上一篇文章里，我们分析了现有的现代军机在航母上有两种起飞方式：美式弹射和苏式滑跃，和一种新的起飞方式：弹跃起飞。
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美式弹射和苏式滑跃各有优缺点，弹跃则是结合了弹射和滑跃两种起飞方式的优点，在曲面甲板上用外力推动飞机，使其既获得速度又获得向上跃起的角度。从飞机受力分析角度来看，这是军机最好的一种起飞方式。也是中国未来航母的最佳选择。至于如何进行弹跃起飞，让我们先回顾一下航母弹射器的历史。 6park.com
最初装备在护航航母上的是飞轮弹射器，但没有正式使用。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5吨的负荷在7米内加速到31米/秒的速度。基本满足当时的作战需要。最大弹射能量达到5兆焦耳。 6park.com
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。 6park.com
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16米/秒时，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2.5米/秒时，“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1.6米/秒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。 6park.com
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2.5吨重的飞机推进到20米/秒的速度。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31米/秒的末速度，成为美国二战初期最好的弹射器。 6park.com
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上图专门为超级航母“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40米/秒。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。 6park.com
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54米/秒的末速度，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，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、40米/秒的末速度或者20吨弹射重量、54米/秒末速度（这是喷气式舰载机的最低起飞速度）。 6park.com
液压弹射可以达到54米/秒的速度，那个速度对现代战机的滑跃起飞足够了。问题是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，60年前，钢的强度不高，比重却很大，当钢索要加速拉动飞机时，也要克服自身的重量，因而，为了把飞机速度加速到54米/秒，钢拉索弄得很粗很重，结果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，也是一大挑战，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，但受材料限制其故障率居高不下。造成的结果是液压弹射技术被蒸汽弹射技术取代。 6park.com
蒸汽弹射弹射器其实是把蒸汽机汽缸的一边开口，让蒸汽压力能从汽缸里通过钢杆作用到飞机上。美国C-13型蒸汽弹射器，口径457毫米，开口汽缸要承受高达20千克/平方厘米的蒸汽压力，由于缸壁上有开口，开口汽缸的受力特 性很差，要做到不变形是相当困难的。弹射器由大部件组成, 而且体积大，几乎全部是钢结构 件，光是受热变形就能产生不小的尺寸变化，因此要真正做到高精度不太可能，有文章称“法国‘戴高乐’号在调试弹射器时,火花铁宵四处飞浅,使施工人员胆战心惊,原来是粗心的美国卖主忘了告诉法国人,这是磨合期的正常现象”，也许这一点可以用来说明精度问题。 6park.com
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 为了少漏气，开口汽缸需要密封，弹射器开口汽缸有两种密封方法，老式弹射器采用的是设置在汽缸开口两侧的橡胶带形成“拉链”式密封，现在的弹射器则利用一根柔性金属条填 入汽缸的开口中，用“填条”式方法达到密封目的。不管是哪种方法,要达到像蒸汽机汽缸一样的密封程度是不可能的,但要满足飞机起飞的需要是没有问题的,可是却要多浪费一些能量造成低效率。 6park.com
开口汽缸是弹射器的核心,就是由它和活塞共同产生的约束力把高压高温蒸汽中的热能转化成飞机离舰时的巨大动能。有许多读者认为，为了能承受高压 高温蒸汽的压力涨开作用，开口汽缸必须要用厚钢板在水压机上卷制而成。其实真要这么作，效果并不好，制造起来也非常困难。下图为一种英国老式弹射器的开 口汽缸截面结构示意图，其开口汽缸并不是用厚钢板制成，而是用较薄的钢板卷制而成，外面套有用高刚性铸钢浇铸的月牙形加强板,用来防止开口汽缸被高压蒸汽涨开。 6park.com
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  早期弹射器截面示意图 6park.com
加强板之所以用月牙形状，是因为作用在开口汽缸壁上的蒸汽涨开力是相对于开口处不断累加的，越往下越大，月牙形正好适应了这种变化，同时也是为 了控制重量和体积。加强板上还有减轻重量的孔，据说是为减少弹射蒸汽中的热量损失,用热空气加热开口汽缸是弹射前的必备步骤,这些孔可用来通过热空气。
下图是现在美国航母上使用的弹射器开口汽缸组件截面示意图。由图中可以看出，开口汽缸组件由两个汽缸组成,每个汽缸内有一个活塞,两个活塞都通过伸出汽缸开口的传动板与往复车相连，为防止漏汽,用汽缸盖和密封条把汽缸的开口密封起来。可以说这是一个比较详细的介绍,但还是有一些问题没有说明, 例如开口汽缸是如何承受高压蒸汽而不被涨开的。从图上看，汽缸盖扣在开口汽缸上，好象能把开口两侧拉紧，但又存在着向上涨开的情况。就是被悬臂式支撑件压 住也还存在着被“涨开”的情况。现代武器的设计讲究的是“一体化”，估计美国的弹射器可能是把汽缸加强件与航母结构上的弹射器安装凹槽设计在一起了，这样既可以节省安装的空间，又可以让加强的结构达到既加强开口汽缸的刚性、又提高航母结构强度的目的。可以想象，如果还是采用上面所说的那种老式弹射器的开口 汽缸加强板结构，双缸的弹射器开口汽缸组件的截面积就会很大。 6park.com
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  现代弹射器截面示意图 6park.com
由于结构设计限制和材料上的缺陷，开口汽缸在弹射一定次数后，变形的程度就会越来越大，需要拆下来进行校正，以延长使用寿命。但这个变形是有规律的，而且不是一下子就会使弹射器失去弹射力，在海战的关键时刻是可以不考虑这一点的。
蒸汽弹射器受到其基本工作原理的限制，无法从开放式系统改装为闭环式系统，蒸汽控制阀门一旦打开便开弓没有回头箭，精确控制弹射能量完全无从谈起。而蒸汽压强随着活塞行程增加而下降，意味着弹射器在刚 "开炮"时火力过猛，舰载机需要承受高至6 g 的瞬时过载 (即便是开缝"炮管" 内径从457 毫米增至 533 毫米，使用"低压" 蒸汽的C-13-2，峰值过载仍高达 5 g)，所谓"蒸汽弹射器不能弹射无人机"，指的就是围绕远航程，长航时性能设计，结构脆弱的无人侦察-监视-打击平台极易因蒸汽弹射器赋予的巨大瞬时加速度而四分五裂。后半程的效率却极为低下，几乎不发挥什么作用。蒸汽弹射器的总体效率很低，只有4-6%，大量的能量随着蒸汽喷出被浪费了。同时，由于汽缸不能弯曲，所以蒸汽弹射器不能在曲面甲板上使用，只能用于平直甲板。 6park.com
由于蒸汽弹射器低效率，新型航母需要开放的弹射器要具备如下特点 ：闭环系统，精确控制，均匀加速。而这样一种弹射器是存在的，那便是化学能弹射器内燃弹射器 (Internal Combustion Catapult Aircraft Launcher, ICCAL)。内燃弹射器并不是什么新玩意。统治 美国舰队航母甲板逾半个世纪的蒸汽弹射器在 老美海军眼里原本只是迫不得已的过渡措施，一旦 美国自行开发，为CVN-65 "企业" 号配套的C-14 型内燃弹射器 (在火箭发动机内燃烧JP-5 航油，氧化剂为压缩空气，加入水以产生蒸汽) 性能完善便将被一脚踢开。可惜受到上世纪50 年代末技术水平的限制，C-14 虽然功率强大，峰值与平均加速度差异小(测试中实现了以近乎稳定的2 g 加速度弹射舰载机)，却无法稳定可靠地工作，最终被美国海军放弃。存在诸多缺陷，但可靠性远在 C-14 之上的C-13 系列蒸汽弹射器则一俊遮百丑，从 "摄政"摇身一变，加冕称王。 6park.com
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与采用单燃烧室设计的C-14 相比，新一代的多燃烧室内燃弹射器 (见上图)通过在电脑控制下精确调节各独立燃烧室的燃料和氧化剂流量，以及根据需要增加或减少处于工作状态的燃烧室数量，可更为有效地调控系统输出功率，加速曲线甚 至可能比电磁弹射器的还要平滑。内燃弹射器的燃烧室可效仿 C-14，使用目前已相当成熟的煤油-液氧火箭发动机(亦可考虑其它燃烧室-燃料-氧化剂组合)，不会带来额外的后勤负担(舰载机烧的就是煤油，液氧可以很容易地从空气中制得；与使用压缩空气相比，使用液氧时燃烧效率更高，且污染物排放较少)。现有技术条件下，内燃弹射器的最大弹射能量可达 200 兆焦级，远高于蒸汽弹射器的95 兆焦和电磁弹射器的 122 兆焦。煤油的燃烧热为每千克43.1-46.2 兆焦，若假定内燃弹射器的系统能效为 25%，则每次100+兆焦级弹射只需要大约10千克航油。每个弹射循环中1 具内燃弹射器需消耗数十升淡水，用以控制排气温度及增加弹射功率。相比之下，C-13-2 每次弹射用去的蒸馏水多达600+ 升。由于省略了电磁弹射器庞大的储能装置阵列，也不需要功率强大的冷却系统，内燃弹射器的体积和重量均低于新锐的 "电弹弓"，以其取代蒸汽弹射器可节省1000  吨以上的顶层重量，有效地改善 CVN-68 "尼米兹"级航母经过多次升级，吨位膨胀后，头重脚轻，稳定性下降的问题。与电磁弹射器相比，基于成熟技术 (液体火箭发动机，内燃机，导弹冷/软发射等)，并可沿用蒸汽弹射器"炮管"的内燃弹射器具有明显的成本优势，据其支持者称每套仅需 1000 万美元。即使考虑到放卫星因素，将该成本数字翻上两翻，内燃弹射器的价格仍远较电磁弹射器低廉。由于使用燃气-蒸汽混合物而非纯蒸汽驱动，且消耗蒸汽量比 蒸汽弹射器低一个半数量级，内燃弹射器的水汽凝结问题远比蒸汽弹射器易于解决。不过可靠性问题至今没解决得了，关键在于，与蒸汽弹射相比，内燃弹射汽缸里的气体压力是发射时由燃料燃烧现生成的，如果燃料多燃烧一点，那么压力就会很大超出预期，可能把飞机和系统扯坏。而蒸汽的压力则是弹射前就固定的，压力太高或太低，根本就不会弹射，这是蒸汽弹射可靠性高的保证。   6park.com
所以液压弹射蒸汽弹射和内燃弹射这三种弹射方式都各有毛病。液压弹射是被材料问题给限制住了，但经过60年的研发，超级材料出现了，这就是碳纤维超级材料。在弹射这种应用里，材料强度和密度之比是重要的，下表对照50年代的碳钢强度和现在的碳纤维材料的比强度。 6park.com
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据《科技日报》16日报道，清华大学两个团队合作，在超级强度材料上获得重大突破：在世界上首次制备了接近单根碳纳米管理论强度的1厘米超长碳纳米管管束，其拉伸强度超越已知所有其他纤维材料，拉伸强度提高到80GPa以上。现在的碳纤维材料的比强度比以前的钢要强上百倍，情况已经发生变化，限制液压弹射的关键问题不复存在，与此同时，蒸汽弹射却由于其本身原理上的限制发展到了尽头，内燃弹射的可靠性还是没法解决。情况已经发生了根本改变，三种弹射器中决定技术应用的条件颠倒了过来。可惜中国军方只会跟老美屁股后面跑，不懂利用新的技术革命成果。 下一篇我们详细说明如何利用这种新材料搞出超越美苏的新型航母和起飞方式，且听下回分解。

贴主:王文清于2019_03_27 19:18:11编辑
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