微觀航母之彈射器發展史

希弦

在前兩期的文章中，對彈射器的大體技術、發展歷程已做了相關介紹。那么，在此基礎上這期的內容就是對蒸汽彈射器（也是下一步我國海軍將要發展的）的技術細節做集中介紹。

蒸汽彈射器主要由蒸汽系統、彈射（發動）機系統、潤滑系統、液壓系統、復位發動機系統與驅動系統、首輪拖曳系統以及彈射控制系統等幾部分組成。

蒸汽系統是蒸汽彈射器的動力源，用來向彈射機系統（Launching Engine System）提供蒸汽，它一般由2個濕式蓄壓罐（或4個干式蓄壓罐）、彈射器溝槽預熱系統、蒸汽滅火系統，以及相關的各類閥門與蒸汽管路組成。對于蒸汽系統的核心部分“蓄壓罐”，在第5期《微觀航母之彈射器雜談》一文中已有介紹。那么，在這里對蒸汽系統重點介紹的是，關乎整套彈射系統所能提供的彈射力/彈射能量的工作壓力（也就是蒸汽的壓力）。

美國在C-7、C-11、C-13系列蒸汽彈射器上對于蒸汽系統工作壓力的選擇曾經歷了從低壓到高壓，然后又回歸低壓的過程。第一代的C-7、C-11型，為了適應“埃塞克斯”級、“福萊斯特”級首艦上沿用的二戰時期的600psi（磅/平方英寸，美式壓力計量單位）蒸汽渦輪主機的舊規格，采用的都還是550psi的工作壓力。隨著戰后新建航母的主機蒸汽鍋爐的壓力提升到了1 200psi的標準，為在新一代C-13系列蒸汽彈射器的發展上采用更高的工作壓力、獲得更大的彈射能力創造了可能。

C-13型蒸汽彈射器的彈射行程與上一代的C-7型相同，都是76.2米（250英尺），但C-13型在最大工作壓力1 000psi下可將22.68噸（5萬磅）重物以140節的末速度彈出。相較而言，C-7型在其500psi最大工作壓力下彈射同等重物只能達到131節末速度。若以130節末速度為標準，C-13可彈射的重量可達到32.66噸。在彈射器的彈射行程延長到了94.5米（310英尺）的C-13-1型上，在以900psi工作壓力下彈射22.68噸（5萬磅）時可達到150節的末速度。

借助顯著增強的彈射能力，C-13-1型彈射器擁有了將34.02噸（7.5萬磅）等級的艦載機加速到140節末速度的能力。如彈射A-3“空中戰士”、A-5“民團團員”（題圖）或F-14“雄貓”等重型艦載機時，可在無甲板風環境、不依靠迎頭甲板風的幫助下，直接憑借C-13-1彈射器的強大功率彈射升空。在C-13-1型彈射器的發展中，隨著“濕式蓄壓罐”取代“干式蓄壓罐”，彈射器的性能又有了一定的提升。在滿足性能要求的前提下，彈射器的工作壓力也在逐漸降低，從1 000psi降到900psi，再降到 800psi。

在“尼米茲”級核動力航母上，為了更好地適配作為“蒸汽源”的反應堆的工作狀況，彈射器的工作壓力進一步降低到了520psi。較于常規動力航母中直接引入主機鍋爐的蒸汽，核動力航母上需要借助蒸汽發生器來將核反應堆的二次冷卻循環回路的水加熱沸騰，所產生的蒸汽壓力只能達到600psi。在此前的“企業”號核動力航母上，為支持其1 000psi工作壓力的C-13蒸汽彈射器，不得不引入了輔助加壓措施。這不僅增加了彈射器相關機構的復雜性，而且還加重了反應堆的工作負擔，降低了核反應堆的堆芯壽命。

所以在“尼米茲”級上使用的C-13-1型蒸汽彈射器，美國海軍決定將其工作壓力一舉降到520psi，以便直接使用來自反應堆加熱的蒸汽，無須另外搭配輔助措施。在大幅降低彈射器的工作壓力后，主機不需要提供那么高溫高壓的蒸汽，各管路元件承擔的壓力負荷由此減輕，這對于改善相關管路元件的成本、壽命與作業安全都是有益的。

在蒸汽壓力的標準已經固定下來、受限于航母的彈射行程（300～310英尺）已不能再延長的大前提，美海軍在C-13-2型彈射器的發展上若想再提升彈射器的彈射能力，可行的方式是擴大彈射器汽缸的直徑尺寸。此前英美兩國發展制造的所有蒸汽彈射器的汽缸直徑都是沿用米切爾設計時制定的457毫米（18英寸）的規格。C-13-2在采用533毫米（21英寸）直徑的汽缸后，其汽缸容積提高了38%，更多的蒸汽進入了汽缸，活塞獲得了更大的推動能量。雖然C-13-2型蒸汽彈射器的工作壓力進一步下降為450psi（440～460psi），但彈射能力比C-13-1型還略有提升。

彈射機系統是蒸汽彈射器系統的主要部件，其功能是利用蒸汽系統提供的動力，將艦載機加速到起飛速度，完成彈射作業。彈射機系統組件較多，但大部分組件的作用都是對蒸汽進行控制，確保彈射操作時蒸汽作用到彈射發動機活塞上。

彈射機系統的主要組成部分包括彈射閥組件、汽缸、活塞總成、汽缸蓋板、密封條、彈射滑塊及其運行的軌道蓋板（兼作為飛行甲板的一部分）、水剎、排氣閥等。彈射閥組件與蓄壓罐相連，工作溫度下，彈射閥開啟時蓄壓罐內的蒸汽將釋放到彈射機的汽缸中。汽缸內安裝有兩套活塞裝置，左汽缸活塞、右汽缸活塞以及附屬部件等，左右活塞由彈射滑塊組件連接在一起，彈射滑塊與艦載機前起落架上的彈射桿相連。彈射時，彈射機汽缸內的高壓蒸汽驅動活塞運動，活塞帶動滑塊運動，將艦載機彈射出去。艦載機彈射升空后，活塞和彈射滑塊通過安裝在彈射機汽缸前端的水剎制動減速、停止運動。

彈射機系統中的“汽缸”、“汽缸蓋板”、“密封條”，在《微觀航母之彈射器雜談》中已有介紹，這里重點介紹“活塞總成”和“水剎”。

活塞總成可分為以下幾部分：第一部分是主活塞，位于活塞總成的尾部。所謂的“彈射力”正是高溫高壓的蒸汽作用于主活塞端面而產生的。為保證密封，在主活塞的表面上有三道密封槽，用于鑲嵌密封圈。第二部分是活塞筒體，這是活塞總成的主體骨架，其它部件都固定在這個筒體上。筒體前后各有一法蘭，分別固定引導活塞與主活塞。筒體上面有四組凸起，通過螺栓來固定活塞柄。第三部分是引導活塞，位于減速錐與活塞筒體之間，其直徑與活塞一致，主要作用是使活塞總成前后保持平衡。第四部分是位于活塞總成最前端的減速錐，呈根部帶有凹槽的尖圓錐形，其在制動減速過程中起主要作用。當減速錐刺入水剎缸后，在水的阻力作用下，高速活塞的能量迅速耗散，使活塞減速停止。第五部分是活塞柄，位于活塞總成的上部，其包括密封條導軌、嚙合齒條以及引導端等功能部件。齒條上有一排矩形齒，與滑車（彈射滑塊）上的齒條互相嚙合，實現力的傳遞?；钊环矫鎮鬟f力與運動，另一方面引導密封條的離位和復位。在活塞進入處，密封條被頂起，使活塞柄通過；在活塞離開后，密封帶又回到密封位置，進而既能保證活塞順暢通過，又能維持對汽缸的密封。第六部分是位于主活塞上方呈丁字形結構的密封柄，與主活塞一樣表面也有三道密封槽，用來安裝密封圈。密封柄的作用是填充汽缸開口與汽缸蓋板之間的空隙，防止蒸汽泄漏。

作為活塞及彈射滑塊的減速裝置，水剎安裝在彈射機的末端，能夠在彈射結束時使活塞安全停下來，不至于撞壞彈射器甚至船體。水剎缸體的開口端有四個環狀體，分別是撞擊環、噴管、噴水環和阻塞環。撞擊環位于最外側，用于吸收活塞與水剎直接接觸時產生的沖擊力。噴管固定在水剎缸的端口。噴水環上分布著斜孔，引導高壓水進入水剎缸內并產個渦流。阻塞環位于最內側，中間孔徑收縮，與活塞的減速錐配合限制缸體內水的流出。

當活塞的減速錐高速沖入水剎缸體后，水被擠出，隨著減速錐的前進，阻塞環與減速錐之間的間隙越來越小，限制缸體內水的流出，起到了減速和吸收能量的作用。與此同時，被擠壓出的水從噴管向外噴出，直接沖擊到引導活塞的導流環上，進一步起到緩沖和減速的作用。在水剎的作用下，活塞總成在很短的距離內便可停止運動，不會對彈射器系統和船體造成任何損害。在水剎對活塞減速的過程中，需要大功率水泵不斷供水，確保安全減速制動，防止損壞活塞與水剎缸。與每套水剎系統配套的蓄水罐中存有1萬余升的淡水，而一次水剎制動就要消耗五分之一之多。

潤滑系統的作用是在彈射裝置啟動前和活塞組件運動及復位前向動力汽缸、密封條和汽缸蓋等內壁以噴霧形式供應潤滑油，進而確保汽缸壁在活塞通過前得到均勻的潤滑。其構成上比較常規，主要由潤滑泵電動機裝置、潤滑油箱、氣動潤滑控制閥、氣動電磁閥和計量泵等組成，在蒸汽彈射器的汽缸蓋上設3點潤滑孔。

與潤滑系統類似的就是液壓系統，其功能是為彈射裝置液壓部件提供液壓油。結構依舊常規，由1個主液壓蓄壓器、1個氣瓶、3個主液壓泵、1個增壓泵與過濾器單元、1個重力供油箱、1個輔助油箱以及1個循環泵等組成。

顧名思義，復位發動機系統的功能就是，在每次彈射作業結束后，通過鋼索迅速將活塞和彈射滑塊拉回復位到初始位置，以便進行下一次彈射作業。這套系統由液壓馬達、液壓泵站、抓曳車、復位油缸、緩沖油缸、滑輪組、復位卷筒、鋼索系統、張緊機構、蓄能器組成，其實質就是一套液壓系統和滑輪系統。

首輪拖曳系統先把低速移動到彈射起始位置的艦載機緩沖制動，緩沖制動過程中通過飛行甲板的引導坡道把安裝在艦載機前起落架前面的彈射拖曳桿滑落到彈射滑塊的掛鉤上，同時前起落架后面的限位桿尾端被引導坡道內的固定器鉤住。對艦載機的緩沖制動完成后，再通過張緊油缸的工作來消除彈射滑塊與艦載機拖曳桿、限位桿及限位桿固定器等之間的間隙，防止彈射初始時的不必要沖擊和飛機隨波浪擺動，最終實現艦載機起飛前的正確定位。

從液壓彈射器的時代開始，艦載機的彈射采用的都是通過牽引鋼索來連接艦載機與彈射滑塊的。鋼索的兩端鉤在艦載機機身或機翼內側，鋼索中間鉤在彈射滑塊上，鋼索張緊呈V字形，彈射滑塊移動時便能由鋼索來牽引艦載機。拖索彈射，這種作業方式雖然簡單有效，但問題是不同機型的重量、機身距地高度與重心位置都是不同的，因此航母的彈射作業中就必須針對每型艦載機準備專用的直徑20～40毫米不等的鋼索。這不僅增加了后勤上的負擔，而且在彈射作業中掛鋼索的鉤掛程序也是頗費時費力的。另外，在拖索彈射F-4“鬼怪”時，其牽引鋼索鉤掛在機翼翼根處的掛鉤上，這在一定程度上會影響艦載機機腹下武器掛載空間的充分利用。特別是戰后的艦載機起飛重量大幅度增加，外掛武器的種類也在不斷豐富，彈藥尺寸上也在加大。所以，這種拖索彈射方式的缺點日益凸顯。

由此，隨著美國海軍C-13系列蒸汽彈射器的研制，同時研制的還有新的彈射牽引方式——首輪拖曳彈射。舍棄了傳統的牽引鋼索后，在艦載機的前起落架上設置彈射拖曳桿，這樣艦載機直接通過彈射拖曳桿與彈射滑塊相連。彈射作業時，彈射滑塊通過彈射拖曳桿牽引著艦載機加速滑行。借由彈射拖曳桿，不僅統一了所有艦載機的彈射牽引連接機構規格，降低了后勤保障難度，更為關鍵的是大幅簡化并縮短了彈射準備程序與時間，提高了艦載機的出動率。

采用首輪拖曳彈射，艦載機的前起落架就必須經過特別設計，不僅是增加拖曳桿和液壓減載筒機構，還要強化前起落架以及前起落架與機身連接處的結構。彈射的牽引點設置在前起落架上，對這部分結構的強度提出了更高的要求，但首輪拖曳彈射中的彈射承力點并不是在起落架上。起落架其實只是改變這一牽引力方向的支點。彈射力通過拖曳彈射桿和液壓減載筒體傳遞到機身上，真正受力的還是液壓減載筒與機身連接處。即便如此，起落架所受到的力也是不小的，加之著艦作業時觸艦瞬間的沖擊載荷，因此艦載機的前起落架都很粗壯結實。另外，由于液壓減載筒還可用來收放起落架，所以我們看到彈射起飛的艦載機多是前起落架向前折疊。同時，艦載機的前輪為避開凸出甲板的彈射模塊，必須采用雙輪結構。

無論是拖索彈射還是首輪拖曳彈射，只將艦載機掛在彈射滑塊上還是不行的，還需要制動手段先將艦載機拉住，否則艦載機在汽缸中蒸汽壓力還未達到彈射要求之前就會在發動機推力作用下向前滑跑了，所以就需要“限位桿”（本刊2013年11期《微觀航母》一文中曾介紹過）將艦載機先固定住。在限位桿的固定下，當彈射滑塊上的牽引力超過額定推力，限位桿中的定力拉斷栓就會被拉斷，失去制動的艦載機就會在自身發動機推力和彈射器牽引力的共同作用下高速滑跑彈射起飛。

艦載機的彈射，除了需要限位桿外，還需要“噴氣偏流板”這一附加裝置。艦載機在彈射作業時，發動機是啟動的，噴出的氣流溫度高、流速大。為了使彈射時艦載機的發動機氣流不致傷害其后部的甲板操作人員、艦上設備、停放的艦載機以及不影響后續艦載機的彈射起飛作業，提高艦載機起降作業的效率，需要用噴氣偏流板將高溫燃氣氣流向舷外或向上引導。

噴氣偏流板由一系列的水冷卻板和作動裝置組成。水冷卻板多為4～6塊并列布置，可根據航母上各機型的發動機位置及彈射姿態進行升降調節，在對氣流引導的同時又不會讓氣流折回損壞正在彈射的艦載機尾部。作動裝置附件，負責噴氣偏流板的升起與回放，由液壓系統、機械機構以及控制裝置構成，要求具有一定的操作速度和抗噴氣推力的能力。噴氣偏流板的水冷卻板組件是以加強筋為基礎的鋁合金結構，其作為飛行甲板的一部分，所以首先是要具備足夠的抗沖擊強度。然后，就是能承受艦載機起飛時發動機噴出的高溫尾焰氣流，這通過不斷供應的流經冷卻水管路的海水來降溫。

正是由于早期艦載機在彈射時需要使用牽引鋼索來連接彈射滑塊與機體、牽引艦載機加速，所以當艦載機彈射離艦后，鋼索本身會隨著慣性向前被拋出艦外。每次彈射就會消耗1根牽引鋼索，長期累積下來這就是一筆不小的開銷，所以回收重復使用是十分必要的。因此，美國海軍航母便在彈射器前端附加一段突出于飛行甲板前緣七八米的角錐形結構，利用這個突出結構作為飛行甲板的延伸，前面和兩側安裝上兜網，用來接住被向前拋出落下的牽引鋼索，這就是“回收角”。

對于同時期的英國皇家海軍航母來說，早期幾艘航母上都沒有設置回收角，像“海雌狐”、“掠奪者”、“塘鵝”等主力艦載機使用的牽引鋼索都還是一次性的消耗品。接下來服役的F-4“鬼怪”，必須使用更堅實但也更昂貴的牽引鋼索，單價大幅提高至了15英鎊，這讓回收鋼索變得相當有經濟效益。所以在英國海軍唯一配備F-4“鬼怪”的“皇家方舟”號航母上，在艦艏與斜角甲板前端各增設了1座回收角。

美國海軍自F-4“鬼怪”以后設計的A-6“入侵者/徘徊者”、A-7“海盜”Ⅱ、F-14“雄貓”、F/A-18“大黃蜂”、C-2“灰狗”、E-2“鷹眼”和S-3“北歐海盜”航母艦載機都采用前輪拖曳彈射，不再使用牽引鋼索，沒有了回收鋼索的問題，也就沒有使用回收角的需要。隨著這些采用彈射拖曳桿機構的新型艦載機所占比例逐漸增加，以及采用牽引鋼索的舊型艦載機陸續退出一線，對回收角的需求日漸降低，80年代以后的美國海軍新造航母上便干脆取消了回收角。[編輯/山水]