微觀航母之彈射器雜談

希弦

蒸汽彈射器的重要部件

作為彈射器系統(tǒng)的主體，2個(gè)近100米長(zhǎng)的c型開縫汽缸平行排列著，彈射器的活塞正是通過汽缸上方的開縫推動(dòng)甲板上的彈射滑塊（亦稱“彈射梭”、“往復(fù)車”，Catapult Shuttle），進(jìn)而帶動(dòng)艦載機(jī)加速起飛。所以對(duì)于彈射器系統(tǒng)的這組汽缸而言，尤為關(guān)鍵的技術(shù)就是如何解決汽缸開縫帶來的缸體強(qiáng)度、剛度的不足與高溫高壓蒸汽的密封問題。

為克服汽缸上面開口后嚴(yán)重削弱缸體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度的問題，汽缸的內(nèi)孔與外圓設(shè)計(jì)成偏心布局，形成開口一側(cè)較厚的結(jié)構(gòu)，以增加開口處的強(qiáng)度和剛度。但工作時(shí)汽缸里面充滿高壓蒸汽，平均壓力可達(dá)到15個(gè)大氣壓，在蒸汽壓力的作用下，汽缸開口會(huì)略微張開。為了限制張開的幅度，確保汽缸安全，在其外面還需要加一道約束，也就是汽缸蓋板。同時(shí)，汽缸蓋板與金屬制密封條配合，又解決了汽缸開縫處的密封性問題。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最早見于現(xiàn)代蒸汽彈射器基本構(gòu)型的奠基人科林·米切爾（Colin Mitche）的No.640，622專利中。

汽缸蓋板是，長(zhǎng)條狀、截面呈J字型的彎鉤狀蓋板，一端鉸接在汽缸開槽一側(cè)的邊條上，并嵌住該側(cè)汽缸開槽的凸緣，掛鉤狀的另一端則鉤住汽缸開槽另一側(cè)的凸緣，同時(shí)也壓住密封條。密封條是一根細(xì)長(zhǎng)、扁平的矩形金屬帶，兩端分別固定在汽缸的前后兩端，通過張緊機(jī)構(gòu)拉直，正好堵在汽缸開槽兩端的凸緣之間。汽缸蓋板與汽缸開槽將密封條夾持住，使密封條不致在蒸汽壓力下被擠出汽缸開槽縫隙。在高壓蒸汽壓力作用下，汽缸開槽會(huì)略微向外張開，而鉤在汽缸開槽兩側(cè)凸緣上的汽缸蓋板，在“鉗住”汽缸開槽限制其張開幅度的同時(shí)，又能從兩側(cè)夾緊密封條，阻止蒸汽從汽缸開槽泄漏。在汽缸內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)過程中，密封條會(huì)被支起頂開，在活塞離開之后，密封條又回到原本的位置。這樣活塞柄連接的彈射滑塊在沿著汽缸開槽移動(dòng)的同時(shí)，不會(huì)造成太多的蒸汽泄漏，保證了汽缸的密封性。

作為彈射器的“動(dòng)力源”，蒸汽系統(tǒng)由濕式蓄壓罐、彈射器溝槽預(yù)熱系統(tǒng)、蒸汽滅火系統(tǒng)，以及相關(guān)的各類閥門與蒸汽管路組成。蒸汽彈射器的能量（也就是“蒸汽”）既可來自航母的蒸汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，也能由專用的鍋爐來提供，但不論是哪種情況，這些蒸汽都需要先存儲(chǔ)在蓄壓罐中。這是因?yàn)椋細(xì)廨啓C(jī)或?qū)Ｓ缅仩t的功率并不能一直處于最大狀態(tài)，而且即便是最大功率也滿足不了彈射器瞬間所需的能量要求。所以，蒸汽彈射器系統(tǒng)通過蓄壓罐，將穩(wěn)定持續(xù)輸出的高溫高壓蒸汽在彈射作業(yè)時(shí)快速釋放，從而變成瞬間功率強(qiáng)勁的彈射能量。

這種“濕式蓄壓罐”，顧名思義除了貯存著高溫高壓飽和蒸汽外，還有液態(tài)水。液態(tài)水通常占罐體總?cè)莘e的18%，在彈射作業(yè)中隨著蓄壓罐內(nèi)蒸汽壓強(qiáng)的降低而迅速蒸發(fā)，以減緩高壓蒸汽壓強(qiáng)的下降速率。為維持必要的壓力梯度，蓄壓罐內(nèi)的蒸汽不可能全部用完。為了在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持罐內(nèi)蒸汽應(yīng)有的溫度和壓強(qiáng)，蓄壓罐本身還要有電加熱保溫裝置。

美國航母上的C-13-2型彈射器，每次彈射作業(yè)要消耗600多千克的高壓蒸汽，濕式蓄壓罐內(nèi)儲(chǔ)備的蒸汽可滿足2次全功率彈射或4次80%功率彈射的需要。調(diào)度蒸汽容量、保持蓄壓罐的最佳狀態(tài)也就成了航母戰(zhàn)備的一個(gè)重要而繁重的工作。貯存著數(shù)噸高溫高壓飽和蒸汽的蓄壓罐自然也是大噸位的大型壓力容器。C-13-2彈射器排除附屬蒸汽管道后凈重486噸，這其中的51.5噸就來自蓄壓罐。同時(shí)，在每部C-13-2的蓄壓罐與汽缸之間還有總重約28.6噸的蒸汽管道、功率選擇閥門，以及變速率蒸汽注入閥相連接。

功率選擇閥門可根據(jù)艦載機(jī)類型與起飛重量，在一定限度內(nèi)調(diào)節(jié)蓄壓罐與汽缸之間的最大蒸汽流量。而變速率蒸汽注入閥的作用則更是非同小可。試想，若彈射作業(yè)時(shí)只是簡(jiǎn)單地將蓄壓罐內(nèi)蓄積的高壓蒸汽開閘放出直通彈射汽缸，蒸汽勢(shì)必會(huì)如脫韁野馬般不受控制，不僅會(huì)因蓄壓罐和彈射汽缸內(nèi)蒸汽的同時(shí)膨脹、做功效率低，且在彈射行程的最初階段還會(huì)因汽缸活塞受力載荷過大，使艦載機(jī)結(jié)構(gòu)和飛行員身體所能承受的過載超過極限，從而發(fā)生危險(xiǎn)。變速率蒸汽注入閥的作用正是給高壓蒸汽套上了“韁繩”。

基于蒸汽膨脹規(guī)律、蓄壓罐內(nèi)溫度和壓強(qiáng)，以及彈射器的負(fù)荷重量，變速率蒸汽注入閥在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下，可快速精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)閥芯通流面積，控制蒸汽流量從小到大注入，有效地降低峰值過載，提高彈射功率。仍以C-13-2型蒸汽彈射器來看，得益于對(duì)蒸汽注入的高效控制，其彈射時(shí)的加速度峰值控制在了平均加速度的125%，極限過載不超過5g。也正是由于沒有響應(yīng)速度更快、流量率變化范圍更大的變速率蒸汽注入閥的出現(xiàn)，所以C-13-2型蒸汽彈射器的功率已接近目前蒸汽彈射器的性能極限。變速率蒸汽注入閥性能的長(zhǎng)期停滯不前，成為大功率蒸汽彈射器發(fā)展的真正技術(shù)瓶頸，直接導(dǎo)致C-13-2的最大彈射能量只能在100兆焦級(jí)別徘徊。

蒸汽彈射器的高可靠性

蒸汽彈射器是包含大量運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣的機(jī)械裝置，周期性地出現(xiàn)各類故障毫不令人意外。C-13-2雖為蒸汽彈射器家族中最為成熟完善的型號(hào)，但平均故障率仍接近2%。因此，每100次彈射需進(jìn)行一次視情檢查維護(hù);每300次彈射應(yīng)實(shí)施一次針對(duì)開縫汽缸、金屬密封條等易損部件的專項(xiàng)檢查維修;每500～600次彈射需展開一次中期保養(yǎng)，檢查彈射器汽缸的閉氣水平、運(yùn)動(dòng)部件的磨損程度，更換金屬密封條等;每1 200次彈射后要進(jìn)行一次大修，進(jìn)行重要部件的檢修、磨損部件的更換，汽缸內(nèi)部的重新膛光、活塞環(huán)的更換。美海軍航母具備海上大修彈射器的能力，比如中期對(duì)彈射器保養(yǎng)時(shí)彈性密封條的維修更換也能由艦上人員自行完成，但通常是在后勤保障設(shè)施完善的海軍基地進(jìn)行。

艦載機(jī)的彈射起飛過程其實(shí)是一個(gè)相對(duì)可控的過程，航母的航速、飛機(jī)的起飛重量、彈射時(shí)的蒸汽壓力等都是可事先確定的。決定艦載機(jī)彈射起飛的安全性只是在彈射開始后的兩秒多時(shí)間內(nèi)。在如此短的時(shí)間內(nèi)，彈射系統(tǒng)的部件出現(xiàn)故障的概率是很低的。“斯坦尼斯”號(hào)的C-13-2蒸汽彈射器在“伊拉克自由”行動(dòng)中的故障率僅為1.2%，每100次彈射循環(huán)只發(fā)生0.7次需要停止彈射作業(yè)、取消飛行任務(wù)的嚴(yán)重故障。年事已高的“企業(yè)”號(hào)在“持久自由”行動(dòng)中也創(chuàng)下了2970個(gè)作戰(zhàn)架次總體彈射完成率99.1%的紀(jì)錄。所以有著“蒸汽彈射器擁有高可靠性，迄今為止，沒有一架艦載機(jī)在近千萬次的彈射起飛中因裝置本身的故障而出事，彈射起飛的安全性甚至比從陸地上起飛還要高一些”的說法。

雖說目前的蒸汽彈射器性能稱得上成熟可靠，但使用中在細(xì)枝末節(jié)上還有諸多限制，比如為了避免彈射作業(yè)時(shí)對(duì)汽缸活塞形成較大的側(cè)壓，在2級(jí)海況下航向與側(cè)風(fēng)的角度就要求小于35°。航母的縱傾角度低于0°時(shí)禁止彈射，達(dá)到-1.5。以下則禁止使用。彈射器可使用的最高海況僅為4.5級(jí)，6級(jí)海況下的緊急出動(dòng)必須獲得艦隊(duì)司令批準(zhǔn)。

一部蒸汽彈射器的使用，需要百余名訓(xùn)練有素的官兵在上下兩層甲板的戰(zhàn)位中高度配合、協(xié)調(diào)統(tǒng)一展開作業(yè)。美海軍的航母持續(xù)彈射周期可達(dá)到5分鐘，架的操作水平，而一般缺乏訓(xùn)練的國家彈射周期長(zhǎng)達(dá)7～10分鐘。由于單臺(tái)彈射器的彈射周期比較長(zhǎng)，不利于艦載機(jī)起飛后的空中編隊(duì)，所以通常航母都至少需要2部彈射器，也互為備份。美國海軍的核動(dòng)力航母采用4部彈射器，可以在2分鐘內(nèi)出動(dòng)4架飛機(jī)，5分鐘內(nèi)出動(dòng)8架飛機(jī)，30分鐘內(nèi)出動(dòng)32架飛機(jī)，這也是當(dāng)下固定翼艦載機(jī)出動(dòng)率的巔峰水平。

蒸汽彈射器驚人的淡水消耗

C型開縫汽缸即便有巧妙的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但也不可能做到完全的密閉，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)允許有一定的漏氣率。隨著密封條技術(shù)的逐漸完善，彈射作業(yè)中的漏氣量已下降至每條開縫汽缸每秒28千克以內(nèi)。蒸汽彈射器在開始工作前首先要進(jìn)行預(yù)熱，使開縫汽缸的整體溫度與蓄壓罐內(nèi)的高壓蒸汽持平，以避免溫度差異導(dǎo)致的非均勻熱膨脹，降低汽缸活塞與汽缸壁間的相互磨損。在加熱上速度又不能過快，以免熱應(yīng)力損傷汽缸結(jié)構(gòu)。濕式蓄壓罐在加注蒸汽前也需要緩慢地分階段預(yù)熱至工作溫度。

C-13-2型彈射器，每次全功率彈射大約需要200～280立方米（600千克）的高壓蒸汽，其中絕大部分是在彈射過程中被消耗掉的。彈射完成后，每條開縫汽缸內(nèi)殘留的200余千克蒸汽通過快速泄壓閥迅速排入體積約100立方米的加壓溫度梯度冷凝器，結(jié)露為液態(tài)水。由于混有潤(rùn)滑油等污染物，這些水只能用于航母甲板和廁衛(wèi)設(shè)備的沖洗。而彈射作業(yè)中的用水大戶其實(shí)是作為汽缸活塞剎車裝置的水剎，一次彈射作業(yè)就要消耗2噸多的淡水。

由于蒸汽彈射器對(duì)高溫高壓蒸汽的高強(qiáng)度消耗，當(dāng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)彈射器的“動(dòng)力源”，也就是航母的動(dòng)力系統(tǒng)就會(huì)構(gòu)成極大的壓力。即便是美國海軍的超級(jí)航母，若以每分鐘2架的頻率彈射起飛艦載機(jī)，16分鐘內(nèi)便會(huì)因蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽壓強(qiáng)過低而喪失彈射能力，需要25分鐘補(bǔ)充蒸汽才能重新開始艦載機(jī)彈射起飛作業(yè)。

蒸汽彈射器的制造難點(diǎn)

2條平行排列的C型開縫汽缸是彈射器的核心，是要承受巨大應(yīng)力的高強(qiáng)度精密金屬構(gòu)件，也是公認(rèn)的加工制造難點(diǎn)。C型開縫汽缸每一次彈射都要經(jīng)歷加壓、減壓的過程，開縫汽缸的開槽處的變形是避免不了的，那么就要保證開縫汽缸在頻繁加壓減壓過程中的變形量保持一致，以避免影響活塞的順暢運(yùn)動(dòng)。但彈射器的汽缸由20多個(gè)4米長(zhǎng)的分段拼接而成，保證這幾十個(gè)汽缸的加工精度、安裝精度和變形量均保持規(guī)律一致，這對(duì)制造工藝水平要求之高可想而知。

開縫汽缸的不銹鋼分段，在鑄造完成后需要進(jìn)行3次熱處理，以獲得一致的熱膨脹形變模式，避免在運(yùn)行過程中出現(xiàn)非均勻性磨損。各分段的加工精度需優(yōu)于0.05毫米，對(duì)接誤差不得超過0.001毫米，安裝到位后由專用鏜光機(jī)器人對(duì)內(nèi)壁進(jìn)行為期1年、先粗后細(xì)的精確打磨，從而確保汽缸工作面的光潔平滑和極高圓形度，以減少汽缸與活塞之間的靡擦阻力，提高彈射系統(tǒng)整體閉氣水平。

蓄壓罐雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，沒有活動(dòng)部件，但其作為大尺寸的高壓容器，要承受幾十萬次的高溫高壓蒸汽的增壓、卸壓的疲勞循環(huán)，因此不僅材料上必須要有很好的蠕變性能和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)在制造設(shè)備和焊接工藝等方面還有著特殊的高要求。蓄壓罐的加工工藝相當(dāng)繁瑣，先將沖壓后的鋼錠反復(fù)鍛壓制成環(huán)節(jié)狀，經(jīng)車削加工后，再將幾個(gè)環(huán)節(jié)焊成筒體，兩邊的封頭再用萬噸以上的水壓機(jī)整體壓出或分塊壓出，然后經(jīng)過切削加工再焊接而成。近十幾年來出現(xiàn)了板纏繞制罐工藝，就是用高強(qiáng)度合金板一層一層纏繞成罐體，這種方法相對(duì)簡(jiǎn)化了過去復(fù)雜繁瑣的制造工藝，制造難度有所下降。但看似平常的蓄壓罐的制造難度依舊不小，特別是其所用的耐高溫特種合金鋼，目前只有幾個(gè)國家才能制造。

可見，盡管蒸汽彈射器的原理簡(jiǎn)單、構(gòu)造也并不復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)參數(shù)和細(xì)節(jié)上是難點(diǎn)，也是高度保密的，在制造上對(duì)冶金、加工和裝配等工業(yè)系統(tǒng)的水平也是高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求。同時(shí)，由于蒸汽彈射器的部件與其它軍用或民用的產(chǎn)品通用性并不高，乃至汽缸及活塞、蓄壓罐，密封條、蒸汽管路、橡膠條、種類繁多的閥門等都需要專門研制。這就造成彈射器生產(chǎn)成本很高。加之，除目前的美國外，其它國家對(duì)蒸汽彈射器的裝備需求并不大，并沒有批量生產(chǎn)的需要。所以蒸汽彈射器自行研制的成本更是走高，就像法國，其從美國購得的C-13-3型蒸汽彈射器大約為1.2億美元，若自行研制、制造預(yù)計(jì)將花費(fèi)15億美元。

“遼寧”艦與蒸汽彈射器的無緣

蒸汽彈射器作為笨重而復(fù)雜的機(jī)械裝置，一套系統(tǒng)總重量達(dá)500余噸，安裝在航母飛行甲板下的甲板層，所需的空間在1100余立方米以上。由于其艦體安裝位置相對(duì)較高，不在艦體浮力中心軸線的位置，需要專門考慮彈射器對(duì)航母浮力平衡和穩(wěn)定性的影響。2014年4月，我國第一艘航母“遼寧”艦駛?cè)氪筮B港，在靠泊碼頭轉(zhuǎn)入干船塢后，各類工程車輛和施工設(shè)備出現(xiàn)在飛行甲板上，開始了“遼寧”艦的維修保養(yǎng)工作。隨后“‘遼寧’艦改裝彈射器”這一個(gè)老話題再次被推到了風(fēng)口浪尖。但這種大家熱切期盼的老傳聞終未成真，正是基于上述原因。

如果要在“遼寧”艦的斜角甲板區(qū)改裝彈射器，一套系統(tǒng)就使得左舷艦體高位增重500多噸。“遼寧”艦的前身“瓦良格”號(hào)在設(shè)計(jì)之初未曾設(shè)想過彈射器的上艦，更沒有預(yù)留安裝彈射器的位置。所以要在“遼寧”艦的斜角甲板上安裝蒸汽彈射器，最基本的表面工作就是切開飛行甲板，然后對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的鍋爐進(jìn)行改造，要安排蒸汽管路的布置，要在甲板下方機(jī)庫中騰出安裝體積龐大的彈射系統(tǒng)的空間，要對(duì)很多的艙室進(jìn)行改動(dòng)并重新調(diào)整整艦的壓艙平衡。

這一番“大改”，對(duì)這艘飽經(jīng)滄桑后剛重生的老艦，恐怕會(huì)是不可承受之“痛”。更何況從“全局”、從我國海軍的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃來看，我國海軍艦艇裝備的更新?lián)Q代都是成熟穩(wěn)健的“小步快跑”?！斑|寧”艦的改裝入役、海試訓(xùn)練的全程都有著中長(zhǎng)期規(guī)劃，整個(gè)進(jìn)度都有進(jìn)度控制、節(jié)點(diǎn)定位。剛?cè)胍鄣摹斑|寧”艦，若返港再大改加裝蒸汽彈射器，不僅重復(fù)浪費(fèi)改裝費(fèi)用，而且會(huì)占用寶貴的科研試驗(yàn)訓(xùn)練時(shí)間，影響“遼寧”艦現(xiàn)有的訓(xùn)練使用效率。

蒸汽彈射器周圍的法蘭、螺栓、螺母等緊固件受到高溫高壓蒸汽、腐蝕性的海水和海洋大氣、燃料、潤(rùn)滑劑、洗滌劑等多種介質(zhì)的作用，極易產(chǎn)生腐蝕。因此其制造上不僅要選用耐腐蝕的材料，還要做鍍鎳或鎘或鋅的防腐涂層。

蒸汽彈射器與我國的常規(guī)動(dòng)力航母

目前我國海軍常規(guī)動(dòng)力航母“遼寧”艦上使用的8臺(tái)重油鍋爐，工作壓力為6.4兆帕，參考美國航母的標(biāo)準(zhǔn)來看，可滿足汽缸內(nèi)徑為457毫米的C-13-1型彈射器實(shí)現(xiàn)接近66兆焦的最大彈射能量，或者支撐汽缸內(nèi)徑533毫米的C-13-2實(shí)現(xiàn)90兆焦級(jí)。這一性能數(shù)據(jù)，足以支持滿載的殲-15“飛鯊”戰(zhàn)斗機(jī)和固定翼艦載預(yù)警機(jī)的彈射起飛。但以常規(guī)動(dòng)力航母的蒸汽輪機(jī)作為彈射器的高溫高壓蒸汽來源，燃油經(jīng)濟(jì)性的問題還是不能回避的。

航母在典型巡航速度時(shí)所需消耗的機(jī)械功率僅為全速航行時(shí)的1/5～1/4，所以巡航中的常規(guī)動(dòng)力航母往往會(huì)將8臺(tái)鍋爐關(guān)閉若干或一半。但問題是此時(shí)的輸出功率在驅(qū)動(dòng)4臺(tái)蒸汽渦輪和滿足全艦電氣系統(tǒng)的基本需求之后已所剩無幾，無法承受連續(xù)彈射起飛艦載機(jī)的蒸汽消耗。而若在軍情緊急時(shí)再啟動(dòng)處于休眠狀態(tài)的鍋爐需要2個(gè)小時(shí)，所以常規(guī)動(dòng)力航母進(jìn)入需要高度戒備的戰(zhàn)區(qū)后，就只能選擇極度浪費(fèi)燃料的8臺(tái)鍋爐全力運(yùn)轉(zhuǎn)模式，后勤保障壓力也隨之劇增。這也是美國發(fā)展不受燃油經(jīng)濟(jì)性和燃油保障困擾的核動(dòng)力航母的重要緣由之一。[編輯/山水]