圖為福特級鋪設電磁彈射軌道
[ 轉自鐵血社區 http://bbs.tiexue.net/ ]3 [* _" b# P: s j- \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代，其搭載的眾多先進技術將航母作戰效能推升到了極致，其中最被人稱道的就是現在最前衛的電磁彈射起飛技術。彈射技術發展至今，它到底經歷了什么，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
其實最早的助飛彈射器在飛機被發明的時候就已經出現，和萊特兄弟同期的蘭利，首先利用彈簧和滑道進行助飛，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。萊特飛行器成功進行了動力飛行。
圖為颶風戰斗機借助彈射裝置起飛瞬間
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在飛機發明后的不久就出現了水上飛機，各國海軍在使用水上飛機時候，為了能讓艦載機在艦只不停航的狀態下迅速升空，各國開始開發助飛裝置，這種裝置最早是裝備在大型水面艦只上的水上飛機彈射器，結構上有落重式，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械能量，通過離合器拉動鋼纜進行彈射。火箭助推彈射器多用于小型的艦船，二戰中，英國為了對付德國潛艇，使商船隊擁有一定空中力量，曾為商船裝備了能讓颶風式戰機起飛的彈射器，這種簡單的彈射器是火箭助推式的。
圖為美國“蘭利”號航母
航母最早使用彈射器的是1922年從運煤船改裝而成的“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平臺，航母技術里最關鍵設備如彈射器，攔機網和升降機技術都在“蘭利”上得到了試驗。從這艘航母得到的經驗和數據，對后來航母設計和運作有極大的影響。
彈射器示意圖
在二戰期間大部分飛機還能憑本身的動力全負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間內讓更多飛機升空。甚至彈射器還反而增加了甲板人員運作的復雜性，令本來已經復雜的升空程序變得更難執行，因此導致升空延誤。這個難題曾困擾航母多年，并導致彈射器被列為受淘汰設備。
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圖為美國海軍FJ-1噴氣式戰斗機，也是第一款在航母上起降的實用型噴氣機
經過二戰考驗，航母技術發展的更加成熟。到二戰末期噴氣機開始出現，戰機起飛距離的增大和飛機重量的增加，導致對彈射器的功率要求更大。可是，當時常用的液壓彈射器已達技術極限。這種彈射器的最大輸出功率只能達到20兆焦耳，推進活塞速度達到90英里/小時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時有沸燃現象，在安全性和工作可靠性上存在極大問題，頂桿鋼纜系統的重量也很大。
為了解決上述問題，蒸汽彈射器應運而生。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生的蒸汽直接驅動彈射器的可能性。英國海軍就此開展了初步試驗，試驗中證實了蒸汽彈射器的功率遠高于液壓彈射器，而且發現彈射造成的蒸汽消耗對整體推進功率影響不大。
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行一系列的試驗。試驗中，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壓力擴張的問題，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
通過技術合作，美國直接參與了“英仙座”航母的彈射器試驗而獲得的這項技術，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。航母也從此進入全面噴氣時代。
燃氣彈射器的工作過程是，滿載飛機掛上牽引架，開車，當噴氣發動機推力達到預定值后，控制系統控制高壓空氣瓶中的空氣經過閥門、管路進入汽缸，噴入汽油（或天然氣），點火燃燒，產生高溫高壓氣體；高溫高壓氣體膨脹，驅動活塞運動，產生拉力，拉動牽引索運動；牽引索經過導輪改變方向和牽引位置，牽引甲板上的飛機產生加速度。
圖為甲板彈射器維護照片
彈射過程的同時，牽引索和牽引架通過牽引索拉動復進汽缸中的活塞運動，復進汽缸中的活塞和汽缸密閉，壓縮內部的空氣，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。彈射行程結束時，活塞運行到汽缸中預定的位置，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產生拉力，牽引索和牽引架受慣性力作用繼續前進；
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圖為裸露的彈射器氣缸
圖為蒸汽彈射器工作時高溫汽體流向示意圖
復進汽缸密閉壓縮，高壓空氣壓縮的阻力阻止牽引索和牽引架前進，空氣彈簧中的復原力使牽引索和牽引架返回運動，完成一個彈射工作循環。按照計算，300毫米直徑的汽缸在8MP的工作壓力時，可以產生超過56噸的推力（或者拉力），這樣的拉力可以使總質量14噸的殲10飛機獲得4個G的加速度。
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圖中就是彈射器的汽缸內活塞，兩個平行的活塞連結上方的彈射梭
圖為蒸汽彈射器氣缸及開縫部分清晰照片
如果彈射目標（或者叫負載、負荷）換成我國比較重型的殲11型戰斗機，這樣的彈射力也可以得到近2個G的加速度。如果所彈射的飛機的重量有所增加，或者減少，可以通過調整汽缸工作壓力的辦法，調整改變彈射器的彈射力，滿足不同飛機彈射起飛的要求。或者選用直徑更大一些的鋼管適應重量級別更大的飛機
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上兩圖為彈射力曲線示意圖
機械上，這種結構的難度是既要讓驅動活塞/前引器結構在汽缸縫里自由移動，又要保持必要的工作壓力。最大的技術問題是如何防止泄漏導致壓力下降。不少設計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置彈性結構，既能讓活塞結構通過，又可以在活塞通過后不讓外漏。這種設計在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磅的負荷加速達到120英里/小時的速度。
圖為蒸汽彈射器橫截面結構詳解
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圖為彈射活塞前端水剎錐撞入水剎器進行減速的示意圖
圖為彈射活塞與密封條開閉的工作示意圖
可是，試驗中也發現， 彈性密封裝置在高壓狀態下密封效果很不理想。經過一系列的研究和試驗后，發現最簡單的方案，是在汽缸內放置密封條，然后通過前進的活塞，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年代開發蒸汽彈射器的同時，美國曾進行了**型的飛輪儲能彈射器和電動彈射器的開發和試驗。理論上飛輪儲能彈射器可以達到很高的功率，但是因高速離合器的技術難題得不到解決而很快被放棄。
圖為大型飛輪儲能彈射器
值得注意的是，當時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，結構上跟目前熱門的電磁彈射器結構幾乎一樣，采用直線電機設計，而且在彈射功率與蒸汽彈射器相似的輸出。只是因為運作昂貴而被放棄。不過，飛輪和直線電機技術在最近這20年被重新開發，現在熱門的電磁彈射器上運用的就是飛輪儲能器和直線電機技術。
最后說說新型的電磁彈射器。其實在19世紀初電磁直線推進技術便被提出，20世紀70年代，**功率脈沖技術和電子電工技術逐漸成熟，為電磁彈射技術的提供了重要的理論基礎。電磁彈射器主要包括儲能系統、電力電子系統、直線電機、控制系統，另外還要有冷卻系統、預加動力裝置、減速緩沖與剎車裝置等。
圖為實驗室模擬的電磁彈射器
現在所采用的線圈型電磁彈射器又稱同軸加速器，其是利用直線感應電機的直線運動，給予艦載機一個較大速度，以滿足艦載機起飛的速度，通常要求在150節以上。主要原理為直線感應電機的初級固定部分通上交流電流，產生交變磁場，交變磁場在直流感應電機次級運動部分產生該應電流，使次級變為感應電流的導體，處于交變磁場次級部分就會受到安培力作用，向前推進。
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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電機，美國目前研制的直線感應電機需要極高的峰值功率，要100兆瓦以上，目前民用的直線感應電機的功率遠遠低于此，美國的每臺電磁彈射器都配備4臺30兆瓦的直線感應電機來達到要求。
圖為美國軍方試驗型電磁裝置
電磁彈射最主要的問題是均壓和散熱的問題。由于高壓變頻器價格高昂，因此一些高壓電動機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，再經過升壓變壓器輸出到電機上。這么做就是因為電子元器件耐壓能力差，而且串聯起來的元器件在實際工作中并不能均壓，這均會導致部分元器件過電壓從而導致損壞。
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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，高大的柜內象排隊一樣排滿了元器件，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遠無法滿足電磁彈射器控制裝置的需要，因此，需要數量眾多的IGCT元器件分別進行串聯及并聯，并用母線排分別把幾個柜內的元器件連接起來。如此數理眾多的元器件難道僅僅是通過風扇散熱的嗎？
答案是否定的，美國采用的高壓細流水冷卻辦法。冷卻入水是0℃～4℃的水，由儲能式液壓裝置負責水流的供給，主要采用的是前二后四的方法，也就是電磁彈射器彈射戰機前兩秒開始注入水流，彈射結束后再注入四秒后停止，彈射器返回及強迫儲能裝置充電則不需要采用水冷，直接由風扇冷卻就夠了。可以說，采取高壓細流水冷方案真正使電磁彈射器實用走向可能。
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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，但是長期試驗失敗后，通過對有源相控陣雷達的液冷方案的提醒，最終采取了高壓細流水冷方案。當然，如果有源相控陣雷達不采用液冷的話，實用化仍無從談起。高壓細流水冷卻說起來簡單，但是實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的一大器件。要知道，目前國內的高壓變頻器功率最大做到了20000千瓦，比給強迫儲能裝置及彈射器返回工作時的功率都要高，但是目前無一采用水冷或液冷，而全部采用的是風扇冷卻，可見水冷或液冷的難度。
所以縱觀飛機彈射器的百年發展不難看出，彈射器技術的進步一方面是為了適應不斷變革的軍機的腳步，另一方面也是長期綜合技術和工藝能力的積累。現在美國海軍已經率先步入“電磁時代”，這種完全不同于以往機械能和化學能的顛覆性武器必將改變未來戰爭規則，所幸的是中國在類似高新技術領域與傳統優勢國家差距并不大，希望能早日看到我軍用上自己的“劃時代武器”。
圖為網傳中國電磁彈射大型實驗裝置
本文是對人類飛機彈射技術百年發展的一次回顧，撫今追昔著眼未來，軍事技術的進步不斷改變著戰爭的形式，也深刻的影響著我們的歷史。本人希望通過這篇文章，幫大家梳理對于當今高精尖技術演變脈絡的思路，因時間緊迫水平有限，如有不足歡迎指正。當然也希望喜歡的朋友幫頂一下，謝謝！
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