤蒸汽。

概念上蒸汽弹射器只是一个大型蒸汽汽缸和一个蒸汽控制系统。将高压蒸汽能量转化为动能进行弹射。然而由于飞机结构强度上的限制,弹射器不但要有足够的输出功率,而且要把输出功率准确控制在飞机可以接受的程度以内。

弹射的动力来自高压蒸汽。由舰船的推进锅炉产生,储存在弹射蓄压罐内。蓄压罐的蒸汽的输入和调压是由蒸汽输入阀门控制。

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。

飞机升空后,蒸汽排放阀打开,让汽缸内蒸汽排出。同时,活塞和飞机牵引器被水刹器减速后停下,然后由归位系统拉回起跑点

图:排气开始,归位系统启动


上图:归位系统牵引弹射活塞归位
蒸汽弹射器的主要结构

从内部结构上看,一台蒸汽动力弹射器按功能可以分成7个主要系统。

1.起飞系统

2. 蒸汽系统

3.归位系统

4.液压系统

5.预力系统

6.润滑系统

7. 控制系统

(注:蒸汽锅炉和回收蒸汽装置在结构上属于船的动力系统,不属于弹射器的内部结构,因此本文就不在这里陈述了。)

起飞系统的功能是产生动力和驱动飞机,这个系统由7个部分组成。

•弹射槽盖/甲板轨道

•动力弹射汽缸

• 汽缸缝盖和密封条

•飞机牵引器

•推进活塞

•速度感应器

•水刹器

上图:弹射槽结构

上图:推进活塞在进行防锈处理
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漏泄导致压力下降。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。

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,从而压力的不漏泄。


在开缝气缸开发的同时,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。而且可靠性和安全性更高较液压弹射器更高。
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。

值得一提的是,在40年代开发蒸汽弹射器的同时,美国曾进行了超大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。

蒸汽弹射器的液压系统的功能主要是提供控制动力。主要的部件有

•液压泵

•排放泵

•液压泵

• 液压管道和阀门

•蓄压器

预力系留系统位于飞行甲板的起跑点。进行起跑之前,将飞机固定在弹射滑动器上,并且对施加预应力,以避免突然加速受力造成结构过载。这个系统的主要部件有

•张力瓶和活塞

•电控气压阀

润滑系统分布在整个弹射器结构上,主要部分有

•润滑油缸

•润滑油泵

•电控油阀

•流量感应器

•润滑器

上图:润滑系统结构图
控制系统是包括所有控制弹射器的运行的部件。主要组成部分为:

•主控制台

•甲板控制台

•飞行控制板

•锅炉状态显示板

弹射器的动力结构

开缝汽缸和活塞直接驱动装置是米切尔式蒸汽弹射器的一个比较独特的结构。通过一些公开的图片,我们可以看到它们的基本结构。
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形。


上图:美技术人员为法国航母维修弹射器
汽缸缝盖和密封条的最重要作用是在气缸缝外形成密封,另外,密封条和汽缸缝盖在气缸缝的外部形成一个完整的钩型结构,可以夹住汽缸缝以防气缸内部压力增大的时汽缸缝扩大。

弹射活塞整体上可以分成3部分,第一部分是气密活塞和活塞环,第二部分是密封条开闭装置,第三部分是水刹锥。在活塞前进的时候,活塞同时将密封条推入汽缸盖和气缸缝的缝隙中完成密封。当活塞到达气缸末端的时候,水刹锥撞入水刹器后开始减速,最后令活塞停下。


弹射过程的动力控制结构

前面提到,飞机弹射时加速度要控制在可承受的负荷范围内,这是通过控制蒸汽注入弹射气缸的流量和流量的变化来实现的。弹射控制阀在这里起到最关键的作用。这个阀门的开关速度和幅度的精确度会直接影响到弹射加速度的可控性。整个弹射过程对加速度的控制,最后是通过改变阀门的开关时间和幅度还完成的。在操作上,弹射阀门的控制需要通过一条既定的阀门调节曲线来进行。

不同飞机和不同装备的配搭,都会有不同的弹射重量。要保证足够的弹射速度和正确的加速度,弹射的时候要根据不同的重量制定相应的阀门调节曲线。测定这些曲线的方法,是用一种被称为空负荷(Deadload)的滑车模仿飞机的起飞重量,在弹射器上反复弹射测定加速度而获得弹射阀门的控制数据。


上图:英国航母在进行弹射测试。
随着飞机的装备多样化,飞机和不同装备的总重量出现更多差异,这就需要进行更多的弹射试验。可是,如果在航母上进行试验,滑车落水后要花不少人力进行回收,所以目前这项试验大部分都在装配了弹射器的机场上进行。法国戴高乐航母装备的是美国C-13弹射器,法国要将飞机送到美国的海军测试基地进行试验才最后获得了这些控制数据。
蒸汽弹射器的现况

蒸汽弹射器这种技术已经在航母上使用了50年,也使唯一经过实战证明的技术。然而,美海军在舰艇设备全面电气化的大趋势下,航母将采用电作为推进的主动力。所有动力设备也将电气化。所以在80年代末,就开始了对电磁弹射器技术的开发,并在费城东部的试验基地装备了电磁弹射器进行试验。在2003年向国会提交的报告中说到,电磁弹射器(EMAL)证实有以下的优点:

1.电气结构,技术上容易与其他甲板上作战系统兼容

2.操作和维修人员编制简化,而且与其它作战系统人员兼容

3.弹射功率提高,有利于装备大型作战飞机

4. 可控性和可靠性高,简化测试

5.结构简化,操作复杂度减低

此外,降落拦截索系统同样也将电气化。目前这个项目由通用原子公司(GeneralAtomic)承包。

不过,蒸汽弹射器在功能上还是能满足目前作战的需要,而且在运作技术上相当成熟。2003年美海军在公开的财政预算书里还提到了一项改良蒸汽弹射器设施的项目,报告里向国会提出要求拨款提升蒸汽弹射器的试验设施的方案,并且提到提升设备的目的以应付蒸汽弹射器服役到2050年的需要。由此看来,蒸汽弹射器还会在美航母上使用相当长一段时间的。
蒸汽系统的功能是储存蒸汽,而且控制蒸汽在各管道和汽缸内的排入,流动和排放。这个系统主要有6个部分组成

•蒸汽蓄压器/储气罐

• 蒸汽注入阀门

•弹射阀门

•排放阀门

•减压曲管

•蒸汽管道

归位系统的作用,是为弹射活塞和牵引器归位提供动力和驱动。主要的部分有

•液压发动机

•滑轮钢缆系统

• 归位牵引器

图:归位液压泵(液压发动机

上图:钢缆绞机

上图:归位牵引器

归位系统工作示意图

图:归位液压驱动器图
http://club.kdnet.net/dispbbs.as ... names=&userids=
深空探索 发表于 2010-8-19 16:23


    这是个啥子?
山中无老虎 发表于 2010-8-19 17:58


    MD的电磁弹射
前几张图好像是米格15?
保存下来慢慢看……
楼主有心人.
受教了!
增加知识咯!
科普贴,不错,学习了
LZ好贴,认真学习{:3_87:}
要自己生产可能又是另一回事了.
有图就看的清楚点了,前面一大段文字看得头晕
前次有机会上航母看了弹射器, 实在看不明白,看了文章之后算是有点明白了。
图呢?
图呢,看到的都是x啊
LZ好贴,认真学习
学习了,开了眼界,谢谢!弹射比滑跃起飞好!
好帖子!学习了!帮顶起哟!
建议弹弓党 进这贴学习。。滑板党 进来学习也支持。。

蒸汽弹射器的现况

蒸汽弹射器这种技术已经在航母上使用了50年,也使唯一经过实战证明的技术。然而,美 ...
深空探索 发表于 2010-8-19 16:03


楼主能否介绍下维护等方面的知识,记得MD弹弓维护周期不太长,好象战时较频繁地使用3、4天后,就得在安全海域维护
蒸汽弹射器的现况

蒸汽弹射器这种技术已经在航母上使用了50年,也使唯一经过实战证明的技术。然而,美 ...
深空探索 发表于 2010-8-19 16:03


楼主能否介绍下维护等方面的知识,记得MD弹弓维护周期不太长,好象战时较频繁地使用3、4天后,就得在安全海域维护
在想一个问题,如果一旦不慎有异物调入开缝的气缸里面然后没有发现继续执行弹射,如何是好? 是否有相应的保护措施呢 :(
科普帖,学习之
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