圖為福特級(jí)鋪設(shè)電磁彈射軌道
[ 轉(zhuǎn)自鐵血社區(qū) http://bbs.tiexue.net/ ]7 j9 y4 J1 j" @ ]& |! Y隨著美國新海上巨獸“福特”級(jí)航母下水，世界迎來了新超級(jí)航母時(shí)代，其搭載的眾多先進(jìn)技術(shù)將航母作戰(zhàn)效能推升到了極致，其中最被人稱道的就是現(xiàn)在最前衛(wèi)的電磁彈射起飛技術(shù)。彈射技術(shù)發(fā)展至今，它到底經(jīng)歷了什么，并怎樣改變了我們的世界呢？
圖為萊特兄弟“飛行者一號(hào)”借助早期彈射裝置起飛
其實(shí)最早的助飛彈射器在飛機(jī)被發(fā)明的時(shí)候就已經(jīng)出現(xiàn)，和萊特兄弟同期的蘭利，首先利用彈簧和滑道進(jìn)行助飛，而萊特兄弟也在同樣概念下，造出了落重彈射器。借助這種彈射器。萊特飛行器成功進(jìn)行了動(dòng)力飛行。
圖為颶風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)借助彈射裝置起飛瞬間
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在飛機(jī)發(fā)明后的不久就出現(xiàn)了水上飛機(jī)，各國海軍在使用水上飛機(jī)時(shí)候，為了能讓艦載機(jī)在艦只不停航的狀態(tài)下迅速升空，各國開始開發(fā)助飛裝置，這種裝置最早是裝備在大型水面艦只上的水上飛機(jī)彈射器，結(jié)構(gòu)上有落重式，飛輪式，火箭助推式，液壓式和氣壓式多種。
早期戰(zhàn)列艦，重巡洋艦上大部分是飛輪式的彈射器。這種彈射器由飛輪儲(chǔ)存機(jī)械能量，通過離合器拉動(dòng)鋼纜進(jìn)行彈射。火箭助推彈射器多用于小型的艦船，二戰(zhàn)中，英國為了對(duì)付德國潛艇，使商船隊(duì)擁有一定空中力量，曾為商船裝備了能讓颶風(fēng)式戰(zhàn)機(jī)起飛的彈射器，這種簡單的彈射器是火箭助推式的。
圖為美國“蘭利”號(hào)航母
航母最早使用彈射器的是1922年從運(yùn)煤船改裝而成的“蘭利”號(hào)，雖然其最高航速只有15海里，這艘航母卻是美國海軍航空兵非常成功的試驗(yàn)平臺(tái)，航母技術(shù)里最關(guān)鍵設(shè)備如彈射器，攔機(jī)網(wǎng)和升降機(jī)技術(shù)都在“蘭利”上得到了試驗(yàn)。從這艘航母得到的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，對(duì)后來航母設(shè)計(jì)和運(yùn)作有極大的影響。
彈射器示意圖
在二戰(zhàn)期間大部分飛機(jī)還能憑本身的動(dòng)力全負(fù)荷在航母甲板上起飛，裝備彈射器的本來只是為了讓航母在更短時(shí)間內(nèi)讓更多飛機(jī)升空。甚至彈射器還反而增加了甲板人員運(yùn)作的復(fù)雜性，令本來已經(jīng)復(fù)雜的升空程序變得更難執(zhí)行，因此導(dǎo)致升空延誤。這個(gè)難題曾困擾航母多年，并導(dǎo)致彈射器被列為受淘汰設(shè)備。
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圖為美國海軍FJ-1噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)，也是第一款在航母上起降的實(shí)用型噴氣機(jī)
經(jīng)過二戰(zhàn)考驗(yàn)，航母技術(shù)發(fā)展的更加成熟。到二戰(zhàn)末期噴氣機(jī)開始出現(xiàn)，戰(zhàn)機(jī)起飛距離的增大和飛機(jī)重量的增加，導(dǎo)致對(duì)彈射器的功率要求更大。可是，當(dāng)時(shí)常用的液壓彈射器已達(dá)技術(shù)極限。這種彈射器的最大輸出功率只能達(dá)到20兆焦耳，推進(jìn)活塞速度達(dá)到90英里/小時(shí)之后的工作效率急劇下降。且彈射器的液壓油在高速流動(dòng)推進(jìn)時(shí)有沸燃現(xiàn)象，在安全性和工作可靠性上存在極大問題，頂桿鋼纜系統(tǒng)的重量也很大。
為了解決上述問題，蒸汽彈射器應(yīng)運(yùn)而生。英國的后備役人員科林.米切爾向海軍建議嘗試使用艦上主鍋爐產(chǎn)生的蒸汽直接驅(qū)動(dòng)彈射器的可能性。英國海軍就此開展了初步試驗(yàn)，試驗(yàn)中證實(shí)了蒸汽彈射器的功率遠(yuǎn)高于液壓彈射器，而且發(fā)現(xiàn)彈射造成的蒸汽消耗對(duì)整體推進(jìn)功率影響不大。
圖為英國“英仙座”號(hào)航母
1950年，英國海軍開始在“英仙座”航母上正式對(duì)蒸汽彈射器進(jìn)行一系列的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，研究人員成功地解決了影響開縫式氣缸工作的兩個(gè)最大問題，第一是氣缸縫受缸內(nèi)壓力擴(kuò)張的問題，第二是彈射氣缸本身受熱后變形的問題。1952年對(duì)蒸汽彈射器的試驗(yàn)證明成功，這種被稱為米切爾式彈射器的裝置正式開始裝備而且被沿用至今。
圖為美國“漢考克”號(hào)航母
通過技術(shù)合作，美國直接參與了“英仙座”航母的彈射器試驗(yàn)而獲得的這項(xiàng)技術(shù)，此后將研制成功的型號(hào)為C-11的蒸汽彈射器裝備在“漢考克”號(hào)航母上，并在1954年6月1日成功完成彈射操作。航母也從此進(jìn)入全面噴氣時(shí)代。
燃?xì)鈴椛淦鞯墓ぷ鬟^程是，滿載飛機(jī)掛上牽引架，開車，當(dāng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到預(yù)定值后，控制系統(tǒng)控制高壓空氣瓶中的空氣經(jīng)過閥門、管路進(jìn)入汽缸，噴入汽油（或天然氣），點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生高溫高壓氣體；高溫高壓氣體膨脹，驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生拉力，拉動(dòng)牽引索運(yùn)動(dòng)；牽引索經(jīng)過導(dǎo)輪改變方向和牽引位置，牽引甲板上的飛機(jī)產(chǎn)生加速度。
圖為甲板彈射器維護(hù)照片
彈射過程的同時(shí)，牽引索和牽引架通過牽引索拉動(dòng)復(fù)進(jìn)汽缸中的活塞運(yùn)動(dòng)，復(fù)進(jìn)汽缸中的活塞和汽缸密閉，壓縮內(nèi)部的空氣，形成空氣彈簧，蓄積彈射器牽引索和牽引架返回行程的能量。彈射行程結(jié)束時(shí)，活塞運(yùn)行到汽缸中預(yù)定的位置，汽缸上的開口露出，形成氣流通道，把汽缸中的高壓空氣排放出來，牽引索上就無法繼續(xù)產(chǎn)生拉力，牽引索和牽引架受慣性力作用繼續(xù)前進(jìn)；
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圖為裸露的彈射器氣缸
圖為蒸汽彈射器工作時(shí)高溫汽體流向示意圖
復(fù)進(jìn)汽缸密閉壓縮，高壓空氣壓縮的阻力阻止?fàn)恳骱蜖恳芮斑M(jìn)，空氣彈簧中的復(fù)原力使?fàn)恳骱蜖恳芊祷剡\(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)彈射工作循環(huán)。按照計(jì)算，300毫米直徑的汽缸在8MP的工作壓力時(shí)，可以產(chǎn)生超過56噸的推力（或者拉力），這樣的拉力可以使總質(zhì)量14噸的殲10飛機(jī)獲得4個(gè)G的加速度。
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圖中就是彈射器的汽缸內(nèi)活塞，兩個(gè)平行的活塞連結(jié)上方的彈射梭
圖為蒸汽彈射器氣缸及開縫部分清晰照片
如果彈射目標(biāo)（或者叫負(fù)載、負(fù)荷）換成我國比較重型的殲11型戰(zhàn)斗機(jī)，這樣的彈射力也可以得到近2個(gè)G的加速度。如果所彈射的飛機(jī)的重量有所增加，或者減少，可以通過調(diào)整汽缸工作壓力的辦法，調(diào)整改變彈射器的彈射力，滿足不同飛機(jī)彈射起飛的要求。或者選用直徑更大一些的鋼管適應(yīng)重量級(jí)別更大的飛機(jī)
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上兩圖為彈射力曲線示意圖
機(jī)械上，這種結(jié)構(gòu)的難度是既要讓驅(qū)動(dòng)活塞/前引器結(jié)構(gòu)在汽缸縫里自由移動(dòng)，又要保持必要的工作壓力。最大的技術(shù)問題是如何防止泄漏導(dǎo)致壓力下降。不少設(shè)計(jì)者曾為此提出過多種不同的解決辦法，最早的方案是在汽缸縫上設(shè)置彈性結(jié)構(gòu)，既能讓活塞結(jié)構(gòu)通過，又可以在活塞通過后不讓外漏。這種設(shè)計(jì)在40年代末曾用在XH-8液壓彈射器上，性能上XH-8彈射器可以將15000磅的負(fù)荷加速達(dá)到120英里/小時(shí)的速度。
圖為蒸汽彈射器橫截面結(jié)構(gòu)詳解
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圖為彈射活塞前端水剎錐撞入水剎器進(jìn)行減速的示意圖
圖為彈射活塞與密封條開閉的工作示意圖
可是，試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)， 彈性密封裝置在高壓狀態(tài)下密封效果很不理想。經(jīng)過一系列的研究和試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)最簡單的方案，是在汽缸內(nèi)放置密封條，然后通過前進(jìn)的活塞，將汽缸里的金屬密封條直接頂入汽缸縫，并利用缸內(nèi)的壓力將密封條壓緊，從而壓力的不泄漏。
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值得一提的是，在40年代開發(fā)蒸汽彈射器的同時(shí)，美國曾進(jìn)行了**型的飛輪儲(chǔ)能彈射器和電動(dòng)彈射器的開發(fā)和試驗(yàn)。理論上飛輪儲(chǔ)能彈射器可以達(dá)到很高的功率，但是因高速離合器的技術(shù)難題得不到解決而很快被放棄。
圖為大型飛輪儲(chǔ)能彈射器
值得注意的是，當(dāng)時(shí)在電動(dòng)彈射器上研究上，西屋電氣公司成功研制了稱為“電彈器”（Electropult）的彈射器，結(jié)構(gòu)上跟目前熱門的電磁彈射器結(jié)構(gòu)幾乎一樣，采用直線電機(jī)設(shè)計(jì)，而且在彈射功率與蒸汽彈射器相似的輸出。只是因?yàn)檫\(yùn)作昂貴而被放棄。不過，飛輪和直線電機(jī)技術(shù)在最近這20年被重新開發(fā)，現(xiàn)在熱門的電磁彈射器上運(yùn)用的就是飛輪儲(chǔ)能器和直線電機(jī)技術(shù)。
最后說說新型的電磁彈射器。其實(shí)在19世紀(jì)初電磁直線推進(jìn)技術(shù)便被提出，20世紀(jì)70年代，**功率脈沖技術(shù)和電子電工技術(shù)逐漸成熟，為電磁彈射技術(shù)的提供了重要的理論基礎(chǔ)。電磁彈射器主要包括儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)、直線電機(jī)、控制系統(tǒng)，另外還要有冷卻系統(tǒng)、預(yù)加動(dòng)力裝置、減速緩沖與剎車裝置等。
圖為實(shí)驗(yàn)室模擬的電磁彈射器
現(xiàn)在所采用的線圈型電磁彈射器又稱同軸加速器，其是利用直線感應(yīng)電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)，給予艦載機(jī)一個(gè)較大速度，以滿足艦載機(jī)起飛的速度，通常要求在150節(jié)以上。主要原理為直線感應(yīng)電機(jī)的初級(jí)固定部分通上交流電流，產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在直流感應(yīng)電機(jī)次級(jí)運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生該應(yīng)電流，使次級(jí)變?yōu)楦袘?yīng)電流的導(dǎo)體，處于交變磁場次級(jí)部分就會(huì)受到安培力作用，向前推進(jìn)。
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福特級(jí)航母電磁彈射裝置的核心部件是彈射直流感應(yīng)電機(jī)，美國目前研制的直線感應(yīng)電機(jī)需要極高的峰值功率，要100兆瓦以上，目前民用的直線感應(yīng)電機(jī)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此，美國的每臺(tái)電磁彈射器都配備4臺(tái)30兆瓦的直線感應(yīng)電機(jī)來達(dá)到要求。
圖為美國軍方試驗(yàn)型電磁裝置
電磁彈射最主要的問題是均壓和散熱的問題。由于高壓變頻器價(jià)格高昂，因此一些高壓電動(dòng)機(jī)甚到采用變壓器先把電壓降下來，然后采用變頻器控制頻率輸出，再經(jīng)過升壓變壓器輸出到電機(jī)上。這么做就是因?yàn)?font color="#333333">電子元器件耐壓能力差，而且串聯(lián)起來的元器件在實(shí)際工作中并不能均壓，這均會(huì)導(dǎo)致部分元器件過電壓從而導(dǎo)致?lián)p壞。
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圖為電磁彈射裝置示意圖
還有就是散熱，大電磁彈射器的大功率控制裝置室內(nèi)，高大的柜內(nèi)象排隊(duì)一樣排滿了元器件，由于美國采用了IGCT大功率電子元器件，而這些元器件的單一元器件無論是耐壓也是載流量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足電磁彈射器控制裝置的需要，因此，需要數(shù)量眾多的IGCT元器件分別進(jìn)行串聯(lián)及并聯(lián)，并用母線排分別把幾個(gè)柜內(nèi)的元器件連接起來。如此數(shù)理眾多的元器件難道僅僅是通過風(fēng)扇散熱的嗎？
答案是否定的，美國采用的高壓細(xì)流水冷卻辦法。冷卻入水是0℃～4℃的水，由儲(chǔ)能式液壓裝置負(fù)責(zé)水流的供給，主要采用的是前二后四的方法，也就是電磁彈射器彈射戰(zhàn)機(jī)前兩秒開始注入水流，彈射結(jié)束后再注入四秒后停止，彈射器返回及強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置充電則不需要采用水冷，直接由風(fēng)扇冷卻就夠了。可以說，采取高壓細(xì)流水冷方案真正使電磁彈射器實(shí)用走向可能。
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以前美國一直尋求高性能元器件或者說低耗元器件來滿足工作要求，但是長期試驗(yàn)失敗后，通過對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)的液冷方案的提醒，最終采取了高壓細(xì)流水冷方案。當(dāng)然，如果有源相控陣?yán)走_(dá)不采用液冷的話，實(shí)用化仍無從談起。高壓細(xì)流水冷卻說起來簡單，但是實(shí)用起來卻不是容易的事。
圖為電磁彈射器的牽制桿
首先，它需要水箱及冷卻裝置，同時(shí)需要儲(chǔ)能式高壓活塞注入裝置，更困難的是每一個(gè)元器件都必需配備散熱片及連通水管，與主回路、控制回路、儀表回路等一樣，水管回路也是控制柜內(nèi)的一大器件。要知道，目前國內(nèi)的高壓變頻器功率最大做到了20000千瓦，比給強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置及彈射器返回工作時(shí)的功率都要高，但是目前無一采用水冷或液冷，而全部采用的是風(fēng)扇冷卻，可見水冷或液冷的難度。
所以縱觀飛機(jī)彈射器的百年發(fā)展不難看出，彈射器技術(shù)的進(jìn)步一方面是為了適應(yīng)不斷變革的軍機(jī)的腳步，另一方面也是長期綜合技術(shù)和工藝能力的積累。現(xiàn)在美國海軍已經(jīng)率先步入“電磁時(shí)代”，這種完全不同于以往機(jī)械能和化學(xué)能的顛覆性武器必將改變未來戰(zhàn)爭規(guī)則，所幸的是中國在類似高新技術(shù)領(lǐng)域與傳統(tǒng)優(yōu)勢國家差距并不大，希望能早日看到我軍用上自己的“劃時(shí)代武器”。
圖為網(wǎng)傳中國電磁彈射大型實(shí)驗(yàn)裝置
本文是對(duì)人類飛機(jī)彈射技術(shù)百年發(fā)展的一次回顧，撫今追昔著眼未來，軍事技術(shù)的進(jìn)步不斷改變著戰(zhàn)爭的形式，也深刻的影響著我們的歷史。本人希望通過這篇文章，幫大家梳理對(duì)于當(dāng)今高精尖技術(shù)演變脈絡(luò)的思路，因時(shí)間緊迫水平有限，如有不足歡迎指正。當(dāng)然也希望喜歡的朋友幫頂一下，謝謝！
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