美福特级航母电磁弹射技术!全套仅500立方米325吨,持续能力强悍

根据舰载机的起降方式,现役航母可以分为弹射起飞阻拦着陆型(CATOBAR)、滑跃起飞阻拦着舰型(STOBAR)和短距起飞垂直降落型(STOVL)三类。但是后两者,一是难以满足重型战术飞机的起飞,另一个则是要求飞机在短距起飞能力上进行妥协。因此,弹射起飞阻拦着陆型仍然是重型航空母舰的发展主流。

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弹射器,是舰队航空兵跨入喷气时代的主要功臣。细细数来,蒸汽弹射器已经主宰西方航母飞行甲板半个多世纪了。然而蒸汽弹射的局限性也越来越成为航母战斗力提升的瓶颈。其(以最新的C13-2蒸汽弹射器为例,下同)高达二千吨的总重量和五千立方米的庞大体积,低至6%以下的能量效率和16分钟内弹射32架飞机后即因轮机蒸汽压强过低而无法继续弹射的持续能力等等,都成为了美国最新的航母福特级转向电磁弹射的有力理由。

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相比蒸汽弹射,电磁弹射的优势主要体现在以下几个方面:

一、体积和重量。蒸汽弹射的核心是平行排列练的两天两条高强度不锈钢C型开缝气缸,最重要的辅助系统则是用于提供弹射能量的蒸汽系统和在弹射完成后将动力活塞从气缸末端中心重新牵引至弹射起始位置的复位系统。为了持续而稳定的输出蒸汽压力,还必须设置湿式蓄压罐——湿式蓄压罐中同时容纳着高温高压蒸汽和液态水,当动力冲程中罐压迅速下降一部分液态水也会因为压强降低导致沸点下降而迅速蒸发,从而补充弹射器内的蒸汽。这种湿式蓄压罐在一套弹射器上即重达50吨。而用于连接蓄压罐和弹射引擎之间的阀门和管道则重达30吨,再加上其间容纳的20吨的高温淡水和液压油,使得蒸汽弹射器全套体积高达1100立方米,全重将近500吨,相当于一栋小别墅。而电磁弹射器则无需配备巨大的蒸汽储罐和管线,如变速率蒸汽注入伐阀一类的辅助设备也大大减少。福特级航母上的电磁弹射,体积小于420立方米,重量稍大于220吨。需要特别指出的是,这个重量并不包含每套电磁弹射器配备的3套总容量720兆焦的飞轮储能系统。每套飞轮储能系统体积接近30立方米,重量在35吨左右。即使这样,一套完整堪用的电磁弹射器,全套设备也仅占500多立方米的空间和325吨的重量。考虑到福特级有四套弹射器,这个减重和压缩空间的效果就非常明显了。

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二、弹射能量。要将飞机推离航空母舰,必须要使飞机达到一定的速度。舰载机的战斗力很大程度上取决于起飞时的有效载荷,而越要加大起飞重量,越需要舰载机获得更大的离舰速度。然而航母的尺寸有限决定了弹射器动子的行程也是有限的。因此,要在一定距离里追求更大的离舰速度,就要把过载G尽可能做大。对于蒸汽弹射来说,其推力因为蒸汽的体积 持续增大以及气缸漏气等,最大的推力只能持续前1/4的长度,随后就持续下降。这就迫使蒸汽弹射器追求高于实际需要的推力以保持飞机安全。但是前段推力过大会导致过载过大。一般认为,超过5个G的起飞过载,就会使飞行员无法忍受,也会对舰载机造成损伤。因此,C13-2蒸汽弹射器实际上已经达到了蒸汽弹射的性能极限——95兆焦,恰好能使35吨的自身推重比较低的飞机加速到140节的最低离舰速度,难怪大黄蜂飞行员坦言,起飞的最后一段距离几乎只能完全靠飞机自身的动力起飞。相比之下,福特级的电磁弹射目前被限定在122兆焦这个比较保守的数字上。这个能量,可以使35吨的飞机以162节的速度离舰,或者使47吨的飞机以140节的最低速度离舰。这个能量,可以满足歼20这样的大型战斗机的弹射起飞,也可以满足飞翼构型这样低速性能不佳的飞机弹射起飞。更重要的是,电磁弹射不存在蒸汽弹射那些缺陷,其加速度曲线十分平滑,能够极大改善飞行员的身体负担和飞机的结构寿命。而这个能量仅仅是电磁弹射的初级阶段。另一方面,还应该看到蒸汽弹射的能量输出上下限之间范围极小,现有的较轻的无人机完全无法弹射,起飞重量低于15吨时就有摧毁结构较为脆弱的飞行器的可能性。而电磁弹射只需调整输出电流,可将起飞重量范围扩大至2吨-70吨之间,并可在50节-200节之间任意设定终端速度。

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电磁弹射牵引力曲线

三、持续能力。蒸汽弹射每次消耗的蒸汽超过600公斤,尼米兹级航母若以每分钟起飞2架的频率连续起飞舰载机,16分钟以后便会因为蒸汽压力过低而无法继续弹射,补充蒸汽的时间在30分钟左右。同时,按这个频率弹射飞机,6%以下的超低能量效率将使得尼米兹级动力系统分流至少1/5的功率到蒸汽弹射器中去,将会直接导致航母航速下降。发射频率方面,由于回收蒸汽用的冷凝器需要降温,复位引擎需要将动子返回起始位置。因此,蒸汽弹射的频率不会大于60秒。而电磁弹射的能量效率高达70%,同发电机一道计算,总体能量效率也超过50%,每分钟实施4次弹射,也仅造成12兆瓦的电力负荷。再加上储能飞轮的削峰作用,对于超级航母造成的能量损耗完全处于可以接受的范围。尽管储能飞轮需要30秒左右充能,但是频率仍然超过了蒸汽弹射的两倍。

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