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航空母舰弹射器

发布时间:2019-07-01 01:53 来源:未知 编辑:admin

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  重型飞机要想从航空母舰上起飞,必须有蒸汽弹射器。在飞机起飞前,由位持器钢圈把尾部扣在一个坚固点上,飞机前轮附近的牵引杆垂落到一个“滑梭”内,滑梭以挂钩钩住飞机。

  航母弹射器 [英] the catapult for aircraft carrier

  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。

  (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。

  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。

  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泄漏蒸汽,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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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,操作简便。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。

  时它向后喷射出高温高速燃气流,对它后面的飞机和人员危害甚大。这时弹射器后方张起的挡板可使燃气流向上偏转,不会喷向后面的甲板了,这些挡板就叫做“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。为了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。

  弹射器发展中曾五花八门,经历各种尝试,虽有好多并未能用于实战,但并不代表其不成功,只是在具体可操作性上及部分性能对材料要求上存在一定的矛盾。故而并未进行实用,弹射器在类型上、功能上非常多,现介绍几个典型例子。

  玩过弹弓的人都知道把石子弹出去的道理,而飞机在起飞的过程中也确实是加速度做功的过程,由于做功时间短,负荷冲击性相当大,这对一般机械来说是个无法克服的问题。而弹簧复力弹射器则是利用直线电机或储能机构把弹簧拉伸到储能位置,利用制动机构保持能量不释放,而工作时则利用控制系统断开制动机构,弹簧在复力下拉动动飞机加速,飞机在自身发动机及弹射器的合力下加速,初始工作冲程一般只有60米。不过遗憾的是这种弹射器不能直接把飞机弹射起飞,飞机必须在发动机的推力下滑行一段才能起飞。而且这种弹射器在实际研究中是把弹簧放置在开口的滑道里(内口带润滑油),目的是不让弹射器工作时不对周围产生影响,而且这种大功率弹簧对材料要求严格,试想一下这么大功率的弹簧在航母服役期间不更换,对材质要求是多么刻苛,即使是滑道,其精度也要求非常高。这种弹射器弹射飞机次数不高,因为它是靠储能机构完成储能的。更要命的是这种弹射器初始时拉力非常大,飞行员会发生短时的晕厥现象。对飞机的机构强度也要求相当高。而工作末端拉力又非常小,关键时候不能助推起飞。但这种弹射器效率高,停止无需采取缓冲手段。

  不过,据个人分析,这种弹射器用在老瓦上用于起飞预警机应该还是可行的,虽不能达到起飞,但经过滑跃板时起飞绝不成问题。

  这种弹射器是利用坡度使飞机起飞,通过升降机等手段将飞机运至坡顶,工作时飞机将在重力及发动机推力的合力下加速,并实现起飞。这种弹射器实际上是势能释放做功过程。在飞机下滑的过程中,其路线是平滑的,曲线的,是根据运动时轨迹及受力而确定的。这种弹射器的优

  点是技术成份低,而且在飞机起飞过程中飞行员不会承受过份迫力,血液不会过于集中从而导致暂时晕厥现象。缺点是需要建一个很大的坡面,运行时航母风阻力增大,隐形效果不好,更重要的是起飞频率低,影响其它设备使用,还需要配套大功率的升降机等。

  不过这种弹射器也可用在陆基上,大家认为陆基上用弹射器完全是浪费,但其实由于弹射器可以减少飞机油耗,缩短起飞时间,紧急情况下意义上非常大。而且可以实验弹射器的性能。在陆基上,这种弹射器需要有山坡的地方才具备条件,不过有意思的是这种方式起飞也可用于飞机降落,当飞机降落时,关闭发动机,飞机在惯性下继续滑行,经过一段距离进行爬坡,在爬上坡顶时飞机的速度自然降到相当小的速度,节省了能源,又同时利用坡度使飞机减速。在海上一般比较适用于无动力的海上浮动机场,当然做的比较大一些而已,同样,也可利用坡底进行飞机着降。

  燃气弹射器在结构上与蒸汽弹射器有些相似,只不过是蒸汽的两端进气口变成了燃烧室,其中还原剂及氧化剂是通过高压注入的,不过是受控的,并且是持续注入的。当工作时,还原剂及氧化剂向燃烧室高压注入,点火装置使还原剂及氧化剂在燃烧室内反应并产生大量的热,气体推动活塞做功,由于还原剂及氧化剂持续注入,活塞将在气体不断推力下高速运行,从而使飞机起飞。当飞机起飞后还原剂及氧化剂停止注入,并打开燃烧室通气口,同时返回端的燃烧室通气口关闭,活塞会立即停止。返回与上述过程相同,只不过燃烧室及高压注入设备比工作的小而已。这种弹射器是靠控制注入还原剂及氧化剂来控制的,优点是不需要淡水,工作及返回时间短。但缺点特别多,首先是燃烧室的耐高温及防氧化等条件高,筒壁强度及耐高温要求高。注入还原剂及氧化剂的控制要求精准、数据反应快,有一定的危险性,消耗价格昂贵的液体还原剂及氧化剂,故障率高,排除大量气体污染及红外辐射等许多不利因素。因此这种弹射器实际上只是理论上进行讨论分析过,并未有大型实践的记载。

  这种弹射器是目前在役航母使用的弹射器。1950年8月,英国在“英仙座”航母甲板中线蒸汽弹射器,试验获得初步成功。美国海军购买了专利并最终将其发展成熟。蒸汽弹射器是以高压蒸汽推动活塞带动弹射轨道上的滑块把联结其上的舰载机投射出去的。美国的c-13-1型蒸汽弹射器长76.3米,每分钟可以弹射2架舰载机。如果把一辆重2吨的吉普车从舰首弹射,可以将其抛到2.4公里以外的海面,可见其功率之大。但蒸汽弹射器工作时要消耗大量蒸汽,如果以最小间隔进行弹射,就需要消耗航母锅炉20%的蒸汽。现在,美国正在研制新型的电磁弹射方式,但近期内难以投入实用。

  (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。目前,美军已正式在最新下水的(2013年10月11日)福特号航母装备了电磁弹射器。

  线圈弹射器及电磁轨道弹射器。这两种其实也就是交流直线电机和直流直线电机。这里主要简单说一下电磁线圈弹射器。

  电磁线圈弹射器工作原理实际上就是交流直线电机的工作过程,直线电机与旋转电机不同,我们日常看到的许多电机都是旋转电机,只有车床上才能偶尔看到圆筒式直线电机,而且功率都不是很大。电磁线圈弹射器的直线电机功率却很大,其线圈为u型,中间为动子,在三相旋转磁场拖动下做直线运动,改变相序会改变运动方向。电磁线圈弹射器与普通大型平板型直线电机不同,它不仅有复杂的强制冷却系统,而且在每一段的功能都不相同。

  其实为箭助推弹射器严格的说应该是助推器,而不是弹射器,不过都是使飞机起飞所以仍称之为弹射器,其实叫什么并不重要,重要的是其实用性。火箭助推可以使飞机起飞,在飞机起飞后助推弹射器自动分离,而且每分钟起飞架次可以相当多,结构简单,根本不需要象蒸汽弹射器那样的许多配套设施。但相比之下却存在许多不足,首先是尾流喷射挡板需改进,因为为箭助推器的尾流比飞机发动机的尾流还要强,所以对甲板后面及周围的人或设备会产生更大的威胁。在助推中会产生大量的污染物,而且成本高,用一次性的助推弹射器会让经济不强的国家畏而却步,多次重复使用的必须配快速打捞艇、验伤设备、其本身也

  它与通平直的甲板不同,它的起飞甲板是斜的,其余部分的甲板仍是平直的,也就是说其沿起飞方向有一个仰角,但是平直的。弹射起点在甲板下方的机库里。这种弹射器做功更大,而且其起飞甲板由于是斜角的,所以在平时不能存放其它东西,而且风阻力大,不过这种弹射器距离可以更短一些,因为其向上有一定的仰角,可以增大飞机升力。

  (3)舰载机起飞时,不必为减轻起飞重量,而减少载弹量、载油量、使舰载机发挥不出正常作战性能

  弹射器的制造装备企业,华中数控申请的12五重大科技专项就是军民两用技术,包括航母弹射器的制造。

  俄罗斯的最新航母方案中,即使采用了超前的双舰岛,但双滑跃甲板却凸显了该方案的“色厉内荏”。在大型航母上装备滑跃甲板本身就是饮鸩止渴,中国不会走苏联的老路。 俄罗斯卫星网报道2016年3月11日,针对中国军事专家尹卓近日透露的诸多中国在建航母细节,俄罗斯军事专家卡申撰文称,尽...

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