蒸汽彈射器與電磁彈射器

楊 杰

（鄭州大學，河南 鄭州 450000）

隨著各國軍事科技的不斷發(fā)展，無人機已經(jīng)開始被越來越多的國家作為重點研發(fā)點，而這其中，無人機的發(fā)射也是一個重要環(huán)節(jié)。無人機的發(fā)射方式很多，曾經(jīng)和現(xiàn)在受到應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，由于護航的需要，開發(fā)了護航航母，由于這類航母

甲板距離短，飛機必需依靠彈射才能起飛，彈射器成為必不可少的設備。最初裝備在護航航母上的是飛輪彈射器。蒸汽彈射器的開發(fā)經(jīng)過二次大戰(zhàn)的實戰(zhàn)考驗，航母的運作技術(shù)發(fā)展的更加成熟。二戰(zhàn)到了末期，噴氣機開始出現(xiàn)，噴氣機起飛距離的增大和飛機重量的增加，導致對彈射器的功率要求更大，可是，液壓彈射器已經(jīng)達到技術(shù)極限，當時已經(jīng)證明這種技術(shù)的最大輸出功率只能達到20兆焦耳。推進活塞速度達到90英里/小時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推進時有沸燃現(xiàn)象，在安全性和工作可靠性上存在極大問題，而且頂桿鋼纜系統(tǒng)重量很大。當時彈射器的問題成為延誤航母使用噴氣機的主要原因，此時，英美意識到高能彈射器技術(shù)的重要性，就著手開發(fā)新技術(shù) 在技術(shù)方面，為提高彈射器的效率，20世紀30年代已有人提出了“直接驅(qū)動”的結(jié)構(gòu)概念，著重于降低驅(qū)動裝置的動態(tài)總重。從而改善彈射器的加速效率。開縫式汽缸設計就是在這種概念下產(chǎn)生的。作為動態(tài)結(jié)構(gòu)的活塞和牽引器用最短的距離直接連接，以減低推進活塞和牽引器這兩個動態(tài)結(jié)構(gòu)的重量。1950年，英國海軍開始在“英仙座”航母上正式對蒸汽彈射器進行一系列的試驗。試驗中，研究人員成功地解決了影響開縫式氣缸工作的兩個最大問題，第一是氣缸縫受缸內(nèi)壓力擴張的問題，第二是彈射氣缸本身受熱后變形的問題。1952年對蒸汽彈射器的試驗證明成功，這種被稱為米切爾式彈射器的裝置正式開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起飛裝置，已由美國最新下水的福特號航母首先裝備。與傳統(tǒng)的蒸汽式彈射器相比，電磁彈射具有容積小、對艦上輔助系統(tǒng)要求低、效率高、重量輕、運行和維護費用低廉的好處。是未來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機、盤式交流發(fā)電機和大功率數(shù)字循環(huán)變頻器，線性同步電動機是電磁彈射器的主體，它是20世紀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年英國物理學家法拉弟發(fā)現(xiàn)電磁現(xiàn)象以后就有人開始設想電磁線圈炮。1845年，有科學家在理論試驗中將一個金屬柱拋出20米；1895年，美國有項專利設計了理論上能夠?qū)⑴趶棐伾?30千米的線圈炮；1900年，挪威物理學教授克里斯坦·勃蘭登獲得三項關(guān)于電磁炮的專利；1901年，勃蘭登在實驗室制造了一座長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、德國政府的注意。1970年，德國科隆大學的哈布和齊爾曼用單機磁線圈將一個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)科學家本達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，美國在海軍航母電磁彈射器上花費了28年的時間和32億美金的經(jīng)費，預計將在2014年服役的CVN－78航母上正式使用這一設備。從設計和工程實現(xiàn)的關(guān)鍵性部件的性能來看，成功地按時間表投入使用的可能性非常大。

2 用途原理

重型飛機要想從航空母艦上起飛，必須有蒸汽彈射器。在飛機起飛前，飛機

由位持器鋼圈把尾部扣在一個堅固點上，飛機前輪附近的牽引桿垂落到一個“滑梭”內(nèi)，滑梭以掛鉤鉤住飛機。滑梭是蒸汽彈射器唯一露在飛行甲板上的零件。飛機前面的甲板下，有兩個平行圓筒，每個至少長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。飛機起飛時開足馬力，但被位持器扣住。蒸汽彈射器一啟動，飛機引擎的動力加上蒸汽壓力，使鋼圈斷開，飛機前沖，在45米距離內(nèi)達到時速250千米/小時。飛機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，推動另一架飛機起飛。母艦上每個蒸汽彈射器每分鐘可推動兩架飛機起飛。通常航空母艦最多裝設4個蒸汽彈射器。

電磁彈射器是通電導體在磁場中受到力的作用,這個力叫洛倫磁力。基本型簡單,就是一個滑塊,兩個導軌,外加一個與其垂直的磁場,只需通直流電,滑塊就會受到洛倫磁力向前加速,同時帶動飛機助跑。由于,這個力可通過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,還能發(fā)射輕盈的無人機,蒸汽彈射器不行,它不易操作,且所需人員多,而且無人機被它一彈就碎了,另外電磁彈射器原理簡單,技術(shù)要求也相對低,這些優(yōu)點都讓它成了未來的發(fā)展方向。它和電磁炮是一個原理,都適用同一個公式,F=BIL,BI分別是磁場、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)過實戰(zhàn)證明的技術(shù)。然而，美海軍在艦艇設備全面電氣化的大趨勢下，航母將采用電作為推進的主動力。所有動力設備也將電氣化。所以在80年代末，就開始了對電磁彈射器技術(shù)的開發(fā)，并在費城東部的試驗基地裝備了電磁彈射器進行試驗。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，機械的可調(diào)節(jié)性能輸出達到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)驗可知1：100以內(nèi)的變化是相當容易的。美國海軍未來將會大量使用輕重不一的無人機，蒸汽彈射器很難適應這個要求。對航母的設計是和海軍操作人員來說，電磁彈射器是一個大福音，它不僅將機庫甲板的占用面積縮減到原來的1/3，而且重量還輕了一半。大幅減輕高過重心位置的重量對航母的穩(wěn)性設計是個很有益的舉措，同時既不用再為復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、難以清潔的潤滑油所發(fā)愁。

還有一個好處是電磁彈射器能與滑躍式甲板巧妙融合，而蒸汽彈射器卻沒有電磁彈射器的靈活，它不能彎曲，就無法與滑躍起飛結(jié)合，而電磁彈射器與滑躍式起飛結(jié)合后能增加飛機的載重量。如果將來中國研制出了電磁彈射器，并實用于遼寧號，便可使遼寧號搭載更多機種，像空警200或空警2000，還可以向美國一樣搭載無人機，這樣就大大提升了遼寧號的作戰(zhàn)能力。

在2003年向國會提交的報告中說到，電磁彈射器(EMAL)證實有以下的優(yōu)點：

（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。

（4）可控性和可靠性高，簡化測試。

（5）結(jié)構(gòu)簡化，操作復雜度減低。

[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.艦載無人機電磁彈射器應用能力分析[J].艦船科學技術(shù),2010(03).

[3]艦群.蒸汽彈射器揭秘[J].艦載武器,2008(12).

[4]遠峰.彈射器的“秘密”[J].艦載武器,2005(03).