微觀航母之彈射器發展史

希弦

目前蒸汽彈射器的結構與性能都已成熟，單從機械角度看已達到性能的頂峰。彈射器，與斜角甲板、光學助降系統已定性為目前航母的“頂配”。特別是彈射器技術，目前已是美國一枝獨秀，是其航母戰斗力的核心標志之一。美國海軍航母彈射器的技術發展歷程，與此前《微觀航母》系列文曾介紹的斜角甲板、光學助降系統多有類似，也是“航母技術大國”的英國與“航母技術強國”的美國在互通著有無。彈射器的發展歷程除了前衛的電磁彈射器和最熟知的蒸汽彈射器外，向前回溯曾有過作為“主流”或“試錯”而發展的液壓彈射器、火藥彈射器、壓縮空氣彈射器，也有過飛輪彈射器、燃氣彈射器、噴氣彈射器這樣的“花絮”。

非主流的早期彈射器

梳理彈射器的發展歷程，依舊是沿襲著“戰場需求牽引武器研發”的規律。在艦載機從雙翼機、單翼活塞機，向噴氣式、超音速演變的這一過程中，戰場需求“牽引”推動著用于輔助艦載機起飛的彈射器的研發和進步。但彈射器發展的開端，并不是為航母而生。這是因為，當時艦載機的載機平臺還不是航空母艦，而是諸如戰列艦、巡洋艦等昔日海上編隊的旗艦。當時，艦載機是艦隊指揮官的“空中的眼睛”，用來對敵方海上編隊搜索偵察、跟蹤監視，以及在巨艦重炮“對轟”中進行火力測距和校射。即便是在航母出現的早期，由于其載機數量仍有限，巡洋艦、戰列艦搭載的飛機還是艦隊空中能力的有益補充，航母上的艦載機則集中力量來完成戰斗和攻擊任務。

1911年，英美兩國海軍的軍官們都提出了利用自由落體的平衡物來給飛機加速的彈射器構想。這種構想與冷兵器時代攻城戰中所使用的拋石機原理類似，但這種設計只停留在紙面和發明專利中。利用重物下墜的加速度，再通過轉輪上繩索纏繞直徑的不同來放大力量和速度，這理論上固然可行，但重物要能做到彈射飛機，其重量應是飛機重量的幾倍，而且還需要垂直的下墜空間，這在搖擺不定的海上是很難想像的。

但在美國海軍，以華盛頓·錢伯斯上校（Washington Chainbers）、西奧多·埃瑞森（Theodore Ellyson）上尉以及格倫·寇蒂斯（Glenn Curtiss）為首的團隊并未放棄這一想法。他們將提供動力源的重物砝碼變換成壓縮空氣推動的氣缸，利用氣體膨脹推動轉盤帶動繩索，通過壓縮空氣的壓力和噴射量來調節彈射力量的大小。這個設計最后獲得了美國海軍技術辦公室的認可，并開始了實物的研制試驗工作。壓縮空氣彈射器由華盛頓海軍造船廠制造完成后，在安納波利斯的美國海軍學院組裝完畢。

1912年7月31日，壓縮空氣彈射器進行了第一次彈射試驗。好消息是作為試飛員的西奧多·埃瑞森成為了彈射器系統彈射推出的第一位飛行員。但壞消息是彈射器瞬間的（而非漸進的）加速度產生了突然的升力，使離開彈射器的“寇蒂斯”雙翼機的機頭明顯上揚，最終失速墜機。幸運的是，埃瑞森成功脫險無大礙。這次失敗后，壓縮空氣彈射器返回華盛頓海軍造船廠進行了改裝，加裝了一個閥門來保證只有在彈射行程到1/3時彈射器才會產生最大推力。

1912年12月12日，埃瑞森駕駛著“寇蒂斯”從停靠在阿納卡斯蒂亞河（華盛頓海軍造船廠附近）上的煤駁船上成功彈射起飛。1915年，美國海軍的“北卡羅來納”號巡洋艦成為世界上第一艘安裝了飛機彈射器的艦艇。1915年11月5日，亨利·馬斯廷（Henry Musfin）駕駛“寇蒂斯”AB-2水上飛機成功地從在彭薩科拉灣航行的“北卡羅來納”號的后甲板上彈射起飛。之后，壓縮空氣彈射器的發展由于資金和戰事的問題出現了停滯。

一戰后，美國海軍重啟了彈射器的研發，并在1921年將這種壓縮空氣彈射器定型為A系列，許可了制造生產。由此到20年代，幾乎所有的美國海軍的戰列艦和巡洋艦上都加裝了彈射器。最初的MKl型彈射器，彈射行程在20米左右，推力1600千克左右，彈射的末速度超過74千米/小時。隨著壓縮空氣儲量和壓力的提高，A系列彈射器的終極型號MK4型，推力已達到了2800多千克，彈射末速度達到了98千米/小時。但隨著飛機的起飛重量和起飛速度的不斷提高，這種儲能較低的壓縮空氣彈射器已遇到技術瓶頸，已不能滿足戰場需求。

美國海軍的注意力由此轉向了能量密度更高的火藥彈射器。但火藥彈射器在彈射器的發展史上只是“曇花一現”。火藥已經過較長時期的軍事應用，性能已成熟穩定可控。經過一系列試驗和測試，通過調整裝藥量和增加轉盤的質量，有效地“馴服”了爆燃速度太快的火藥，不會使火藥彈射器突然增加的推力超過飛機結構和飛行員承受的限度。1924年12月14日，安裝在“密西西比”號戰列艦的火藥彈射器成功地將海軍飛行員費勒斯上尉（W.M.Fellers）駕駛的馬丁MO-1飛機彈射升空。

但火藥彈射器的問題是：火藥的膨脹力雖然比較大，彈射末速度提高較快，但火藥爆轟持續時間太短，彈射負荷的重量很難增加，P系列火藥彈射器中彈射推力最大的MK5型也只有3000千克的推力。另外，由于P系列火藥彈射器采用的開式膨脹循環，彈射過程中火藥燃燒產生的氣體是直接排出的，只能在甲板上使用，并不適于在當時航母的甲板下安裝操作使用。也因此，火藥彈射器一直未能完全取代壓縮空氣彈射器。但火藥在能量密度上的優勢，讓美國海軍對其念念不忘，在戰后發展的彈射器中仍有所應用。

此間英國海軍對彈射器技術的發展也是興趣盎然，雖然相對美國稍有幾年滯后，但在節奏上一樣。英國彈射器的結構方案，起初雖有電力、水力和壓縮空氣的設想，但最終在1917年定型并進行了飛機彈射試驗的還是壓縮空氣彈射器。隨后在聽聞美國火藥彈射器的成功應用后，英國海軍也推出了相應的型號。

在彈射器即將邁入二戰時期的“液壓彈射”時代之前，美國海軍航母還曾有飛輪式彈射器的“花絮”。理論上，利用飛輪慣性儲能、摩擦傳遞的彈射器設計方案具有平穩可控的大牽引力和高彈射末速度的優點。飛輪式彈射器采用一個6噸重的水平順時針旋轉的飛輪，由粗壯的軸承穩固地安裝在甲板下層，啟動時讓飛輪高速旋轉，通過控制多個面積不同的摩擦盤來控制力的大小，彈射力通過纏繞在輪軸上的纜繩傳遞給飛機。

1932年，飛輪式彈射器在陸上機場通過測試后，安裝到了CV-2“列克星敦”號和CV-3“薩拉托加”號航母上，其彈射沖程20米，彈射重量可以達到4540千克，末速度64千米/小時。較于此前的彈射器，飛輪式彈射器在彈射推力上的提升明顯，但缺點更明顯。甲板下重達6噸的高速旋轉的飛輪，對艦艇的穩定性很不利。另外，摩擦盤的磨損、震動等諸多方面的機械性問題，再加上性能提升潛力不大，其最終只是彈射器技術發展史上的曇花一現。

大型彈射器的開端——液壓式

20世紀30年代是機械技術發展的高速期，各種原理的新設計層出不窮。就液壓技術而言，其在海軍中的應用已無所不在，從數千Ⅱ屯重巨炮的炮塔轉向到電梯升降，高壓和超高壓液壓技術都在成熟中。最終，美國海軍在第三代彈射器的發展上選擇了由奧的斯電梯公司的工程師福克蘭·凱瑞（Falkland Cary）設計的液壓式。液壓式彈射系統的出現標志著彈射器大型化的開端，也意味著其應用平臺已由戰列艦巡洋艦等業余載機平臺轉向了新一代海上旗艦——航空母艦。

隨著航母的艦載機由雙翼機升級為單翼機，全金屬機體結構、螺旋槳艦載機的起飛重量越來越重，所需要的跑道也越來越長，特別是載彈量更大的俯沖轟炸機和魚雷攻擊機。美國海軍航母上也開始考慮安裝彈射器。在二戰前夕，美國海軍中有約60%的艦隊航母安裝了彈射器。但當時對航母指揮官來說，彈射器的作用還并不明顯。“全甲板攻擊”戰術下的艦載機編隊，大多數情況還青睞以傳統的隊列起飛，以最快的速度投送最大的攻擊數量。

但到了二戰末期，航母艦載機中已有40%采用彈射起飛，和戰前的不到6%反差明顯，這主要是源于艦載機性能的提升、更大更重，也需要更長的跑道。比如，“復仇者”魚雷轟炸機，當甲板風速為56千米/小時時，滿掛載的“復仇者”需要150米的跑道即可起飛，但當甲板風速降為9千米/小時時，“復仇者”就需要200米的跑道才能起飛，這樣就會減少甲板的停機量，進而減少一個波次的出動數量，影響戰斗力。那么，這個時候彈射器的作用就凸現出來了。彈射器可以讓“復仇者”在5.6千米，小時甲板風的情況下滿載起飛，打擊波次的艦載機數量得到了保證。

美國海軍液壓彈射器的基本工作方式，是先通過高壓動力源來擠壓、驅動液壓油，再以高速流動的液壓油推動活塞，借由活塞的高速移動帶動一系列復雜的滑車、滑輪與纜線機構，然后利用與纜線連接的彈射梭帶動、牽引飛機加速。美國海軍的首臺液壓彈射器的工程樣機在1935年試制完成，其優點不僅是體積上的緊湊，維護上的較為方便，而且在性能上只需要113米的距離就可以將2500千克重的飛機推進到72千米，小時的速度。液壓的能量可以由火藥或鍋爐的蒸汽提供，也可以是自增壓的壓縮空氣瓶，還可以是電動機。美國海軍認可了這種潛力巨大的彈射器的表現，并定型開始裝備H系列液壓彈射器。改進的MK2-1型性能又得到了很大的提高，彈射沖程增加到了24.4米，彈射能力提升到了5000千克和113千米/小時的末速度，成為美國二戰初期最好的彈射器。

專門為超級航母“埃塞克斯”級專門設計的MK4型液壓彈射器，其彈射能力通過彈射功率調節器可以在1600千克到7300千克之間調節，彈射沖程增加到31.7米，末速度為145千米/小時。MK4型可以彈射當時航母上從F4F“野貓”到“復仇者”魚雷轟炸機的所有主力戰機。MK4在取消了彈射功率調節器、結構簡化后衍生出了MK5型液壓彈射器，其不僅用于護航航母，還用于海軍的小型機場上。在美國海軍太平洋戰爭的“跳島戰術”中，在硫磺島、沖繩和諾曼底等登陸戰的灘頭陣地的臨時機場、野戰機場上，都有MK5型液壓彈射器的身影。

二戰結束以后，噴氣式飛機的潮流襲來，飛機起飛速度越來越高，起飛重量也越來越大。1945年底，美國海軍新一代H系列MK8型液壓彈射器由此誕生了。該型彈射器堪稱液壓彈射器技術的巔峰，能夠達到6820千克的彈射重量和193千米，小時的末速度，安裝在經現代化改裝的“埃塞克斯”級航母上，勉強滿足了第一代艦載噴氣機的彈射需求。MK8型液壓彈射器彈射沖程已經達到53.1米，隨著艦載機技術的進步，艦載機的起飛重量已邁入10噸、20噸的級別，液壓彈射器的性能潛力已基本被挖盡。

在戰后美國海軍設計的超級航母“美國”號上，計劃搭載的是H系列最后一款MK9型液壓彈射器。其定下的性能指標是，45噸彈射重量、144千米，小時的末速度或者20噸彈射重量、194千米，小時末速度（這是噴氣式艦載機的最低起飛速度）。MK9型的彈射沖程達到了70米，加上附屬延伸距離一共90米。雖然MK9研制出樣機并安裝到“中途島”號航母上進行了試驗，但故障率居高不下，彈射速度也不足。

對液壓式彈射器而言，為提高彈射能力，就必須采用更高的液壓工作壓力，以便提高活塞的推進速度，還要增加滑輪組的纜線纏繞比等措施，借以提高活塞驅動滑輪一纜線機構的牽引能力。但這樣一來，相關的活塞、滑車、滑輪、纜線等部件所要承受的載荷、以及尺寸和重量都會隨之攀升，勢必造成整套彈射器越來越龐大笨重。這對于上世紀50年代的制造工藝與材料技術，也將是一大挑戰。另外，液壓彈射器使用的液壓油，在高速流動推進時容易出現沸燃現象，在安全性與可靠性上都存在問題。液壓油推動的活塞速度在提高到一個上限后，效率上也開始迅速下降。因此，繼續提高液壓作業壓力所能帶來的效益已很有限。對于美英海軍而言，急需發展采用全新工作機制的新型彈射器。

開槽汽缸式設計的出現

戰后美國海軍對新一代彈射器的開發，除了繼續液壓彈射器的改良型外，還有電力驅動的彈射器設計以及繼續采用火藥作為動力的開槽汽缸式設計。最后一個選項才是蒸汽為動力的開槽氣缸式彈射器（也就是蒸汽彈射器）。

美國海軍重點發展的開槽汽缸式彈射器，其技術源于二戰時期的德國。二戰后期，德國V-1巡航導彈的發射就采用開槽汽缸式彈射器的彈射，以過氧化氫一過錳酸鈉混合液體的化學反應產生的高壓氣體作為動力來推動活塞，然后活塞再帶動V-1巡航導彈加速升空。二戰結束后，美軍將繳獲的V-1巡航導彈系統帶回了本土并展開相關研究和測試。

美國發展的以火藥作為動力的開槽汽缸彈射器，其圓管狀汽缸的上表面有長度接近整個汽缸全長的溝槽，通過火藥爆炸產生的氣體壓力，便可驅動活塞沿著汽缸高速移動。活塞頂部則被制成鉤狀外形，伸出到汽缸溝槽，并通過牽引鋼索與飛行甲板上的飛機連接，利用高壓氣體壓力推動活塞沿著汽缸高速移動，便能牽引飛機加速。這樣汽缸中的活塞從高壓氣體獲得的彈射力就直接傳遞給了艦載機，不再需要液壓彈射器中復雜的滑輪一纜線機構，簡化了結構，降低了重量。

在推動汽缸活塞的動力來源上，相較于德國的通過化學反應產生的高壓氣體、英國的使用艦艇主機鍋爐產生的蒸汽，美國海軍之所以延續了此前采用的火藥，是認為火藥占用的重量與空間都更小，通過引爆火藥直接產生高壓氣體，比危險的混合液體化學反應或鍋爐蒸汽動力方式更為簡單直接、性能穩定可靠。

美國海軍從1945年便開始發展利用火藥作為動力的開槽汽缸式彈射器，但直到1951年才推出了第一套原型彈射器系統C1型。通過多次實際測試，C1展現出了可將13.6噸重物加速到111千米/小時的性能。盡管試驗中還存在許多問題，但美國海軍認為用火藥作為動力的開槽氣缸式彈射器的設計可行，存在的問題可以通過技術改進解決。美國海軍計劃發展兩型這樣的彈射器，用于下一代航母“福萊斯特”級和“埃塞克斯”級的SCB-27C現代化升級改造中。一種是大功率具備31.8噸（7萬磅）級彈射能力的、用于彈射大型轟炸機的C7型，另一種是低功率18.1噸（4萬磅）級彈射能力的、用于彈射戰斗機的C10型。在“福萊斯特”級上預計安裝C7與C10各兩部，在“埃塞克斯”級改裝中預計安裝2部C10。

雖然美國海軍對這種以火藥為動力的開槽汽缸式彈射器的發展抱以極大的熱情和樂觀，但在技術發展中卻遭遇諸多遲遲無法解決的問題，未能有突破性進展。以火藥為動力的開槽汽缸式彈射器主要面臨兩方面的問題：如何安全地利用火藥產生推動活塞的高壓氣體：在活塞運動時如何保持汽缸的密封，以免氣體外泄導致壓力下降。使用火藥作為彈射器的動力來源，就要面對大量彈射用火藥的儲存問題，必須設置專用的火藥庫與相關處理設施。出海部署中大強度高頻的彈射作業，就需要航母攜帶足夠量的彈射用火藥，這勢必會占用寶貴的艦體內部空間，并帶來額外的危險。在火藥的使用、高壓氣體的產生過程中，火藥的藥室勢必會產生高溫，藥室過熱就會限制彈射器的作業頻率，而彈射器又是航母上必須要頻繁使用的一項裝備。

對于汽缸的密封問題，在“原型”德國V-1巡航導彈的彈射器上，由于彈射要求并不高，采用簡單的汽缸開槽密封機構即可滿足要求。但美國海軍發展的以火藥為動力的開槽汽缸式彈射器，卻要將重達二三十噸的轟炸機彈射出去，開槽汽缸密封機構的設計就成為彈射器設計上的重點也是難點。當火藥引爆產生高壓氣體推動活塞時，需要恰當地“開啟”與“密閉”汽缸開槽，以便使伸出開槽外的活塞頂部掛鉤，既能沿著汽缸開槽運動借以帶動彈射滑塊，又能不破壞汽缸的密封。由于開槽貫穿整個汽缸，要保持汽缸的密封是非常困難的。最終美國海軍的工程師始終無法解決上述問題。

不過，同時期英國開發的蒸汽彈射器已經顯露出更高的實用性與發展潛力。蒸汽彈射器也是開槽氣缸式彈射器，只不過是選擇了鍋爐產生的高壓蒸汽作為推送活塞的動力。把主機鍋爐產生的一部分蒸汽分給彈射器使用，將造成主機可用的推進功率減少，導致航母的航速下降。但相較于蒸汽彈射器所帶來的效益，這樣的代價仍是完全可接受的。英國在開槽氣缸式彈射器的發展上，不僅是正確地選擇了以航母本身主機鍋爐產生的高壓蒸汽作為彈射器的動力，更為關鍵的是科林·米切爾（Colin Mitchell）創新地解決了開槽汽缸的密封問題，置于汽缸開槽上的金屬制密封條搭配汽缸蓋板一舉解決了活塞通過性與汽缸密封性的問題。

米切爾的設計稍后演變為代號BSX的蒸汽彈射器原型。1950年英國海軍在“巨人”級輕型航母“英仙座”號上改裝了一部全長61.9米（203英尺）的BSX-1蒸汽彈射器，隨后開始蒸汽彈射的初步測試，從靜負載的彈射滑車的彈射試驗開始，到無人駕駛飛機的彈射，再到1951年年中開始的彈射有人駕駛飛機。鑒于“英仙座”號的試驗成果，美國海軍在1952年1月邀請作為蒸汽彈射器技術展示艦的“英仙座”號訪美，在費城海軍船廠和諾福克進行了性能展示。“英仙座”號在美國進行了大約140次的彈射測試，美國海軍的F2H、F3D、F9F-2等機型成功進行了蒸汽彈射測試。

“英仙座”號結束了在美國的性能展示活動后，同年4月美國便決定向英國采購5部BSX蒸汽彈射器，以及引進后在本土自行制造。BSX蒸汽彈射器的美國版編號為C11。由此，蒸汽彈射器開始在美國海軍中生根發芽，又發展出了C11 Mod.1、C7、C13 Mod.1、C13 Mod.2，以及蒸汽彈射器最高技術成就的代表C13 Mod.3型。

蒸汽彈射器雖然彈射能力強，但也有明顯缺點，不僅極為笨重，維護人數多，而且彈射作業需要消耗大量蒸汽、難以持續高強度作業。鑒于此，美國海軍在50年代還曾試圖以體積更小、重量更輕、功率更大的內燃彈射器來取代蒸汽彈射技術。內燃彈射器與火藥彈射器本質上多有神似，彈射器的動力也來自于化學能，是將JP-5航空燃油、壓縮空氣與水的組合作為推進劑，將三者持續噴射到燃燒室中，燃燒的航空燃油與燃燒室中的水產生高溫高壓氣體，通過噴口噴射到氣缸中，推動活塞和彈射滑塊帶動艦載機運動。

由于液體燃料的能量釋放密度比蒸汽儲能密度高出數百倍，所以內燃彈射器的功率更為強大，對淡水的消耗更少。內燃彈射器通過對燃料和氧化劑的調節，即可調節氣體的流量、壓力，對彈射能力的調節范圍更大。由于內燃彈射器不再像蒸汽彈射器那樣需要蓄壓罐、功率選擇閥門、變速率蒸汽注入閥以及蒸汽管線等，明顯減少了系統的體積和重量。但內燃彈射器彈射作業需要解決系統的散熱問題，如果冷卻系統不能短時間內將燃燒室的溫度降下來，系統就會因過熱而延長彈射作業間隔。最終，原計劃在“企業”號以及后來的核動力超級航母上裝備的C14型內燃彈射器，因為受限于當時技術水平造成的低可靠性，以及C13系列蒸汽彈射器性能的日趨成熟穩定，而未能裝備，美國海軍也在60年代徹底取消了內燃彈射器的研制發展計劃。