蒸汽彈射器與電磁彈射器

楊 杰

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000）

隨著各國(guó)軍事科技的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)已經(jīng)開(kāi)始被越來(lái)越多的國(guó)家作為重點(diǎn)研發(fā)點(diǎn)，而這其中，無(wú)人機(jī)的發(fā)射也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。無(wú)人機(jī)的發(fā)射方式很多，曾經(jīng)和現(xiàn)在受到應(yīng)用的主要是蒸汽彈射和電磁彈射。

1 彈射器的發(fā)展

二次大戰(zhàn)爆發(fā)后，由于護(hù)航的需要，開(kāi)發(fā)了護(hù)航航母，由于這類航母

甲板距離短，飛機(jī)必需依靠彈射才能起飛，彈射器成為必不可少的設(shè)備。最初裝備在護(hù)航航母上的是飛輪彈射器。蒸汽彈射器的開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)二次大戰(zhàn)的實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)，航母的運(yùn)作技術(shù)發(fā)展的更加成熟。二戰(zhàn)到了末期，噴氣機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)，噴氣機(jī)起飛距離的增大和飛機(jī)重量的增加，導(dǎo)致對(duì)彈射器的功率要求更大，可是，液壓彈射器已經(jīng)達(dá)到技術(shù)極限，當(dāng)時(shí)已經(jīng)證明這種技術(shù)的最大輸出功率只能達(dá)到20兆焦耳。推進(jìn)活塞速度達(dá)到90英里/小時(shí)之后的工作效率急劇下降。而且，彈射器的液壓油在高速流動(dòng)推進(jìn)時(shí)有沸燃現(xiàn)象，在安全性和工作可靠性上存在極大問(wèn)題，而且頂桿鋼纜系統(tǒng)重量很大。當(dāng)時(shí)彈射器的問(wèn)題成為延誤航母使用噴氣機(jī)的主要原因，此時(shí)，英美意識(shí)到高能彈射器技術(shù)的重要性，就著手開(kāi)發(fā)新技術(shù) 在技術(shù)方面，為提高彈射器的效率，20世紀(jì)30年代已有人提出了“直接驅(qū)動(dòng)”的結(jié)構(gòu)概念，著重于降低驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)總重。從而改善彈射器的加速效率。開(kāi)縫式汽缸設(shè)計(jì)就是在這種概念下產(chǎn)生的。作為動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的活塞和牽引器用最短的距離直接連接，以減低推進(jìn)活塞和牽引器這兩個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的重量。1950年，英國(guó)海軍開(kāi)始在“英仙座”航母上正式對(duì)蒸汽彈射器進(jìn)行一系列的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，研究人員成功地解決了影響開(kāi)縫式氣缸工作的兩個(gè)最大問(wèn)題，第一是氣缸縫受缸內(nèi)壓力擴(kuò)張的問(wèn)題，第二是彈射氣缸本身受熱后變形的問(wèn)題。1952年對(duì)蒸汽彈射器的試驗(yàn)證明成功，這種被稱為米切爾式彈射器的裝置正式開(kāi)始裝備而且被沿用至今。

電磁彈射器是航空母艦上的一種艦載機(jī)起飛裝置，已由美國(guó)最新下水的福特號(hào)航母首先裝備。與傳統(tǒng)的蒸汽式彈射器相比，電磁彈射具有容積小、對(duì)艦上輔助系統(tǒng)要求低、效率高、重量輕、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低廉的好處。是未來(lái)航空母艦的核心技術(shù)之一。美軍研發(fā)的電磁彈射器由三大主要部件構(gòu)成，分別是線性同步電動(dòng)機(jī)、盤式交流發(fā)電機(jī)和大功率數(shù)字循環(huán)變頻器，線性同步電動(dòng)機(jī)是電磁彈射器的主體，它是20世紀(jì)80年代末期研究的電磁線圈炮的放大版。電磁線圈炮也叫電磁線圈拋射器，1831年英國(guó)物理學(xué)家法拉弟發(fā)現(xiàn)電磁現(xiàn)象以后就有人開(kāi)始設(shè)想電磁線圈炮。1845年，有科學(xué)家在理論試驗(yàn)中將一個(gè)金屬柱拋出20米；1895年，美國(guó)有項(xiàng)專利設(shè)計(jì)了理論上能夠?qū)⑴趶棐伾?30千米的線圈炮；1900年，挪威物理學(xué)教授克里斯坦·勃蘭登獲得三項(xiàng)關(guān)于電磁炮的專利；1901年，勃蘭登在實(shí)驗(yàn)室制造了一座長(zhǎng)10米、口徑65毫米的模型，可以把10千克的金屬塊加速到100米/秒，這引起了挪威政府、德國(guó)政府的注意。1970年，德國(guó)科隆大學(xué)的哈布和齊爾曼用單機(jī)磁線圈將一個(gè)1.3克的金屬圓環(huán)加速到490米/秒，這一成果迅速引起世界范圍內(nèi)的高度重視。1976年，蘇聯(lián)科學(xué)家本達(dá)列托夫和伊凡諾夫宣布已將1.5克的圓環(huán)加速到4900米/秒。到目前為止，美國(guó)在海軍航母電磁彈射器上花費(fèi)了28年的時(shí)間和32億美金的經(jīng)費(fèi)，預(yù)計(jì)將在2014年服役的CVN－78航母上正式使用這一設(shè)備。從設(shè)計(jì)和工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵性部件的性能來(lái)看，成功地按時(shí)間表投入使用的可能性非常大。

2 用途原理

重型飛機(jī)要想從航空母艦上起飛，必須有蒸汽彈射器。在飛機(jī)起飛前，飛機(jī)

由位持器鋼圈把尾部扣在一個(gè)堅(jiān)固點(diǎn)上，飛機(jī)前輪附近的牽引桿垂落到一個(gè)“滑梭”內(nèi)，滑梭以掛鉤鉤住飛機(jī)?；笫钦羝麖椛淦魑ㄒ宦对陲w行甲板上的零件。飛機(jī)前面的甲板下，有兩個(gè)平行圓筒，每個(gè)至少長(zhǎng)45米，筒中的活塞與所有滑梭相連。蒸汽由母艦上的鍋爐輸出，增壓后輸入滑梭。飛機(jī)起飛時(shí)開(kāi)足馬力，但被位持器扣住。蒸汽彈射器一啟動(dòng)，飛機(jī)引擎的動(dòng)力加上蒸汽壓力，使鋼圈斷開(kāi)，飛機(jī)前沖，在45米距離內(nèi)達(dá)到時(shí)速250千米/小時(shí)。飛機(jī)彈射起飛脫離滑梭后，活塞前端的注管就落入水池，在幾米的距離內(nèi)停頓，滑梭移回原位，推動(dòng)另一架飛機(jī)起飛。母艦上每個(gè)蒸汽彈射器每分鐘可推動(dòng)兩架飛機(jī)起飛。通常航空母艦最多裝設(shè)4個(gè)蒸汽彈射器。

電磁彈射器是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到力的作用,這個(gè)力叫洛倫磁力?；拘秃?jiǎn)單,就是一個(gè)滑塊,兩個(gè)導(dǎo)軌,外加一個(gè)與其垂直的磁場(chǎng),只需通直流電,滑塊就會(huì)受到洛倫磁力向前加速,同時(shí)帶動(dòng)飛機(jī)助跑。由于,這個(gè)力可通過(guò)改變電流的大小而改變,使得它不僅能發(fā)射常規(guī)的艦載機(jī),還能發(fā)射輕盈的無(wú)人機(jī),蒸汽彈射器不行,它不易操作,且所需人員多,而且無(wú)人機(jī)被它一彈就碎了,另外電磁彈射器原理簡(jiǎn)單,技術(shù)要求也相對(duì)低,這些優(yōu)點(diǎn)都讓它成了未來(lái)的發(fā)展方向。它和電磁炮是一個(gè)原理,都適用同一個(gè)公式,F=BIL,BI分別是磁場(chǎng)、電流的大小。

3 發(fā)展前景

蒸汽彈射器這種技術(shù)已經(jīng)在航母上使用了50年，也是唯一經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)證明的技術(shù)。然而，美海軍在艦艇設(shè)備全面電氣化的大趨勢(shì)下，航母將采用電作為推進(jìn)的主動(dòng)力。所有動(dòng)力設(shè)備也將電氣化。所以在80年代末，就開(kāi)始了對(duì)電磁彈射器技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并在費(fèi)城東部的試驗(yàn)基地裝備了電磁彈射器進(jìn)行試驗(yàn)。電磁彈射器具有很大的能量輸出調(diào)節(jié)范圍。蒸汽彈射器的功率輸出依靠一個(gè)叫速率閥的東西，利用控制蒸汽流量的方式控制彈射器的功率輸出，機(jī)械的可調(diào)節(jié)性能輸出達(dá)到1：6差不多就是極限了；而電磁彈射的功率輸出是由電路系統(tǒng)控制的，從大功率民用變電的經(jīng)驗(yàn)可知1：100以內(nèi)的變化是相當(dāng)容易的。美國(guó)海軍未來(lái)將會(huì)大量使用輕重不一的無(wú)人機(jī)，蒸汽彈射器很難適應(yīng)這個(gè)要求。對(duì)航母的設(shè)計(jì)是和海軍操作人員來(lái)說(shuō)，電磁彈射器是一個(gè)大福音，它不僅將機(jī)庫(kù)甲板的占用面積縮減到原來(lái)的1/3，而且重量還輕了一半。大幅減輕高過(guò)重心位置的重量對(duì)航母的穩(wěn)性設(shè)計(jì)是個(gè)很有益的舉措，同時(shí)既不用再為復(fù)雜的蒸汽管道迷宮所困擾，也不用再為灼熱的蒸汽泄漏和四處污濺、難以清潔的潤(rùn)滑油所發(fā)愁。

還有一個(gè)好處是電磁彈射器能與滑躍式甲板巧妙融合，而蒸汽彈射器卻沒(méi)有電磁彈射器的靈活，它不能彎曲，就無(wú)法與滑躍起飛結(jié)合，而電磁彈射器與滑躍式起飛結(jié)合后能增加飛機(jī)的載重量。如果將來(lái)中國(guó)研制出了電磁彈射器，并實(shí)用于遼寧號(hào)，便可使遼寧號(hào)搭載更多機(jī)種，像空警200或空警2000，還可以向美國(guó)一樣搭載無(wú)人機(jī)，這樣就大大提升了遼寧號(hào)的作戰(zhàn)能力。

在2003年向國(guó)會(huì)提交的報(bào)告中說(shuō)到，電磁彈射器(EMAL)證實(shí)有以下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）電氣結(jié)構(gòu)，技術(shù)上容易與其他甲板上作戰(zhàn)系統(tǒng)兼容。

（2）操作和維修人員編制簡(jiǎn)化，而且與其它作戰(zhàn)系統(tǒng)人員兼容。

（3）彈射功率提高，有利于裝備大型作戰(zhàn)飛機(jī)。

（4）可控性和可靠性高，簡(jiǎn)化測(cè)試。

（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，操作復(fù)雜度減低。

[1]蒸汽彈射器工作原理和結(jié)構(gòu)[OL].搜狐,2012(11).

[2]趙宏濤,吳峻.艦載無(wú)人機(jī)電磁彈射器應(yīng)用能力分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2010(03).

[3]艦群.蒸汽彈射器揭秘[J].艦載武器,2008(12).

[4]遠(yuǎn)峰.彈射器的“秘密”[J].艦載武器,2005(03).