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。 6park.com
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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，并说明各种弹射的关键问题之所在，经过几十年技术进步后，碳纤维超级材料的出现，改变了技术优劣对比，使得弹跃起飞成为可能。 6park.com
因此弹射和滑跃各有优缺点，同时现代战机也有很大进步，主要是发动机性能改善，推重比越来越大，甚至可以做到0跑道滑跑起飞。如果把现代战机的特点和弹射滑跃两者有机结合可能克服双方的缺点。以前液压弹射可以达到54米/秒的速度，那个速度对现代战机的滑跃起飞足够了。问题是液压弹射需要钢拉索。60年前，钢的强度不高，钢拉索弄得很粗很重，不过现在材料的性能出现了革命性的变化。关键是碳纤维超级材料出现了。 6park.com
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现在的碳纤维抗拉强度比以前的钢要强上百倍，情况已经发生变化。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。新的超级航母设计应该利用现代材料革命的成果，把航母弹射器由推变拉，同时利用滑跃甲板。由于滑跃甲板节省了60%的起飞距离，那么弹射器不需完成全部加速任务，只用完成那剩下的40%就行了，所以滑跃首先减少了60%的弹射器能量重量和体积。具体的碳纤维弹射分两类，一种是先进液压弹射，另一种是气动弹射。 6park.com
1.液压碳纤维弹射 6park.com
辽宁号上翘部分甲板长53米，可以在辽宁号上翘部分甲板下装直线气缸，内径与120mm滑膛炮相同，以便利用现有军工设备，0.12x55m, 壁厚10mm, 重1.6吨, 液体体积 0.49m3。这个气缸全封闭，没横向开口，因此可以工作在1071-1190大气压的高压下，但在后面有个圆洞，一根30米长直径3厘米外包铝合金的碳纤维棒通过此洞滑动。由于杆的直径跟汽缸后部的口密合，杆滑动时并不漏气，不需密封条等麻烦手段，所以这个气缸跟汽车发动机气缸差别不大，只是大了很多，以前造成蒸汽弹射器密封不可靠问题的问题不再存在，气缸放在滑跃甲板的弯曲部位以下，通过滑轮后转换方向，用碳纤维拉带拉动连接勾，由于碳纤维强度高达7000Mpa,也就是每平方厘米截面的碳纤维可以拉动70吨的东西，为保险，我们使用比需要的拉力大四倍的碳纤维索来拉动飞机。直径2.7cm,截面积5.8cm2，重仅32公斤的碳纤维拉杆通过滑块拉动碳纤维索，使强力轮转动，并使与其一体但直径比强力轮大一倍的高速轮转动，将液压缸提供的速度放大一倍。弹射时打开阀门，高压油由储气罐冲出，单缸提供拉力101.5吨。我们使用双联液压缸，提供203吨拉力，高压油推动活塞，使其最终速度达到25米/秒。勾锁松开后，高速轮扯动碳纤维拉索，提供拉力101.5吨，通过滑块拉动飞机，可以把45吨满载自身推力11吨的运输机以2.4g在53米内加速到50米/秒。通过14.3度的滑跃甲板,不但J-15可以起飞，一般运输机也足够起飞。可以通过减小气压,或紧急时调节阀门出气量减小输出功率, 以避免J-15速度过高。 6park.com



弹射完成后，阀门关闭,液压缸里的水和活塞及拉杆通过液压减速器1减速，在1米内停止，滑块延迟一点减速，使碳纤维带和飞轮松开一点，飞轮自己减速，滑块通过液压减速器2减速，然后打开通往非压力油箱的阀门，拉杆滑块缓冲减速停止后, 电机把活塞回压,10秒内使活塞复位,把液压缸里的油清空，系统就可以再次弹射了。 由于是室温工作,可以使用润滑油和聚四氟乙烯活塞环, 由于弹射只用两秒,过程中液体泄漏很小. 整个过程只有12秒,活塞1拉回位后,有弹力圈阻止漏油.辽宁舰跑道缩短到55米, 53米用于弹射,曲率半径202米的滑跃起飞，法向2.47g加速度。加上15米/秒的航母速度,共65米/秒, 通过14.3度的滑跃甲板,一般运输机也足够起飞.可以通过减小气压,或紧急时调节阀门出气量减小输出功率, 以避免J-15速度过高。


压力油箱里有油1立米气5立米, 高压罐总体积6立米,直径1.219米高5.1米厚54毫米，材料高强465钢，重9.5吨，压力1071-1190atm。 压力泵可以直接买到，Hammelmann公司的HDP MC3 泵流量407L/ min, 1100kW , 压力1320大气压 , 重5.36吨体积2.7立米。整个系统弹射缸+高压罐+泵体积只有10立米，总重18吨。相对之下，美舰上的C-13蒸汽弹射器每台525吨，4台两千多吨，造成航母上层过重不稳。在甲板下方还设有弹射蒸汽储气罐、弹射器管路舱等设施需要600立米，占据机库空间较大。如果使用碳纤维液压弹射系统，4台总重只有蒸汽弹射的1/20，体积不过蒸汽弹射的1/10。所占用舰的体积重量几乎可以忽略不记。碳纤维液压弹射系统中泵效率95%,柴油机效率 50%,  弹射效率90%总效率42%。而蒸汽弹射效率只有区区4-6%。因此使用超级材料碳纤维后，弹射系统体积重量缩减到不到蒸汽弹射的1/10，而弹射效率提高十倍。 6park.com
2.气动碳纤维弹射 6park.com
气动弹射里，高压气体直接进入弹射缸，不需液体媒介，系统进一步简化。由于弹射是使用蒸汽弹射类似的在弹射前定压的原理，所以估计有近似于蒸汽弹射的可靠性。在这里碳纤维园杆被碳纤维带代替。为了保险，我们仍然采用截面积7平方厘米就是比需要面积大四倍的碳纤维杆来拉动飞机。碳纤维的比重只有1.8。这根碳纤维带重量只有42公斤。气缸放在滑跃甲板的弯曲部位以下，通过滑轮后转换方向，用碳纤维拉带拉动连接勾，连接勾如通常的弹射起飞系统一样拉着飞机前轮以2.4g在53米内加速到50米/秒。加上航母起飞时通常以最高速度迎风航行，航母自身速度可以达到15米/秒，总速度65米秒。这个速度足够现代战机以10-14度角满载跳跃起飞了。 6park.com

上面是压缩拉索弹射器的详细结构，整个系统由阀门1，气罐2，钢制汽缸3，活塞4，半刚性碳纤维拉带5，滑轮6，连接勾7，柔性碳纤维拉索8，液压减速器10，电机11，和阀门管道等组成。弹射时，阀门1打开，气罐2内65大气压的高压气体冲入气缸3，推动活塞4往舰尾方向运动，由于是室温工作，可以使用润滑油和橡皮密封圈,活塞漏气很少，碳纤维拉带外包铝合金套，与后面的开孔也完全密合，基本不漏气。活塞拉动半刚性碳纤维带5，绕过直径2米的碳纤维轻质滑轮6后反向，拉动与飞机相连的连接勾7，提供最大拉力101.5吨, 把飞机拉向舰头方向运动，系统提供的最大能量为55兆焦。可以把45吨满载的飞机以2.4g在53米内加速到50米/秒.同时拉出与柔性碳纤维拉索8。飞机沿上翘甲板9加速到接近舰头后，连接器与飞机脱钩，飞机脱离甲板飞行。连接器撞到液压减速器10，减速到零。这时柴油机或大功率电机 (1250kW)工作，在45秒内把活塞拉回原位，气缸里的气体就回收到储气罐里了，目前钢拉索绞车能轻易拉动100吨的物品，所以这部分只须使用已有系统就可以了。很多船用电机功率都在1兆瓦以上，比如西门子公司和上海电机厂都销售1250kW电机，电机连同变速箱等控制系统重量不超过18吨。整个系统需要45秒拉索压缩时间， 15秒准备时间，共一分钟。每个系统一分钟可弹射飞机一次。如果加大电机功率，那么30秒弹射一次也不成问题，只是由于飞机起飞需要准备时间，所以不一定用得上那么快的弹射速度。  6park.com
由于是室温工作,可以使用润滑油和橡皮密封圈,橡皮密封圈是空心的.可以充气, 在弹射时, 气被放掉, 以免高速摩擦破坏橡皮圈, 由于弹射只用两秒, 过程中气体泄漏很小. 压缩过程需要45秒,这时橡皮圈充气,防止漏气.少量损失的气体可用一个不大的压缩机补充. 6park.com
弹射系统的输出可以用两个办法调节，一是可以通过减小储气罐气压减少推力，二是紧急时调节阀门出气量减小输出功率。 6park.com
本系统用压缩空气储能，储存的只有65个大气压的高压空气，室温下工作，储存罐体积84立米，使用天然气管道相同的合金X80，直径2米，长27米，厚9 mm,重12吨。系统中所有元件加起来总重35吨，加上支撑系统，估计整个系统的重量不超过50吨。而一般的蒸汽弹射系统却需要525吨。气动碳纤维弹射相对液压碳纤维弹射体积重量增加，不过系统简化了，由于不需使用液泵，效率估计可以从液压弹射的42%提高到45%。具体选择哪种弹射需要通过实验来验证。 6park.com
弹跃起飞优点： 6park.com
1. 重量由蒸汽弹射器的525吨下降95%到不超过20吨。体积下降90%。相对之下，福特号的电磁弹射系统重630吨，体积1061.4立方米。由于滑跃弯曲甲板下很难放其它东西，但储气罐放那里不是问题，所以几十立米的储气罐，实际上基本不占用航母有效使用空间。 6park.com
2．没有难于维护的开缝汽缸。 6park.com
3．动力可以是柴油机和电动机,任意选择。船用柴油机效率50%-52%, 弹射效率90%，总效率45%。比蒸汽弹射提高10倍。 6park.com
4．不消耗淡水。 6park.com
5．弹射纵向加速度从蒸汽弹射器的5g降到3g以下。法向加速度也在3g以下，降落时由于法向速度高达6-7米，法向加速度高达5g.以歼-15为例，该机空载时重17.5吨，满载33吨，满载时重量是空载的1.89倍。假设起飞时满载，降落时空载。文献报道，降落时飞机因拉索减速，要承受5g的纵向加速度，就是87.5吨力。一般的弹射起飞要承受最大5g的加速度，这时的起飞重量是33吨，那么加速时要承受165吨的力，大于降落时承受的力，所以飞机要额外加强。而弹跃起飞只要承受2.4g的纵加速度，就是79.2吨的力，小于降落时的力。飞机已经因要承受降落的高加速度而加强了，所以不需要额外再加强。降落时，飞机以6-7米/秒的法向速度砸向甲板，飞机瞬间也要承受5g的法向加速度，为了抵挡这个法向加速度，飞机也作了法向加强，可是在弹射起飞时，只有纵向加速度，没有法向加速度，所以弹射的问题是纵向的加强不够，要进一步加强，法向的加强又没有用上，浪费掉了。当飞机以50米/秒速度从14.3度曲率202米的上翘甲板跃出时，法向加速度是2.47g。满载起飞时，这个力是81.5吨，依然小于着舰时的加速度，所以不需要很多的加强。蒸汽弹射时,蒸汽是完全放出,由于不想浪费能量,所以让低压蒸汽继续做工,导致开始时飞机加速度大到6g, 最后阶段小到1g. 而压缩空气弹射时,压缩空气90%以上是回收的,不须放掉,原理的不同,导致压缩空气弹射可以把加速度的变化控制在2g-2.5g的20%变化范围内.最高加速度降低,意味着飞机不需要加强那么多,所以相对于蒸汽弹射，弹跃起飞舰载机可以更轻。纯滑跃起飞舰载机由于起飞速度低，为改善低速气动性能，需要增加机翼面积和襟翼，据报道重量增加14%，相对于纯滑跃起飞，弹跃起飞速度较高，离舰速度高达50米/秒,加上航母速度15米/秒,共65米/秒,或234km/h. 舰载机不需增加过多的机翼面积，也降低了重量。所以弹跃起飞不但可以降低弹射器的重量，也可降低舰载机的重量。 6park.com
6.由于重量下降，没有高精度的开缝汽缸，不需工作在高温下，不需保温材料，复杂性下降，储气罐压力小于天然气主干管道，可用已有的天然气管道加工制备，安全可靠性得到保障。 6park.com
7．相对于滑跃起飞，攻击机如J-15重载满载起飞没任何问题，预警机等其它飞机都可以弹跃起飞。 6park.com
8．195米的重载跑道变得不需要，跑道长度缩短到船头上翘部分53米。飞行甲板可以放更多飞机。 6park.com
9．弹射时已经把飞机滑跑方向固定，所以飞机跑偏的可能性不大，可用把两条起飞线外挪，中间再加一条跑道，跑道从两条增加到三条，每分钟可起飞三架飞机，起飞效率提高50%。 6park.com
10．弹跃起飞速度高于滑跃起飞，飞机不需在起飞时加力，节省燃料。航母每次出航装载燃油6000～9000吨，可供舰上飞机起飞6000多架次，依靠蒸汽弹射起飞每架次可节省燃油近200千克, 总共可节省300多吨,实际上是节能。如果用碳纤维弹跃起飞，由于弹射的能量效率比蒸汽弹射提高十倍，弹射所需能量进一步下降。 6park.com
11. 本系统使用柴油发动机，虽然也可用电动，但只是弹射完成后才用电动机把气体收回储存罐，电磁弹射时直线电机工作时间只有两秒钟，但本系统工作时的电机工作时间是45秒钟，作同样的功而时间短，意味着电磁弹射时直线电机功率要比本系统高二十多倍。本系统里的柴油机电动机虽然功率不小，但都是成熟的技术，不需额外研发电磁系统。 6park.com
12．拥有于蒸汽弹射相同的可靠性。蒸汽弹射公认可靠性高，压缩空气-拉带系统的可靠性与蒸汽弹射相当，因为在弹射前，压力已经固定，施与飞机的力是确定已知的，这与蒸汽弹射情况类似，蒸汽弹射时是打开阀门，压缩空气-拉杆系统是松开连接勾，阀门或连接勾一松开，飞机弹射的过程中基本不会出什么问题。电磁弹射系统的可靠性目前还不确定，因为电驱动过程中如果出现问题比如短路，动力突然消失，那么飞机达不到起飞速度，就被推海里去了。 6park.com
13．由于船头翘起，不会像蒸汽弹射那样，因为海浪造成纵向摇动而不能起飞。 6park.com
14．由于没有开缝汽缸，没有复杂难造的部件, 加工简单得多，相应制造成本低得多，同时维修也容易得多，制造和维护成本大幅降低。 6park.com
15. 没大功率电磁辐射，没有对航母和战机电磁系统的干扰。柴油机不发出电磁辐射，电动机电磁辐射可以被限制在机壳内。 6park.com
本系统不是纯弹射，也不是纯滑跃，是新型弹跃系统。结合了美苏弹射和滑跃两个流派，同时也超越美苏两个流派。 6park.com
有人担心上翘甲板不能停飞机，其实那是不必要的，辽宁舰甲板总面积14700平方米，上翘部分面积只有1600平方米，只有总面积的11%。另外就算甲板是曲面也是可以停飞机的，只要作一点创新，把飞机从横向停，改成与甲板同向的纵向停机，把飞机轮子上动力加大点，并在甲板上搞些古定件，固定飞机就没问题了。曲面甲板不过15度，2/3的面积倾斜度都低于10度。在旧金山山城里，汽车在30度坡上开可停是常事，飞机动力比汽车强得多，开上停在十几度坡曲面甲板有多大难度？所以问题不是做不到，而是国内军工什么都跟老美跟惯了，一点创新都不愿做。

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贴主:王文清于2021_12_25 21:07:35编辑