航母彈射器揭秘 zt

航母彈射器揭秘

2008年01月13日 作者：大亮天聖9


最早的助飛彈射器

　　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。


　
　　早期的艦上彈射器
　
　　在飛機發明後的不久就出現了水上飛機，各國海軍在使用水上飛機時候，為了讓艦隻在不用停下來的情況下，艦艇能讓飛機在短時間內升空。各國開始開發助飛裝置，這種裝置最早是裝備在大型水麵艦隻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於小型的艦船，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。這類彈射器性能上來講，彈射周期都相當的長。 　　

　　　

　　早期的航母彈射器 　

　　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

　　

　　雖然最高航速隻有15海裏，這艘航母卻是美國海軍航空兵非常成功的試驗平台，航母技術裏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，對後來航母設計和運作有極大的影響。

　　30年代，大部分飛機還能憑本身的動力全負荷在航母甲板上起飛，裝備彈射器的本來是為了讓航母在更短時間內讓更多飛機升空。英國當時的“凱旋”和“勇氣”號航母就裝備了壓縮空氣氣壓彈射器。這個時期的氣壓液壓彈射器多采用活塞頂杆結構，有滑輪鋼纜係統,最大功率達到5兆焦耳。

　　

　　這個時期下水的美國航母“薩拉托加”和“列克星頓”號上，使用了當時技術上較可靠的飛輪式彈射器。當時的彈射器，已經可以用比較短的彈射周期進行彈射。可是，彈射器的使用在運作上卻增加了升空甲板人員運作的複雜性，令本來已經複雜的升空運作變得更難執行，反而導致升空延誤。這個難題曾困擾航母多年，並導致彈射器被列為受淘汰設備。

　　二次大戰爆發後，由於護航的需要，開發了護航航母，由於這類航母的甲板距離短，飛機必需依靠彈射才能起飛，彈射器成為必不可少的設備。最初裝備在護航航母上的是飛輪彈射器。後來開發的大功率的液壓彈射器在1943年正式投入使用，“企業”號首批改裝使用這種型號為H2-1的液壓彈射器的航母之一。在這之後護航航母大部分裝備了這種液壓彈射器。性能上H2-1彈射器可以將11000磅的負荷在73英尺內加速到70英裏/小時的速度。基本滿足當時的作戰需要。

　　

　　蒸汽彈射器的開發
　　
　　經過二次大戰的實戰考驗，航母的運作技術發展的更加成熟。二戰到了末期，噴氣機開始出現，噴氣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，液壓彈射器已經達到技術極限，當時已經證明這種技術的最大輸出功率隻能達到20兆焦耳。推進活塞速度達到90英裏/小時之後的工作效率急劇下降。而且，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，而且頂杆鋼纜係統重量很大。當時彈射器的問題成為延誤航母使用噴氣機的主要原因，此時，英美意識到高能彈射器技術的重要性，就著手開發新技術

　　在技術方麵，為提高彈射器的效率，30年代已有人提出了“直接驅動”（DirectDrive）的結構概念，著重於降低驅動裝置的動態總重。從而改善彈射器的加速效率。開縫式汽缸設計就是在這種概念下產生的。作為動態結構的活塞和牽引器用最短的距離直接連接，以減低推進活塞和牽引器這兩個動態結構的重量。
　　


　　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裏自由移動，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，又可以在活塞通過後不讓外漏。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英裏/小時的速度。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。

　　經過一係列的研究和試驗後，發現最簡單的方案，是在汽缸內放置密封條，然後通過前進的活塞，將汽缸裏的金屬密封條直接頂入汽缸縫，並利用缸內的壓力將密封條壓緊，從而壓力的不泄漏。

　　 　　

　　在開縫氣缸開發的同時，英國的後備役人員科林。米切爾向海軍建議嚐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於液壓彈射器，而且發現彈射造成的蒸汽消耗對整體推進功率影響不大。而且可靠性和安全性更高較液壓彈射器更高。

　　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係列的試驗。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後變形的問題。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。

　　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，此後將研製成功的型號為C-11的蒸汽彈射器裝備在“漢考克”號航母上，並在1954年6月1日成功完成彈射操作。航母也從此進入全麵噴氣時代。

　　值得一提的是，在40年代開發蒸汽彈射器的同時，美國曾進行了超大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。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製了稱為“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。隻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。





　　蒸汽彈射器在美國航母的裝備情況

　　美國在C-11蒸汽彈射器後，相繼開發了型號為C-7,C-11-1,C-13,C-13-1,C13-2的多種蒸汽彈射器。

　　參數＼型號

　　C-7

　　C-11/

　　C-11-1

　　C-13

　　C-13-1

　　C-13-2

　　衝程(英尺)

　　253

　　211

　　249-10”

　　309-8¾”

　　306-9”

　　軌道長度(英尺)

　　276

　　225

　　264-10”

　　324-10”

　　324-10”

　　活塞與牽引器重量(磅)

　　5200

　　5200

　　6350

　　6350

　　6350

　　氣缸直徑(英寸)

　　18

　　18

　　18

　　18

　　21

　　衝程總容積(立方尺)

　　944

　　786

　　910

　　1148

　　1527

　　目前美國的大型航母一般裝置多達4台彈射器。在各種型號的彈射器當中，隻有C-13-1和C-13-2型號的彈射器有足夠的功率能讓飛機在不迎風的情況下起飛。

　　航母

　　彈射器型號

　　CV41中途島

　　2xC-13

　　CV43珊瑚海

　　3xC-11-1

　　CV60薩拉托加

　　2xC-112xC-7

　　CV61漫遊者

　　4xC-7

　　CV62獨立

　　4xC-13

　　CV63小鷹

　　4xC-13

　　CV64星座

　　4xC-13

　　CVN65企業

　　4xC-13-1

　　CV66美國

　　3xC-131xC-13-1

　　CV67肯尼迪

　　3xC-131xC-13-1

　　CVN68尼米茲

　　4xC-13-1

　　CVN69艾森豪威爾

　　4xC-13-1

　　CVN70卡爾－文森

　　4xC-13-1

　　CVN71羅斯福

　　4xC-13-1

　　CVN72林肯

　　4xC-13-2

　　CVN73華盛頓

　　4xC-13-2

　　CVN74斯坦尼斯

　　4xC-13-2

　　CVN75杜魯門

　　4xC-13-2

　　CVN76裏根

　　4xC-13-2

　　蒸汽彈射器工作原理和結構

　　蒸汽彈射器基本工作過程

　　據已公開資料顯示，目前在役蒸汽彈射器總重量接近500噸，每次彈射最大輸出能量可達到95兆焦耳，最短工作周期為45秒，平均每次耗用近700公斤蒸汽。

　　概念上蒸汽彈射器隻是一個大型蒸汽汽缸和一個蒸汽控製係統。將高壓蒸汽能量轉化為動能進行彈射。然而由於飛機結構強度上的限製，彈射器不但要有足夠的輸出功率，而且要把輸出功率準確控製在飛機可以接受的程度以內。

　　彈射的動力來自高壓蒸汽。由艦船的推進鍋爐產生，儲存在彈射蓄壓罐內。蓄壓罐的蒸汽的輸入和調壓是由蒸汽輸入閥門控製。


上圖：彈射器起跑準備狀態

　　彈射的時候，蓄壓罐內的蒸汽由彈射閥門釋放到彈射汽缸內，缸內壓力上升推動活塞前進。彈射閥門的另外一個更重要的作用是精確控製蒸汽進入彈射汽缸的流量變化，以此控製推力和彈射的加速度，以保證飛機結構不會超負荷。


上圖：蒸汽注入，推動活塞/牽引器帶動飛機起跑

　　飛機升空後，蒸汽排放閥打開，讓汽缸內蒸汽排出。同時，活塞和飛機牽引器被水刹器減速後停下，然後由歸位係統拉回起跑點


上圖：排氣開始，歸位係統啟動
　　 　

上圖：歸位係統牽引彈射活塞歸位

　　蒸汽彈射器的主要結構

　　從內部結構上看，一台蒸汽動力彈射器按功能可以分成7個主要係統。

　　1.起飛係統

　　2.蒸汽係統

　　3.歸位係統

　　4.液壓係統

　　5.預力係統

　　6.潤滑係統

　　7.控製係統

　　（注：蒸汽鍋爐和回收蒸汽裝置在結構上屬於船的動力係統，不屬於彈射器的內部結構，因此本文就不在這裏陳述了。）

　　起飛係統的功能是產生動力和驅動飛機，這個係統由7個部分組成。

　　•彈射槽蓋/甲板軌道

　　•動力彈射汽缸

　　•汽缸縫蓋和密封條

　　•飛機牽引器

　　•推進活塞

　　•速度感應器

　　•水刹器 　


上圖：生產測試中彈射槽蓋 　　 　 　

上圖：彈射槽結構


上圖：推進活塞在進行防鏽處理

　　蒸汽係統的功能是儲存蒸汽，而且控製蒸汽在各管道和汽缸內的排入，流動和排放。這個係統主要有6個部分組成

　　•蒸汽蓄壓器/儲氣罐

　　•蒸汽注入閥門

　　•彈射閥門

　　•排放閥門

　　•減壓曲管

　　•蒸汽管道

　　歸位係統的作用，是為彈射活塞和牽引器歸位提供動力和驅動。主要的部分有

　　•液壓發動機

　　•滑輪鋼纜係統

　　•歸位牽引器


上圖：歸位液壓泵（液壓發動機）


上圖：鋼纜絞機

上圖：歸位牽引器

上圖。歸位係統工作示意圖


上圖：歸位液壓驅動器圖

　　蒸汽彈射器的液壓係統的功能主要是提供控製動力。主要的部件有

　　•液壓泵

　　•排放泵

　　•液壓泵

　　•液壓管道和閥門

　　•蓄壓器

　　預力係留係統位於飛行甲板的起跑點。進行起跑之前，將飛機固定在彈射滑動器上，並且對施加預應力，以避免突然加速受力造成結構過載。這個係統的主要部件有

　　•張力瓶和活塞

　　•電控氣壓閥

　　潤滑係統分布在整個彈射器結構上，主要部分有

　　•潤滑油缸

　　•潤滑油泵

　　•電控油閥

　　•流量感應器

　　•潤滑器


上圖：潤滑係統結構圖

　　控製係統是包括所有控製彈射器的運行的部件。主要組成部分為：

　　•主控製台

　　•甲板控製台

　　•飛行控製板

　　•鍋爐狀態顯示板

上圖：艙內控製台

　　彈射器的動力結構

　　開縫汽缸和活塞直接驅動裝置是米切爾式蒸汽彈射器的一個比較獨特的結構。通過一些公開的圖片，我們可以看到它們的基本結構。


上圖：C-13彈射器的彈射氣缸


上圖：彈射器切麵圖

　　彈射氣缸是彈射器最大的一個部件，從圖片裏麵可以清楚看到，整個氣缸是分段製造，最後連接而成的。每段氣缸長約4米，接口處有密封槽，整個汽缸是通過底座固定在彈射器槽的氣缸軌上而連成一體。這種多截連接氣缸結構有利於降低生產，運輸和維修的成本，而且可以更靈活地應付整體上的熱變形。


上圖：美技術人員為法國航母維修彈射器


上圖：彈射氣缸切麵圖

　　汽缸縫蓋和密封條的最重要作用是在氣缸縫外形成密封，另外，密封條和汽缸縫蓋在氣缸縫的外部形成一個完整的鉤型結構，可以夾住汽缸縫以防氣缸內部壓力增大的時汽缸縫擴大。
　　

上圖：密封條和氣缸縫蓋結構圖


上圖，氣缸縫蓋結構圖


上圖：水刹桶體

　　彈射活塞整體上可以分成3部分，第一部分是氣密活塞和活塞環，第二部分是密封條開閉裝置，第三部分是水刹錐。在活塞前進的時候，活塞同時將密封條推入汽缸蓋和氣缸縫的縫隙中完成密封。當活塞到達氣缸末端的時候，水刹錐撞入水刹器後開始減速，最後令活塞停下。


上圖：彈射活塞及密封條開閉的工作示意圖


上圖：彈射活塞前端水刹錐撞入水刹器進行減速


上圖：彈射器活塞體

　　彈射過程的動力控製結構

　　前麵提到，飛機彈射時加速度要控製在可承受的負荷範圍內，這是通過控製蒸汽注入彈射氣缸的流量和流量的變化來實現的。彈射控製閥在這裏起到最關鍵的作用。這個閥門的開關速度和幅度的精確度會直接影響到彈射加速度的可控性。整個彈射過程對加速度的控製，最後是通過改變閥門的開關時間和幅度還完成的。在操作上，彈射閥門的控製需要通過一條既定的閥門調節曲線來進行。


上圖：彈射動力控製閥

　　不同飛機和不同裝備的配搭，都會有不同的彈射重量。要保證足夠的彈射速度和正確的加速度，彈射的時候要根據不同的重量製定相應的閥門調節曲線。測定這些曲線的方法，是用一種被稱為空負荷（Deadload）的滑車模仿飛機的起飛重量，在彈射器上反複彈射測定加速度而獲得彈射閥門的控製數據。






上圖：英國航母在進行彈射測試。

　　隨著飛機的裝備多樣化，飛機和不同裝備的總重量出現更多差異，這就需要進行更多的彈射試驗。可是，如果在航母上進行試驗，滑車落水後要花不少人力進行回收，所以目前這項試驗大部分都在裝配了彈射器的機場上進行。法國戴高樂航母裝備的是美國C-13彈射器,法國要將飛機送到美國的海軍測試基地進行試驗才最後獲得了這些控製數據。

　　蒸汽彈射器的現況

　　蒸汽彈射器這種技術已經在航母上使用了５０年，也使唯一經過實戰證明的技術。然而，美海軍在艦艇設備全麵電氣化的大趨勢下，航母將采用電作為推進的主動力。所有動力設備也將電氣化。所以在80年代末，就開始了對電磁彈射器技術的開發，並在費城東部的試驗基地裝備了電磁彈射器進行試驗。在２００３年向國會提交的報告中說到，電磁彈射器(EMAL)證實有以下的優點：

　　1.電氣結構，技術上容易與其他甲板上作戰係統兼容

　　2.操作和維修人員編製簡化，而且與其它作戰係統人員兼容

　　3.彈射功率提高，有利於裝備大型作戰飛機

　　4.可控性和可靠性高，簡化測試

　　5.結構簡化，操作複雜度減低

　　此外，降落攔截索係統同樣也將電氣化。目前這個項目由通用原子公司(GeneralAtomic)承包。

　　不過，蒸汽彈射器在功能上還是能滿足目前作戰的需要，而且在運作技術上相當成熟。２００３年美海軍在公開的財政預算書裏還提到了一項改良蒸汽彈射器設施的項目，報告裏向國會提出要求撥款提升蒸汽彈射器的試驗設施的方案，並且提到提升設備的目的以應付蒸汽彈射器服役到２０５０年的需要。由此看來，蒸汽彈射器還會在美航母上使用相當長一段時間的。