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標(biāo)題: 電磁=未來?關(guān)于彈射技術(shù)那些你不知道的事 [打印本頁]

作者: hc2003    時(shí)間: 2014-2-23 10:27
標(biāo)題: 電磁=未來?關(guān)于彈射技術(shù)那些你不知道的事
電磁=未來?關(guān)于彈射技術(shù)那些你不知道的事[鐵血觀察家 第102期]沉思的奧勒留海軍論壇2014/2/21 11:16:476942402[url=]復(fù)制本帖[/url]
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圖為福特級鋪設(shè)電磁彈射軌道

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隨著美國新海上巨獸“福特”級航母下水,世界迎來了新超級航母時(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”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存機(jī)械能量,通過離合器拉動鋼纜進(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。

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圖為美國“蘭利”號航母

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,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,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整體推進(jìn)功率影響不大。

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圖為英國“英仙座”號航母

1950年,英國海軍開始在“英仙座”航母上正式對蒸汽彈射器進(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為C-11的蒸汽彈射器裝備在“漢考克”號航母上,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。

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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)動活塞運(yùn)動,產(chǎn)生拉力,拉動牽引索運(yùn)動;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復(fù)進(jìn)汽缸中的活塞運(yùn)動,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,完成一個彈射工作循環(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)動活塞/前引器結(jié)構(gòu)在汽缸縫里自由移動,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**型的飛輪儲能彈射器和電動彈射器的開發(fā)和試驗(yàn)。理論上飛輪儲能彈射器可以達(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。

圖為大型飛輪儲能彈射器

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值得注意的是,當(dāng)時(shí)在電動彈射器上研究上,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,給予艦載機(jī)一個較大速度,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)次級運(yùn)動部分產(chǎn)生該應(yīng)電流,使次級變?yōu)楦袘?yīng)電流的導(dǎo)體,處于交變磁場次級部分就會受到安培力作用,向前推進(jìn)。

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福特級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,美國的每臺電磁彈射器都配備4臺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)需要儲能式高壓活塞注入裝置,更困難的是每一個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。

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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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作者: xlf63    時(shí)間: 2014-2-23 10:42
沙發(fā)先坐
作者: 番茄醬X    時(shí)間: 2014-2-23 10:57
板凳。
作者: 黑馬王子sw    時(shí)間: 2014-2-23 11:17
圖片看不到真是著急
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作者: 宇宙立方    時(shí)間: 2014-2-23 17:12
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。) x1 l& N' j8 h  O3 M
這得讓GD把腦子洗到什么程度能說出的腦殘?jiān)拋?




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