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美国“福特”号上的电磁弹射器世界第一?发展过程你可能并不知道

原标题:美国“福特”号上的电磁弹射器世界第一?发展过程你可能并不知道

航母是当前最具威慑力的战略装备之一,其重要性不言而喻。自诞生以来,航母最为倚重的武器就是它所搭载的舰载机。舰载机的性能和起降效率直接决定了航母的战斗力,因此如何提高舰载机的飞行频次,是航母最需要解决的问题之一。从过去发展到现在,航母舰载机的起飞方式主要有三种:一个是滑跃起飞,一个是弹射起飞,一个是短距/垂直起飞。其中弹射起飞方式主要依赖各种各样的弹射器,目前主要有蒸汽弹射器和电磁弹射器。今天就为大家介绍一下航母弹射器的过去、现在与未来。

一、压缩空气弹射器

在航母刚诞生的时候,搭载的都是轻型的活塞螺旋桨战斗机,它们基本都是在飞行甲板上滑行起飞。这种方式虽然很原始,但是如果不考虑舰载机的降落的话,起飞效率还是很高的。然而随着新型舰载战斗机的出现,起飞重量和载弹量均有所增加,因此需要借助一定的外部推力,促使舰载机以更快的速度起飞,同时不需要大幅增加飞行甲板的长度。弹射器就是在这一需求下诞生的。

在1910年代初期,英美海军的技术专家开始设想研制一种可以给舰载机加速的弹射器。其中埃瑞森根据投掷器的原理,提出可以制造一种类似的机械装置,通过重力和自由落体的加速度,带动转轮上的绳索,为舰载机的起飞提供动力。虽然这个设想并没有付诸实施,但已经开始了弹射器的雏形发展阶段。后来他又根据矿山上使用的压缩空气机,设想由类似的压缩空气推动气缸提供动力源,利用气体膨胀直接带动转盘和绳索,通过气缸产生的压力来调节弹射力。这次他的想法获得了支持。

1912年的7月,埃瑞森负责研制的压缩空气弹射器进行了第一次弹射试验,他本人也成为第一位被弹射器弹射出去的飞行员。然而首次测试并未成功,弹射器产生的加速度并不能有效控制大小,导致飞机弹射出去时机头上扬,最终失衡坠落。幸运的是埃瑞森本人并无大碍,又对该弹射器进行了持续改进,加装了一个阀门来控制弹射器产生的推力。同年12月,压缩空气弹射器再次进行测试,成功弹射了一架飞机。然而后来由于各种原因的影响,压缩空气弹射器的研制被迫中断。

1919年的7月,美国又重启了压缩空气弹射器的制造,但载体并不是航母而是战列舰。到了1922年,“马里兰”号战列舰上的弹射器进行了第一次实操,弹射了首架飞机。这种弹射器被称为A系列弹射助推器,弹射距离只有20米,推力也仅有1.59吨。经过多次测试后,证明该弹射器完全可行。于是美国海军将种弹射器安装到了多艘战列舰上,并进行了后续研究和改进。压缩空气弹射器的终极型号是A MK4型,推力已增加至2.8吨多,然而仍无法满足航母需要,美国海军将注意力集中到了火药弹射器。

二、火药弹射器

压缩空气弹射器的主要缺点是动能太低,而火药则具有较高的能量密度,因此用火药弹射器取代压缩空气弹射器成为航母技术人员的新课题。采用火药作为动力源的一大难题是如何控制弹射力,为此专家提出了几个办法,包括增加转盘的质量、设计合理的装药量等。经过一系列的测试,美国研制出了P系列的火药弹射器,分为炮座同转式和固定式两种。

火药弹射器的发展也经历了几个阶段,MK1型是试验型,主要用于验证火药弹射器的可行性。MK3型是改进型,采用炮座同转式结构,推力为2.9吨。1924年12月,MK3型的火药弹射器在“密西西比”号战列舰上进行了测试,成功弹射了一架飞机。次年还安装到了其他战列舰上。MK4型是MK3型的衍生版本,采用的是固定式结构。MK5型是去掉压缩空气装置改进来的,也是该系列弹射器中推力最大的,达到了3吨。火药弹射器发展到了MK8型,是专门为航母设计的,但是并没有实际应用。

火药弹射器也有很多缺点,最主要的是持续时间很短,能够弹射起飞的重量有限,最大推力只有3吨。此外,火药弹射器不能在封闭式空间内使用,只能安装在甲板上,因此最终仍没有被航母所采用。与此同时,航母技术大国英国也进行了相关的弹射器研制工作,先后推出了压缩空气弹射器和火药弹射器,但是总体进度比同时期的美国要慢一些。

三、飞轮弹射器

在研制和改进火药弹射器的同时,有人提出了另一种弹射器的设想,这就是诺尔顿设计的飞轮弹射器。这种弹射器的工作原理是利用惯性飞轮储能,通过摩擦传递动力,从而产生较大的牵引力和弹射速度,助力飞机的起飞。飞轮弹射器采用一个6吨重的飞轮,可以进行水平顺时针旋转,由轴承固定,安装在甲板下层。弹射器启动后,飞轮会进行高速旋转,产生很强的弹射力,通过轮轴上的缆绳传递给飞机。

飞轮弹射器的第一个型号MK1型只在陆地上进行过测试,首个实际应用型号是MK2型,安装到了航母上。在测试中,MK2型的飞轮弹射器冲程达到了20米,推力约4.5吨,末端速度34.5节。飞轮弹射器也有很多固有缺点,首先是该弹射器拥有6吨重的飞轮,需要很大的支撑力;其次由于采用摩擦方式传递动力,因此设备磨损的很厉害;最后还存在不稳定震动等现象,因此飞轮弹射器仅是昙花一现,没多久就被放弃了。

四、液压弹射器

到了1930年代,航母和舰载机发生了很大变化,对弹射器的需求也变得越来越迫切。随着机械技术和液压技术的不断突破,以此为基础,美国开始了大型航母弹射器的研制,推出了液压弹射器。液压弹射器的原理是先通过动力源挤压、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,带动和牵引飞机加速。

1934年,XH1型液压弹射器诞生,它可以把一架重约2.5吨的飞机加速到39节。次年又制造出了XH2型液压弹射器,理论上可以将重约3.5吨的飞机加速至61节。H3型是首个专门用于水上飞机的液压弹射器,后来还推出了H4型和H5型。H4型安装到了“埃塞克斯”级航母上,发挥出了巨大作用。H4型液压弹射器的弹射力在1.6吨到7.3吨之间,冲程31.7米,末速度78.3节。液压弹射器的最优版本是H8型,它的最大弹射重量约7吨,冲程达53.1米,可以弹射第一代喷气式舰载机。

随着新型舰载战斗机的出现,液压弹射器的潜力也被挖掘殆尽。为了增强弹射能力,液压弹射器只能不断的提高液压工作时的压力,还要增加滑轮组的缆线缠绕比,但是这也会加大零部件所要承受的载荷,使整个弹射器越来越庞大。此外液压油在高速流动推进时,安全性与可靠性也存在一定问题。在这种情况下,液压弹射器的发展之路也走到了尽头。

五、蒸汽弹射器

在改进液压弹射器的同时,美国还研制了一种开槽气缸式弹射器,继续采用火药作为动力源。1951年,美军推出了第一种开槽气缸式弹射器C-1型,可以将13.6吨重的飞机加速至60节。与此同时,英国开始了蒸汽弹射器的研制,并于1950年在“英仙座”号航母上安装了一部BSX-1蒸汽弹射器。经过多次试验后,英国的蒸汽弹射器技术越来越成熟,美国也将正在研制的C-7型从火药弹射改成了蒸汽弹射。后来美国又从英国引进了BSX型蒸汽弹射器,在此基础上推出了C-11型蒸汽弹射器。

改进之后的C-7型蒸汽弹射器安装到了“福莱斯特”号航母上,可以将31.8吨重的舰载机加速至116节,弹射冲程高达90.8米。在英国BSX型蒸汽弹射器基础上推出的C-11型蒸汽弹射器,于1954年首次安装到了“汉科克”号航母上,可以推动31.4吨重的飞机达到107.5节的速度。之后美国又推出了C-11-2型弹射器,到1961年研制出了C-13型蒸汽弹射器。

C-13型弹射器是全球最先进的蒸汽弹射器,主要有两个版本,一个是标准版的C-13型,一个是加长版的C-13-1型。美国海军现役的“尼米兹”级核动力航母,采用的就是4具C-13-1型弹射器。标准版的C-13弹射器长约80米,能把35.4吨的舰载机推送到139节的速度。C-13-1型弹射器的长度增加到近100米,可以将34吨重的飞机弹射至185节的起飞速度。法国“戴高乐”号航母使用的也是C-13型弹射器。

尽管蒸汽弹射器已经非常先进,但仍存在缺点。首先蒸汽弹射器十分笨重,C-13型弹射器整个系统重达几百吨,体积1000多立方米。其次它需要很多的操作和维护人员,启用时需要几十人同时工作,相关的维护人员多达数百人。最后蒸汽弹射器需要消耗大量的蒸汽能量,难以持续进行高强度的工作。因此新一代航母开始寻求重量更轻、体积更小、效率更高的弹射器。

六、电磁弹射器

在蒸汽弹射器之后,美国首先开始了电磁弹射器的研制。1980年代后期,美国设计出了电磁弹射器的小比例模型,论证了该项技术的可行性,之后便开始了电磁弹射器的研究工作。2004年美国海军选中了通用原子公司发布了的电磁弹射器方案,之后确定将首先应用在下一代核动力航母“福特”级上。该级航母的第一艘“福特”号于2017年7月服役,它安装了4具电磁弹射器,成为全球第一个使用电磁弹射技术的航母。

电磁弹射器的工作原理是利用直线感应电机的直线运动,带动舰载机加速到起飞速度。具体来说,直线感应电机的初级部分通电后产生交变磁场,电机的次级产生感应电流,处于交变磁场的次级部分就会受到力的作用向前运动。电磁弹射器主要由弹射直线电机、储能系统、电力电子变换系统、控制与状态监测系统等组成。相比蒸汽弹射器,电磁弹射器的重量减轻约一半,体积减少约40%,弹射功率提高46%,操作维护人员也更少。

虽然具有很多优点,但是电磁弹射器毕竟是全新技术,它的研制不仅投入巨大,而且工期漫长。尽管“福特”号航母上的电磁弹射器已经进行了测试,成功弹射了F/A-18“超级大黄蜂”舰载战斗机,但已经出现了故障。因此作为未来航母上的新装备,电磁弹射器的发展和完善仍需要时日。除了美国,还有其他一些国家也在进行电磁弹射器的研究工作。返回搜狐,查看更多

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英美海军 埃瑞森 压缩空气机 马里兰 mk1型
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