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微观航母之弹射器发展史

发布时间:2019-07-07 16:13 来源:未知 编辑:admin

  目前蒸汽弹射器的结构与性能都已成熟,单从机械角度看已达到性能的顶峰。弹射器,与斜角甲板、光学助降系统已定性为目前航母的“顶配”。特别是弹射器技术,目前已是美国一枝独秀,是其航母战斗力的核心标志之一。美国海军航母弹射器的技术发展历程,与此前《微观航母》系列文曾介绍的斜角甲板、光学助降系统多有类似,也是“航母技术大国”的英国与“航母技术强国”的美国在互通着有无。弹射器的发展历程除了前卫的电磁弹射器和最熟知的蒸汽弹射器外,向前回溯曾有过作为“主流”或“试错”而发展的液压弹射器、火药弹射器、压缩空气弹射器,也有过飞轮弹射器、燃气弹射器、喷气弹射器这样的“花絮”。

  梳理弹射器的发展历程,依旧是沿袭着“战场需求牵引武器研发”的规律。在舰载机从双翼机、单翼活塞机,向喷气式、超音速演变的这一过程中,战场需求“牵引”推动着用于辅助舰载机起飞的弹射器的研发和进步。但弹射器发展的开端,并不是为航母而生。这是因为,当时舰载机的载机平台还不是航空母舰,而是诸如战列舰、巡洋舰等昔日海上编队的旗舰。当时,舰载机是舰队指挥官的“空中的眼睛”,用来对敌方海上编队搜索侦察、跟踪监视,以及在巨舰重炮“对轰”中进行火力测距和校射。即便是在航母出现的早期,由于其载机数量仍有限,巡洋舰、战列舰搭载的飞机还是舰队空中能力的有益补充,航母上的舰载机则集中力量来完成战斗和攻击任务。

  1911年,英美两国海军的军官们都提出了利用自由落体的平衡物来给飞机加速的弹射器构想。这种构想与冷兵器时代攻城战中所使用的抛石机原理类似,但这种设计只停留在纸面和发明专利中。利用重物下坠的加速度,再通过转轮上绳索缠绕直径的不同来放大力量和速度,这理论上固然可行,但重物要能做到弹射飞机,其重量应是飞机重量的几倍,而且还需要垂直的下坠空间,这在摇摆不定的海上是很难想像的。

  但在美国海军,以华盛顿·钱伯斯上校(Washington Chambers)、西奥多·埃瑞森(Theodore Ellyson)上尉以及格伦·寇蒂斯(Glenn Curtiss)为首的团队并未放弃这一想法。他们将提供动力源的重物砝码变换成压缩空气推动的气缸,利用气体膨胀推动转盘带动绳索,通过压缩空气的压力和喷射量来调节弹射力量的大小。这个设计最后获得了美国海军技术办公室的认可,并开始了实物的研制试验工作。压缩空气弹射器由华盛顿海军造船厂制造完成后,在安纳波利斯的美国海军学院组装完毕。

  1912年7月31日,压缩空气弹射器进行了第一次弹射试验。好消息是作为试飞员的西奥多·埃瑞森成为了弹射器系统弹射推出的第一位飞行员。但坏消息是弹射器瞬间的(而非渐进的)加速度产生了突然的升力,使离开弹射器的“寇蒂斯”双翼机的机头明显上扬,最终失速坠机。幸运的是,埃瑞森成功脱险无大碍。这次失败后,压缩空气弹射器返回华盛顿海军造船厂进行了改装,加装了一个阀门来保证只有在弹射行程到1/3时弹射器才会产生最大推力。

  1912年12月12日,埃瑞森驾驶着“寇蒂斯”从停靠在阿纳卡斯蒂亚河(华盛顿海军造船厂附近)上的煤驳船上成功弹射起飞。1915年,美国海军的“北卡罗来纳”号巡洋舰成为世界上第一艘安装了飞机弹射器的舰艇。1915年11月5日,亨利·马斯廷(Henry Mustin)驾驶“寇蒂斯”AB-2水上飞机成功地从在彭萨科拉湾航行的“北卡罗来纳”号的后甲板上弹射起飞。之后,压缩空气弹射器的发展由于资金和战事的问题出现了停滞。

  一战后,美国海军重启了弹射器的研发,并在1921年将这种压缩空气弹射器定型为A系列,许可了制造生产。由此到20年代,几乎所有的美国海军的战列舰和巡洋舰上都加装了弹射器。最初的MK1型弹射器,弹射行程在20米左右,推力1600千克左右,弹射的末速度超过74千米/小时。随着压缩空气储量和压力的提高,A系列弹射器的终极型号MK4型,推力已达到了2800多千克,弹射末速度达到了98千米/小时。但随着飞机的起飞重量和起飞速度的不断提高,这种储能较低的压缩空气弹射器已遇到技术瓶颈,已不能满足战场需求。

  美国海军的注意力由此转向了能量密度更高的火药弹射器。但火药弹射器在弹射器的发展史上只是“昙花一现”。火药已经过较长时期的军事应用,性能已成熟稳定可控。经过一系列试验和测试,通过调整装药量和增加转盘的质量,有效地“驯服”了爆燃速度太快的火药,不会使火药弹射器突然增加的推力超过飞机结构和飞行员承受的限度。1924年12月14日,安装在“密西西比”号战列舰的火药弹射器成功地将海军飞行员费勒斯上尉(W.M.Fellers)驾驶的马丁MO-1飞机弹射升空。

  但火药弹射器的问题是:火药的膨胀力虽然比较大,弹射末速度提高较快,但火药爆轰持续时间太短,弹射负荷的重量很难增加,P系列火药弹射器中弹射推力最大的MK5型也只有3000千克的推力。另外,由于P系列火药弹射器采用的开式膨胀循环,弹射过程中火药燃烧产生的气体是直接排出的,只能在甲板上使用,并不适于在当时航母的甲板下安装操作使用。也因此,火药弹射器一直未能完全取代压缩空气弹射器。但火药在能量密度上的优势,让美国海军对其念念不忘,在战后发展的弹射器中仍有所应用。

  此间英国海军对弹射器技术的发展也是兴趣盎然,虽然相对美国稍有几年滞后,但在节奏上一样。英国弹射器的结构方案,起初虽有电力、水力和压缩空气的设想,但最终在1917年定型并进行了飞机弹射试验的还是压缩空气弹射器。随后在听闻美国火药弹射器的成功应用后,英国海军也推出了相应的型号。

  在弹射器即将迈入二战时期的“液压弹射”时代之前,美国海军航母还曾有飞轮式弹射器的“花絮”。理论上,利用飞轮惯性储能、摩擦传递的弹射器设计方案具有平稳可控的大牵引力和高弹射末速度的优点。飞轮式弹射器采用一个6吨重的水平顺时针旋转的飞轮,由粗壮的轴承稳固地安装在甲板下层,启动时让飞轮高速旋转,通过控制多个面积不同的摩擦盘来控制力的大小,弹射力通过缠绕在轮轴上的缆绳传递给飞机。

  1932年,飞轮式弹射器在陆上机场通过测试后,安装到了CV-2“列克星敦”号和CV-3“萨拉托加”号航母上,其弹射冲程20米,弹射重量可以达到4540千克,末速度64千米/小时。较于此前的弹射器,飞轮式弹射器在弹射推力上的提升明显,但缺点更明显。甲板下重达6吨的高速旋转的飞轮,对舰艇的稳定性很不利。另外,摩擦盘的磨损、震动等诸多方面的机械性问题,再加上性能提升潜力不大,其最终只是弹射器技术发展史上的昙花一现。

  20世纪30年代是机械技术发展的高速期,各种原理的新设计层出不穷。就液压技术而言,其在海军中的应用已无所不在,从数千吨重巨炮的炮塔转向到电梯升降,高压和超高压液压技术都在成熟中。最终,美国海军在第三代弹射器的发展上选择了由奥的斯电梯公司的工程师福克兰·凯瑞(Falkland Cary)设计的液压式。液压式弹射系统的出现标志着弹射器大型化的开端,也意味着其应用平台已由战列舰巡洋舰等业余载机平台转向了新一代海上旗舰——航空母舰。

  随着航母的舰载机由双翼机升级为单翼机,全金属机体结构、螺旋桨舰载机的起飞重量越来越重,所需要的跑道也越来越长,特别是载弹量更大的俯冲轰炸机和鱼雷攻击机。美国海军航母上也开始考虑安装弹射器。在二战前夕,美国海军中有约60%的舰队航母安装了弹射器。但当时对航母指挥官来说,弹射器的作用还并不明显。“全甲板攻击”战术下的舰载机编队,大多数情况还青睐以传统的队列起飞,以最快的速度投送最大的攻击数量。

  但到了二战末期,航母舰载机中已有40%采用弹射起飞,和战前的不到6%反差明显,这主要是源于舰载机性能的提升、更大更重,也需要更长的跑道。比如,“复仇者”鱼雷轰炸机,当甲板风速为56千米/小时时,满挂载的“复仇者”需要150米的跑道即可起飞,但当甲板风速降为9千米/小时时,“复仇者”就需要200米的跑道才能起飞,这样就会减少甲板的停机量,进而减少一个波次的出动数量,影响战斗力。那么,这个时候弹射器的作用就凸现出来了。弹射器可以让“复仇者”在5.6千米/小时甲板风的情况下满载起飞,打击波次的舰载机数量得到了保证。

  美国海军液压弹射器的基本工作方式,是先通过高压动力源来挤压、驱动液压油,再以高速流动的液压油推动活塞,借由活塞的高速移动带动一系列复杂的滑车、滑轮与缆线机构,然后利用与缆线连接的弹射梭带动、牵引飞机加速。美国海军的首台液压弹射器的工程样机在1935年试制完成,其优点不仅是体积上的紧凑,维护上的较为方便,而且在性能上只需要11.3米的距离就可以将2500千克重的飞机推进到72千米/小时的速度。液压的能量可以由火药或锅炉的蒸汽提供,也可以是自增压的压缩空气瓶,还可以是电动机。美国海军认可了这种潜力巨大的弹射器的表现,并定型开始装备H系列液压弹射器。改进的MK2-1型性能又得到了很大的提高,弹射冲程增加到了24.4米,弹射能力提升到了5000千克和113千米/小时的末速度,成为美国二战初期最好的弹射器。

  专门为超级航母“埃塞克斯”级专门设计的MK4型液压弹射器,其弹射能力通过弹射功率调节器可以在1600千克到7300千克之间调节,弹射冲程增加到31.7米,末速度为145千米/小时。MK4型可以弹射当时航母上从F4F“野猫”到“复仇者”鱼雷轰炸机的所有主力战机。MK4在取消了弹射功率调节器、结构简化后衍生出了MK5型液压弹射器,其不仅用于护航航母,还用于海军的小型机场上。在美国海军太平洋战争的“跳岛战术”中,在硫磺岛、冲绳和诺曼底等登陆战的滩头阵地的临时机场、野战机场上,都有MK5型液压弹射器的身影。

  二战结束以后,喷气式飞机的潮流袭来,飞机起飞速度越来越高,起飞重量也越来越大。1945年底,美国海军新一代H系列MK8型液压弹射器由此诞生了。该型弹射器堪称液压弹射器技术的巅峰,能够达到6820千克的弹射重量和193千米/小时的末速度,安装在经现代化改装的“埃塞克斯”级航母上,勉强满足了第一代舰载喷气机的弹射需求。MK8型液压弹射器弹射冲程已经达到53.1米,随着舰载机技术的进步,舰载机的起飞重量已迈入10吨、20吨的级别,液压弹射器的性能潜力已基本被挖尽。

  在战后美国海军设计的超级航母“美国”号上,计划搭载的是H系列最后一款MK9型液压弹射器。其定下的性能指标是,45吨弹射重量、144千米/小时的末速度或者20吨弹射重量、194千米/小时末速度(这是喷气式舰载机的最低起飞速度)。MK9型的弹射冲程达到了70米,加上附属延伸距离一共90米。虽然MK9研制出样机并安装到“中途岛”号航母上进行了试验,但故障率居高不下,弹射速度也不足。

  对液压式弹射器而言,为提高弹射能力,就必须采用更高的液压工作压力,以便提高活塞的推进速度,还要增加滑轮组的缆线缠绕比等措施,借以提高活塞驱动滑轮-缆线机构的牵引能力。但这样一来,相关的活塞、滑车、滑轮、缆线等部件所要承受的载荷、以及尺寸和重量都会随之攀升,势必造成整套弹射器越来越庞大笨重。这对于上世纪50年代的制造工艺与材料技术,也将是一大挑战。另外,液压弹射器使用的液压油,在高速流动推进时容易出现沸燃现象,在安全性与可靠性上都存在问题。液压油推动的活塞速度在提高到一个上限后,效率上也开始迅速下降。因此,继续提高液压作业压力所能带来的效益已很有限。对于美英海军而言,急需发展采用全新工作机制的新型弹射器。

  战后美国海军对新一代弹射器的开发,除了继续液压弹射器的改良型外,还有电力驱动的弹射器设计以及继续采用火药作为动力的开槽汽缸式设计。最后一个选项才是蒸汽为动力的开槽气缸式弹射器(也就是蒸汽弹射器)。

  美国海军重点发展的开槽汽缸式弹射器,其技术源于二战时期的德国。二战后期,德国V-1巡航导弹的发射就采用开槽汽缸式弹射器的弹射,以过氧化氢-过锰酸钠混合液体的化学反应产生的高压气体作为动力来推动活塞,然后活塞再带动V-1巡航导弹加速升空。二战结束后,美军将缴获的V-1巡航导弹系统带回了本土并展开相关研究和测试。

  美国发展的以火药作为动力的开槽汽缸弹射器,其圆管状汽缸的上表面有长度接近整个汽缸全长的沟槽,通过火药爆炸产生的气体压力,便可驱动活塞沿着汽缸高速移动。活塞顶部则被制成钩状外形,伸出到汽缸沟槽,并通过牵引钢索与飞行甲板上的飞机连接,利用高压气体压力推动活塞沿着汽缸高速移动,便能牵引飞机加速。这样汽缸中的活塞从高压气体获得的弹射力就直接传递给了舰载机,不再需要液压弹射器中复杂的滑轮-缆线机构,简化了结构,降低了重量。

  在推动汽缸活塞的动力来源上,相较于德国的通过化学反应产生的高压气体、英国的使用舰艇主机锅炉产生的蒸汽,美国海军之所以延续了此前采用的火药,是认为火药占用的重量与空间都更小,通过引爆火药直接产生高压气体,比危险的混合液体化学反应或锅炉蒸汽动力方式更为简单直接、性能稳定可靠。

  美国海军从1945年便开始发展利用火药作为动力的开槽汽缸式弹射器,但直到1951年才推出了第一套原型弹射器系统C1型。通过多次实际测试,C1展现出了可将13.6吨重物加速到111千米/小时的性能。尽管试验中还存在许多问题,但美国海军认为用火药作为动力的开槽气缸式弹射器的设计可行,存在的问题可以通过技术改进解决。美国海军计划发展两型这样的弹射器,用于下一代航母“福莱斯特”级和“埃塞克斯”级的SCB-27C现代化升级改造中。一种是大功率具备31.8吨(7万磅)级弹射能力的、用于弹射大型轰炸机的C7型,另一种是低功率18.1吨(4万磅)级弹射能力的、用于弹射战斗机的C10型。在“福莱斯特”级上预计安装C7与C10各两部,在“埃塞克斯”级改装中预计安装2部C10。

  虽然美国海军对这种以火药为动力的开槽汽缸式弹射器的发展抱以极大的热情和乐观,但在技术发展中却遭遇诸多迟迟无法解决的问题,未能有突破性进展。以火药为动力的开槽汽缸式弹射器主要面临两方面的问题:如何安全地利用火药产生推动活塞的高压气体;在活塞运动时如何保持汽缸的密封,以免气体外泄导致压力下降。使用火药作为弹射器的动力来源,就要面对大量弹射用火药的储存问题,必须设置专用的火药库与相关处理设施。出海部署中大强度高频的弹射作业,就需要航母携带足够量的弹射用火药,这势必会占用宝贵的舰体内部空间,并带来额外的危险。在火药的使用、高压气体的产生过程中,火药的药室势必会产生高温,药室过热就会限制弹射器的作业频率,而弹射器又是航母上必须要频繁使用的一项装备。

  对于汽缸的密封问题,在“原型”德国V-1巡航导弹的弹射器上,由于弹射要求并不高,采用简单的汽缸开槽密封机构即可满足要求。但美国海军发展的以火药为动力的开槽汽缸式弹射器,却要将重达二三十吨的轰炸机弹射出去,开槽汽缸密封机构的设计就成为弹射器设计上的重点也是难点。当火药引爆产生高压气体推动活塞时,需要恰当地“开启”与“密闭”汽缸开槽,以便使伸出开槽外的活塞顶部挂钩,既能沿着汽缸开槽运动借以带动弹射滑块,又能不破坏汽缸的密封。由于开槽贯穿整个汽缸,要保持汽缸的密封是非常困难的。最终美国海军的工程师始终无法解决上述问题。

  不过,同时期英国开发的蒸汽弹射器已经显露出更高的实用性与发展潜力。蒸汽弹射器也是开槽气缸式弹射器,只不过是选择了锅炉产生的高压蒸汽作为推送活塞的动力。把主机锅炉产生的一部分蒸汽分给弹射器使用,将造成主机可用的推进功率减少,导致航母的航速下降。但相较于蒸汽弹射器所带来的效益,这样的代价仍是完全可接受的。英国在开槽气缸式弹射器的发展上,不仅是正确地选择了以航母本身主机锅炉产生的高压蒸汽作为弹射器的动力,更为关键的是科林·米切尔(Colin Mitchell)创新地解决了开槽汽缸的密封问题,置于汽缸开槽上的金属制密封条搭配汽缸盖板一举解决了活塞通过性与汽缸密封性的问题。

  米切尔的设计稍后演变为代号BSX的蒸汽弹射器原型。1950年英国海军在“巨人”级轻型航母“英仙座”号上改装了一部全长61.9米(203英尺)的BSX-1蒸汽弹射器,随后开始蒸汽弹射的初步测试,从静负载的弹射滑车的弹射试验开始,到无人驾驶飞机的弹射,再到1951年年中开始的弹射有人驾驶飞机。鉴于“英仙座”号的试验成果,美国海军在1952年1月邀请作为蒸汽弹射器技术展示舰的“英仙座”号访美,在费城海军船厂和诺福克进行了性能展示。“英仙座”号在美国进行了大约140次的弹射测试,美国海军的F2H、F3D、F9F-2等机型成功进行了蒸汽弹射测试。

  “英仙座”号结束了在美国的性能展示活动后,同年4月美国便决定向英国采购5部BSX蒸汽弹射器,以及引进后在本土自行制造。BSX蒸汽弹射器的美国版编号为C11。由此,蒸汽弹射器开始在美国海军中生根发芽,又发展出了C11 Mod.1、C7、C13 Mod.1、C13 Mod.2,以及蒸汽弹射器最高技术成就的代表C13 Mod.3型。

  蒸汽弹射器虽然弹射能力强,但也有明显缺点,不仅极为笨重,维护人数多,而且弹射作业需要消耗大量蒸汽、难以持续高强度作业。鉴于此,美国海军在50年代还曾试图以体积更小、重量更轻、功率更大的内燃弹射器来取代蒸汽弹射技术。内燃弹射器与火药弹射器本质上多有神似,弹射器的动力也来自于化学能,是将JP-5航空燃油、压缩空气与水的组合作为推进剂,将三者持续喷射到燃烧室中,燃烧的航空燃油与燃烧室中的水产生高温高压气体,通过喷口喷射到气缸中,推动活塞和弹射滑块带动舰载机运动。

  由于液体燃料的能量释放密度比蒸汽储能密度高出数百倍,所以内燃弹射器的功率更为强大,对淡水的消耗更少。内燃弹射器通过对燃料和氧化剂的调节,即可调节气体的流量、压力,对弹射能力的调节范围更大。由于内燃弹射器不再像蒸汽弹射器那样需要蓄压罐、功率选择阀门、变速率蒸汽注入阀以及蒸汽管线等,明显减少了系统的体积和重量。但内燃弹射器弹射作业需要解决系统的散热问题,如果冷却系统不能短时间内将燃烧室的温度降下来,系统就会因过热而延长弹射作业间隔。最终,原计划在“企业”号以及后来的核动力超级航母上装备的C14型内燃弹射器,因为受限于当时技术水平造成的低可靠性,以及C13系列蒸汽弹射器性能的日趋成熟稳定,而未能装备,美国海军也在60年代彻底取消了内燃弹射器的研制发展计划。

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