| 词条 | 弹射器 |
| 释义 | 航空母舰上推动舰载机增大起飞速度、缩短滑跑距离的装置，全称舰载机起飞弹射器，简称弹射器。 历史 最早由英国人发明，在二战之前，大部分的固定翼机弹射器是液压弹射器。1950年后引入蒸汽弹射器。21世纪，直线电机（Linear motor）和电磁式弹射器开始被引入。 简介航空母舰上推动舰载机增大起飞速度、缩短滑跑距离的装置，全称舰载机起飞弹射器，简称弹射器。 来历：因为蒸汽弹射器结构很复杂，而且目前只有美国一家垄断，所以技术非常保密。它相对与俄罗斯的滑跳式飞行甲板的优势在于俄罗斯的滑跳式飞行甲板要起降飞机必须逆风，在起降舰载重型战斗机，如苏－33时滑跑距离要比弹射器长许多，而且天气情况稍差一点就不能正常起飞，而弹射器就没有这些方面的顾虑。但蒸汽弹射器结构复杂，重量大，滑跳式飞行甲板相对于蒸汽弹射器的优势就是结构简单和减轻了重量，技术难度也低。正因为现有的蒸汽弹射器结构复杂，重量大，最近美国才新研制电磁弹射器来取代它成为新一代航母的弹射器。 美国航母在二战中还没有使用蒸汽弹射器，蒸汽弹射器的出现是因为当时航母的甲板长度不足以起降重量大大增加的舰载喷气式战斗机，必须借助瞬间的大速度才能正常起飞，所以弹射器才应运而生。 构造主要构件包括三部分： （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。 （3）弹射器控制系统和导流板。 功能弹射器一般由动力系统、往复车、导向滑轨等构成。弹射起飞时，驾驶员操纵飞机松开刹车，加大功率，并在弹射器动力系统的强力作用下，使往复车拉着挂在飞机上的拖索，沿导向滑轨做加速运动，经过50～95米的滑跑距离，达到升空速度起飞。当飞机升离甲板时，拖索与往复车和飞机脱钩，落在飞行甲板前端的回收角网兜内。然后由复位系统将往复车拖归原位，准备再次弹射。现代弹射器中已经取消拖索，往复车通过牵引杆，与舰载机前起落架直接相连。 结构与工作原理最早的助飞弹射器最早的助飞弹射器在飞机被发明的时候就已经出现， 和莱特兄弟同期的兰利， 首先利用弹簧和滑道进行助飞， 而莱特兄弟也在同样概念下， 造出了落重弹射器。借助这种弹射器。莱特飞行器成功进行了动力飞行。 早期的舰上弹射器在飞机发明后的不久就出现了水上飞机， 各国海军在使用水上飞机时候， 为了让舰只在不用停下来的情况下， 舰艇能让飞机在短时间内升空。各国开始开发助飞装置， 这种装置最早是装备在大型水面舰只上的水上飞机弹射器 . 结构上有落重式，飞轮式，火箭助推式， 液压式和气压式多种。 早期战列舰， 重巡洋舰上大部分是飞轮式的弹射器。这种弹射器由飞轮储存机械能量， 通过离合器拉动钢缆进行弹射。火箭助推弹射器多用于小型的舰船，二战中， 英国为了对付德国潜艇，使商船队拥有一定空中力量， 曾为商船装备了能让飓风式战机起飞的弹射器， 这种简单的弹射器是火箭助推式的。这类弹射器 性能上来讲， 弹射周期都相当的长。 早期的航母弹射器航母最早使用弹射器的是1922年从运煤船改装而成的“兰利”号 虽然最高航速只有15海里， 这艘航母却是美国海军航空兵非常成功的试验平台， 航母技术里最关键设备如弹射器， 拦机网和升降机技术都在“兰利”上得到了试验。从这艘航母得到的经验和数据，对后来航母设计和运作有极大的影响。30年代， 大部分飞机还能凭本身的动力全负荷在航母甲板上起飞， 装备弹射器的本来是为了让航母在更短时间内让更多飞机升空。英国当时的“凯旋”和“勇气”号航母就装备了压缩空气气压弹射器。这个时期的气压液压弹射器多采用活塞顶杆结构， 有滑轮钢缆系统，最大功率达到5兆焦耳。 这个时期下水的美国航母“萨拉托加”和“列克星顿”号上， 使用了当时技术上较可靠的飞轮式弹射器。当时的弹射器， 已经可以用比较短的弹射周期进行弹射。可是， 弹射器的使用在运作上却增加了升空甲板人员运作的复杂性， 令本来已经复杂的升空运作变得更难执行， 反而导致升空延误。这个难题曾困扰航母多年， 并导致弹射器被列为受淘汰设备。 二次大战爆发后， 由于护航的需要， 开发了护航航母， 由于这类航母的甲板距离短， 飞机必需依靠弹射才能起飞， 弹射器成为必不可少的设备。最初装备在护航航母上的是飞轮弹射器。后来开发的大功率的液压弹射器在1943年正式投入使用， “企业”号首批改装使用这种型号为H2-1的液压弹射器的航母之一。在这之后护航航母大部分装备了这种液压弹射器。性能上H2-1弹射器可以将11000磅的负荷在73英尺内加速到70英里/小时的速度。基本满足当时的作战需要。 蒸汽弹射器的开发经过二次大战的实战考验， 航母的运作技术发展的更加成熟。二战到了末期， 喷气机开始出现， 喷气机起飞距离的增大和飞机重量的增加， 导致对弹射器的功率要求更大， 可是， 液压弹射器已经达到技术极限， 当时已经证明这种技术的最大输出功率只能达到20兆焦耳。推进活塞速度达到90英里/小时之后的工作效率急剧下降。而且， 弹射器的液压油在高速流动推进时有沸燃现象，在安全性和工作可靠性上存在极大问题， 而且顶杆钢缆系统重量很大。当时弹射器的问题成为延误航母使用喷气机的主要原因， 此时，英美意识到高能弹射器技术的重要性，就着手开发新技术 在技术方面， 为提高弹射器的效率， 30年代已有人提出了“直接驱动”（Direct Drive）的结构概念， 着重于降低驱动装置的动态总重。从而改善弹射器的加速效率。开缝式汽缸设计就是在这种概念下产生的。作为动态结构的活塞和牵引器用最短的距离直接连接， 以减低推进活塞和牵引器这两个动态结构的重量。 机械上， 这种结构的难度是既要让驱动活塞/前引器结构在汽缸缝里自由移动， 又要保持必要的工作压力。最大的技术问题是如何防止泄漏导致压力下降。不少设计者曾为此提出过多种不同的解决办法，最早的方案是在汽缸缝上设置弹性结构， 既能让活塞结构通过， 又可以在活塞通过后不让外漏。这种设计在40年代末曾用在XH-8液压弹射器上， 性能上， XH-8弹射器可以将15000磅的负荷加速达到120英里/小时的速度。可是， 试验中也发现， 弹性密封装置在高压状态下密封效果很不理想。 经过一系列的研究和试验后， 发现最简单的方案， 是在汽缸内放置密封条， 然后通过前进的活塞， 将汽缸里的金属密封条直接顶入汽缸缝， 并利用缸内的压力将密封条压紧， 从而压力的不泄漏。 在开缝气缸开发的同时，英国的后备役人员科林。米切尔向海军建议尝试使用舰上主锅炉产生的蒸汽直接驱动弹射器的可能性。英国海军就此开展了初步试验， 试验中证实了蒸汽弹射器的功率远高于液压弹射器， 而且发现弹射造成的蒸汽消耗对整体推进功率影响不大。而且可靠性和安全性更高较液压弹射器更高。 1950年， 英国海军开始在 “英仙座”航母上正式对蒸汽弹射器进行一系列的试验。试验中， 研究人员成功地解决了影响开缝式气缸工作的两个最大问题， 第一是气缸缝受缸内压力扩张的问题， 第二是弹射气缸本身受热后变形的问题。1952年对 蒸汽弹射器的试验证明成功， 这种被称为米切尔式弹射器的装置正式开始装备而且被沿用至今。 通过技术合作，美国直接参与了“英仙座”航母的弹射器试验而获得的这项技术， 此后将研制成功的型号为C-11的蒸汽弹射器装备在“汉考克”号航母上， 并在1954年6月1日成功完成弹射操作。航母也从此进入全面喷气时代。 值得一提的是， 在40年代开发蒸汽弹射器的同时， 美国曾进行了超大型的飞轮储能弹射器和电动弹射器的开发和试验。理论上飞轮储能弹射器可以达到很高的功率， 但是因高速离合器的技术难题得不到解决而很快被放弃。值得注意的是，当时在电动弹射器上研究上， 西屋电气公司成功研制了称为“电弹器”（Electropult）的弹射器， 结构上跟目前热门的电磁弹射器结构几乎一样， 采用直线电机设计， 而且在弹射功率与蒸汽弹射器相似的输出。只是因为运作昂贵而被放弃。不过， 飞轮和直线电机技术在最近这20年被重新开发， 现在热门的电磁弹射器上运用的就是飞轮储能器和直线电机技术。 蒸汽弹射器在美国航母的装备情况美国在 C-11 蒸汽弹射器后， 相继开发了型号为 C-7,C-11 -1,C-13,C-13-1,C13-2 的多种蒸汽弹射器。 参数\\型号 C-7 C-11/ 冲程 ( 英尺 ) 253 211 249-10” 309-8 ¾” 306-9” 轨道长度 ( 英尺 ) 276 225 264-10” 324-10” 324-10” 活塞与牵引器重量 ( 磅 ) 5200 5200 6350 6350 6350 气缸直径 ( 英寸 ) 18 18 18 18 21 冲程总容积 ( 立方尺 ) 944 786 910 1148 1527 目前美国的大型航母一般装置多达 4 台弹射器。在各种型号的弹射器当中，只有 C-13-1 和 C-13-2 型号的弹射器有足够的功率能让飞机在不迎风的情况下起飞。 航母 弹射器型号 CV41 中途岛 2 x C-13 CV43 珊瑚海 3 x C-11-1 CV60 萨拉托加 2 x C-11 2 x C-7 CV61 漫游者 4 x C-7 CV62 独立 4 x C-13 CV63 小鹰 4 x C-13 CV64 星座 4 x C-13 CVN65 企业 4 x C-13-1 CV66 美国 3 x C-13 1 x C-13-1 CV67 肯尼迪 3 x C-13 1 x C-13-1 CVN68 尼米兹 4 x C-13-1 CVN69 艾森豪威尔 4 x C-13-1 CVN70 卡尔－文森 4 x C-13-1 CVN71 罗斯福 4 x C-13-1 CVN72 林肯 4 x C-13-2 CVN73 华盛顿 4 x C-13-2 CVN74 斯坦尼斯 4 x C-13-2 CVN75 杜鲁门 4 x C-13-2 CVN7 6 里根 4 x C-13-2 主要结构主要系统从内部结构上看， 一台蒸汽动力弹射器按功能可以分成7个主要系统。 1. 起飞系统 2. 蒸汽系统3. 归位系统 4. 液压系统 5. 预力系统 6. 润滑系统 7. 控制系统 （注：蒸汽锅炉和回收蒸汽装置在结构上属于船的动力系统，不属于弹射器的内部结构， 因此本文就不在这里陈述了。） 起飞系统起飞系统的功能是产生动力和驱动飞机， 这个系统由7个部分组成。 · 弹射槽盖/甲板轨道 · 动力弹射汽缸 · 汽缸缝盖和密封条 · 飞机牵引器 · 推进活塞 · 速度感应器 · 水刹器 蒸汽系统蒸汽系统的功能是储存蒸汽， 而且控制蒸汽在各管道和汽缸内的排入， 流动和排放。这个系统主要有6个 组成部分 · 蒸汽蓄压器/储气罐 · 蒸汽注入阀门 · 弹射阀门 · 排放阀门· 减压曲管 · 蒸汽管道 归位系统归位系统的作用， 是为弹射活塞和牵引器归位提供动力和驱动。主要的部分有 · 液压发动机 · 滑轮钢缆系统 · 归位牵引器 液压系统蒸汽弹射器的液压系统的功能主要是提供控制动力。主要的部件有 · 液压泵 · 排放泵 · 液压泵 · 液压管道和阀门 · 蓄压器 预力系留系统预力系留系统位于飞行甲板的起跑点。进行起跑之前， 将飞机固定在弹射滑动器上， 并且对施加预应力， 以避免突然加速受力造成结构过载。这个系统的主要部件有 · 张力瓶和活塞 · 电控气压阀 润滑系统润滑系统分布在整个弹射器结构上， 主要部分有 · 润滑油缸 · 润滑油泵 · 电控油阀· 流量感应器 · 润滑器 控制系统控制系统是包括所有控制弹射器的运行的部件。主要组成部分为： · 主控制台 · 甲板控制台 · 飞行控制板 · 锅炉状态显示板 开缝汽缸和活塞直接驱动装置是米切尔式蒸汽弹射器的一个比较独特的结构。通过一些公开的图片， 我们可以看到它们的基本结构。 弹射气缸弹射气缸是弹射器最大的一个部件， 从图片里面可以清楚看到， 整个气缸是分段制造， 最后连接而成的。每段气缸长约4米，接口处有密封槽， 整个汽缸是通过底座固定在弹射器槽的气缸轨上而连成一体。这种多截连接气缸结构有利于降低生产， 运输和维修的成本， 而且可以更灵活地应付整体上的热变形。 汽缸缝盖和密封条的最重要作用是在气缸缝外形成密封， 另外， 密封条和汽缸缝盖在气缸缝的外部形成一个完整的钩型结构， 可以夹住汽缸缝以防气缸内部压力增大的时汽缸缝扩大。 弹射活塞弹射活塞整体上可以分成3部分， 第一部分是气密活塞和活塞环， 第二部分是密封条开闭装置， 第三部分是水刹锥。在活塞前进的时候， 活塞同时将密封条推入汽缸盖和气缸缝的缝隙中完成密封。当活塞到达气缸末端的时候， 水刹锥撞入水刹器后开始减速， 最后令活塞停下。 动力控制结构弹射过程的动力控制结构前面提到， 飞机弹射时加速度要控制在可承受的负荷范围内， 这是通过控制蒸汽注入弹射气缸的流量和流量的变化来实现的。弹射控制阀在这里起到最关键的作用。这个阀门的开关速度和幅度的精确度会直接影响到弹射加速度的可控性。整个弹射过程对加速度的控制，最后是通过改变阀门的开关时间和幅度还完成的。在操作上， 弹射阀门的控制需要通过一条既定的阀门调节曲线来进行。 不同飞机和不同装备的配搭， 都会有不同的弹射重量。要保证足够的弹射速度和正确的加速度，弹射的时候要根据不同的重量制定相应的阀门调节曲线。测定这些曲线的方法， 是用一种被称为空负荷（Deadload）的滑车模仿飞机的起飞重量， 在弹射器上反复弹射测定加速度而获得弹射阀门的控制数 随着飞机的装备多样化， 飞机和不同装备的总重量出现更多差异， 这就需要进行更多的弹射试验。 可是， 如果在航母上进行试验，滑车落水后要花不少人力进行回收， 所以目前这项试验大部分都在装配了弹射器的机场上进行。法国戴高乐航母装备的是美国C-13弹射器，法国要将飞机送到美国的海军测试基地进行试验才最后获得了这些控制数据。 试验基地基地舰上弹射试验费用高而且更加危险， 所以一般的数据测试， 飞机弹射试验， 美国海军都是在Lakehurst基地进行的。这个基地设有两个弹射试验平台， 而法国航母上装备的飞机也曾在这个基地里经过不少的试验才能在舰上服役的。 蒸汽弹射器的现况蒸汽弹射器这种技术已经在航母上使用了50年，也使唯一经过实战证明的技术。然而，美海军在舰艇设备全面电气化的大趋势下，航母将采用电作为推进的主动力。所有动力设备也将电气化。所以在80年代末，就开始了对电磁弹射器技术的开发，并在费城东部的试验基地装备了电磁弹射器进行试验。在2003年向国会提交的报告中说到，电磁弹射器（EMAL) 证实有以下的优点： 1. 电气结构，技术上容易与其他甲板上作战系统兼容 2. 操作和维修人员编制简化，而且与其它作战系统人员兼容 3. 弹射功率提高，有利于装备大型作战飞机 4. 可控性和可靠性高，简化测试 5. 结构简化，操作复杂度减低此外，降落拦截索系统同样也将电气化。目前这个项目由通用原子公司（General Atomic)承包。 不过，蒸汽弹射器在功能上还是能满足目前作战的需要，而且在运作技术上相当成熟。2003年美海军在公开的财政预算书里还提到了一项改良蒸汽弹射器设施的项目，报告里向国会提出要求拨款提升蒸汽弹射器的试验设施的方案，并且提到提升设备的目的以应付蒸汽弹射器服役到2050年的需要。由此看来，蒸汽弹射器还会在美航母上使用相当长一段时间的。 历史自20世纪20年代以来，先后曾出现有压缩空气式、火药式、火箭式、电动式、液压式和蒸汽式等多种动力的弹射器。除蒸汽弹射器外，其它形式的弹射器由于安全性或弹射能量的限制，制约了舰载机的发展使用，已逐渐被淘汰。 早期的螺旋桨式飞机由于起飞速度不大，可以轻易从甲板上自行滑跑起飞，但喷气式舰载机的重量和起飞速度急剧增大，只能通过弹射器起飞了。 1950年8月，英国在“英仙座”航母甲板中线上安装了一台动力冲程45.5米的BXS－1蒸汽弹射器，它用舰上主锅炉的蒸汽作动力，试验获得初步成功。弹射能量大，安全性和加速性能好，逐渐为航空母舰普遍采用。蒸汽弹射器可弹射20～35吨重的飞机，使其时速达250～350千米、重力加速度可达4～5.5g，每分钟可以弹射1～3架飞机。航空母舰上通常装有2～4部弹射器，分别设置在前飞行甲板和斜角飞行甲板。 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。 随着航空母舰主动力装置的发展变化和舰载机重量的增大，有的国家正研制内燃式、飞轮储能式及电磁弹射器。内燃式弹射器是用燃油、水和压缩空气喷入燃烧室产生的燃气作动力，弹射飞机。飞轮储能式弹射器是将燃气轮机发出的能量储存在飞轮内，通过离合器、绞车、传送带牵拉往复车弹射飞机。 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。 制造难点许多文章关于弹射器制造难点的说法不尽相同，有的说开口汽缸密封是关键，有的说是开口汽缸制造难度很大，还有的说是弹射器的加工精度很高，也有的认为必须要有第一流的焊接技术。实际上，弹射器的真正难点在储汽罐的制造上。以上说法只有焊接技术才算是说到了点子上。 弹射器的储汽罐是一种大尺寸的高压容器。在制造工业中，高压容器是机械工业产品中一个重要的品种，被广泛用于化工、核工业、能源和航天技术中，是一个国家重工业水平的重要体现。虽然这种产品没有活动部件，结构也相当简单，但由于要承受高压，尺寸又大，因此对制罐材料、制造设备和焊接工艺等方面提出了特殊的高要求，制造企业要有相关的生产许可证。对于航母弹射器来说，又有使用次数、重量限制和耐高温方面的要求，故制造难度就更大了。制罐材料要用耐热的特种合金钢，必须要有很好的蠕变性能和抗拉强度，而且还要承受几十万次的弹射加压/卸压疲劳循环，目前只有几个国家才能制造。制罐工艺有好几种，常用的是用钢杵穿过钢锭，反复锻压制成环节状，经车削加工后，再将几个环节焊成筒体，两边封头用万吨以上的水压机整体压出或分块压出，然后经过切削加工再焊接。焊接过程要严格按照操作工艺进行，稍有不慎，就会使部件报废。 不过，储汽罐的制造难度也有相对性，它和罐的直径有很大的关系，当直径较小时，承受同样压力的储汽罐制造难度就会大幅度下降。如适当放松对重量的限制，也对降低难度有很大帮助。能生产小尺寸高压容器的国家可能要超过几十个，用来满足中小功率的弹射器是绰绰有余的。英国发明弹射器时，从提出方案到制造出演示装置，时间不超过几个月，弹射功率不大，储汽罐的工作压力只有每平方厘米20多千克显然起了很大作用。近十几年来出现了板缠绕制罐工艺，就是用高强合金板一层一层缠绕成罐体，这种方法解决了原有工艺产品重量大的缺点，制造难度也能下降许多。从某种意义上讲,发展弹射器有“门槛”，但不是很高，而且也不多，设计者可以是“半路出家”，并且试验的大部分部件可以一直用下去，开发费用不会太高，弹射器开口汽缸的直径始终是457毫米，也可证明这一点。 |
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