航空母艦彈射器

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，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，滑梭以掛鈎鉤住飛機。

基本介紹

• 中文名：航空母艦彈射器
• 外文名： the catapult for aircraft carrier
• 作用於：重型飛機
• 構成：彈射器附屬系統等

基本資料

英文名稱

航母彈射器 [英] the catapult for aircraft carrier

航空母艦彈射器彈射情景

概述

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，增壓後輸入滑梭。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米距離內達到時速250千米。飛機彈射起飛脫離滑梭後，活塞前端的注管就落入水池，在幾米的距離內停頓，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。

航母彈射器

主要構件

包括三部分：

（1）彈射器做動系統：開口活塞筒體、活塞環、引出牽引部分、U型密封條、導氣管、模度氣動閥門、排氣閥、安全閥、測距儀、壓力感測器。

（2）彈射器附屬系統：海水淡化設備、貯水池、高壓水泵、鍋爐、加熱裝置。

（3）彈射器控制系統和導流板。

具體介紹

海水淡化設備及貯水池

航母即使沒有彈射器(如採用滑躍起飛的)，也有海水淡化設備及貯水池，因為生活用水、機器用水也需要淡水，從陸地上補給淡水只是一些近海防衛型護衛艦的辦法。有了海水淡化裝置，軍艦遠洋作戰能力大大增強，對補給依賴低，而航母是遠洋型軍艦，不能沒有海水淡化裝置。有彈射器的航母，不僅生活淡水消耗量大，而且彈射器消耗量更大，根據美軍記錄：每起飛一架飛機，約消耗1噸淡水。目前，海水淡化技術比較成功的有低壓蒸餾及膜透法。其中膜透法已廣泛用於民用海水淡化水廠。當然，有了淡化設備還必須有貯水池，用於貯備淡水。

高壓水泵和加熱裝置

高壓水泵的用途是把淡水從貯水池中抽入鍋爐，以抵消釋放蒸汽而消耗的淡水。由於鍋爐在使用時壓力很高，高壓水泵必須有很高的壓力才能把水補充進去，所以高壓水泵不僅要有強大的動力以形成很高的壓強，而且要有很高的抗壓性，對軋鋼和焊接工藝提出很高的要求。高壓水泵是根據鍋爐內淡水量的多少自動補充的，不過早期的是手動控制的，顯得比較落後。

鍋爐是提供蒸汽的設備，實際上鍋爐就是一個儲能裝置，民用的鍋爐比較多，航母用的鍋爐原理上與民用沒什麼區別，但航母的鍋爐更大、耐壓性能更高，安全標準更高。即使如此，美國與英國航母還是發生過鍋爐爆炸和燙死人的事故。高壓鍋爐對水質的要求也高，高鹽、高硬度的海水根本不能進入鍋爐。鍋爐工作時要消耗大量蒸汽，如果以最小間隔進行彈射，需要消耗航母鍋爐20%的蒸汽。

加熱裝置很多，美國現役核動力航母都是利用反應堆加熱，以保證其有足夠的能量釋放給彈射器。加熱裝置也是受控的，但在戰爭時期鍋爐是不能熄火的，以保證緊急情況下隨時起飛飛機。不能熄火，就意味著鍋爐隨時消耗大量的能源，如果是常規動力航母，其燃料費用十分巨大。美軍之所以發展核動力航母，也是為了在經濟上節省能源開支，畢竟從長期來看，核動力運行成本較便宜。三、開口活塞筒體、活塞、引出牽引部分和U型密封條 　航母所用的彈射器早期採用閉口活塞，不過需要一個非常長的動力傳動桿把蒸汽能量傳給需起飛的飛機，由於幾十米長（近百米）的傳動桿中間無支點，導致存在傳動桿下垂現象，而且會經常把傳動桿頂彎的事故發生。後來工程技術人員把傳動桿推力改為拉力起飛，解決了這個問題，但發現活塞與傳動桿連在一起重量實在太重（大部分重量是傳動桿），由於起飛時間短，蒸汽做功很大一部分都消耗在做在了活塞與傳動桿上，而且停止時還必須用緩衝器。後來工程技術人員採用活塞開口，活塞環的動能直接從開口處把能量傳出去，由於取消了傳動桿，大大減少了重量，也同時提高了效率，可以毫不誇張地說：這是一場彈射器的**，這種方法一直沿用至今。

當然，由於採用了開口活塞筒，其開口對稱的筒壁就需要相應加厚，否則在蒸汽的高壓下，開口處會增大，導緻密封不緊、蒸汽外泄。實際上，除對稱筒壁加厚外，開口活塞筒外壁也要加固。

由於採用了開口活塞筒，最大的麻煩是活塞的密封刀經過開口時的密封問題。其實，彈射器活塞與普通活塞沒什麼兩樣，不過彈射器上的活塞較長一點，一是增強其穩定性，二是由於密封刀必須非常薄，而推力又比較大，所以只有增加密封刀寬度才能解決問題，而密封刀寬度增加了，活塞也需加長一點。不過，雖然活塞長了，重量並不增加多少，原因是其中間是空的（並非完全空，還有部分鋼構），而且活塞為雙向密封的。

引出牽引部分是通過密封刀與外部件連線起來的，但彈射器最大的麻煩之處就在於密封刀與U型密封條的結合處。由於密封刀經過時必須把U型密封條在接口處頂開，頂開後與密封刀接縫處肯定會泄漏蒸汽，如果U型密封條的密封力很大，密封效果肯定很好，但密封刀阻力也會越大，U型密封條磨損也就越快，所以為了很好地解決密封、運行阻力及U型密封條磨損問題，美國率先採用了“高壓細流水密封技術”解決了這個問題。雖然還會有些蒸汽外泄，但密封刀的摩擦阻力與U型密封條磨損率已經大大降低。不過，不要認為這樣就完美了，U型密封條磨損仍然是困擾彈射器的最大心病，日常維護與檢修都相當麻煩，雖然一直在不斷改進材質及採用新技術，但至今仍不能令人滿意，美軍對此意見很大。

排氣閥和安全閥

導氣管是把鍋爐里的蒸汽導入彈射器，以迫使彈射器工作。模度氣動閥門的作用是控制蒸汽進入的速度。由於氣動模度閥門有開關迅速及開度易控制的特點，所以氣動模度閥門可以控制蒸汽壓力而達到控制彈射器的目的。排氣閥作用是把活塞筒內的蒸汽排出去。安全閥是為了防止彈射器筒體內壓力過高而採用的保護設備。

壓力感測器及控制系統

安裝在彈射器上的測距儀可以精確地測出彈射器位置及彈射器的速度，而兩側的壓力感測器可精確地讀出彈射器內的壓力，這些數據以極快的速度送入智慧型控制處理器（相當於PLC）。智慧型控制器處理這些數據後，準確控制氣動模度閥門，從而達到起飛飛機的目的，也能通過控制氣動閥門使彈射器返回原來位置。

彈射器還裝有其它儀表，如鍋爐水位計、溫度計、壓力感測器等，這些都要由智慧型控制器總體控制、統一管理，這樣才能使彈射器效率大大提高。

燃氣導流板

在彈射前，艦載機的噴氣發動機已經全速運轉，會向後噴射出高溫高速燃氣流，對後面的人員和器材危害甚大。這時，彈射器後方張起的擋板可使燃氣流向上偏轉，不會噴向後面甲板，這些擋板叫“偏流板”或“燃氣導流板”。一般來講，每個彈射器後面有一組共3塊燃氣導流板。當單發飛機起降時張開正中一塊；當雙發飛機起降時三塊都張開。為降低燃氣流的灼熱溫度，燃氣導流板後面都裝有供冷卻水循環流動的格狀水管。燃氣導流板要求耐高溫、耐衝擊，能經受忽冷忽熱和飛機降落時的強大衝擊力，加工製造難度很大。

其他設備

其實，不要以為以上這些就是航母彈射器的全部設備，實際上還有彈射器固定裝置、降溫裝置、專用維修工具和專用維修通道等。為了保證彈射器正常運行，航母上每天有數十人（至少40-50人）為運行、維護和保養彈射器而忙碌不已。

工作流程

彈射飛機

當鍋爐的蒸汽可以滿足彈射使用時，模度氣動閥門才能打得開，這時飛機發動機起動，同時彈射器作信號發出，工作側氣動模度閥門打開，同時返回側排氣閥打開，活塞在高壓蒸汽推動下同時通過密封刀推動牽引部分帶動飛機，使飛機高速運行，活塞另一側筒內則因壓力劇增使餘氣從排氣閥迅速排出，當達到起飛速度時，工作側氣動模度閥門開閉，同時排氣閥也開閉，由於活塞沒有了外力（蒸汽推力），同時也由於排氣閥開閉，使活塞運行時受到極大阻力而停止。當然，為了安全起見，返回側還是裝上了緩衝器。

彈射器返回

為了彈射另一架飛機，彈射器必須在極短的時間內迅速返回原位，返回時與上述程式相反，返回側氣動模度閥門打開，同時工作側排氣閥打開，活塞在蒸汽壓力下返回到原位。當然，返回側的壓力沒有彈射側的高，因為只是讓彈射器回來而已。彈射器返回不同於工作，工作時只要飛機起飛了，彈射器立刻停止，而不管彈射器在什麼位置（當然不能到頭），而返回時則需要彈射器準確地停在起飛飛機的位置上，為方便起飛飛機，同時以減少起飛時間。

工作方式

拖索式彈射和前輪彈射

彈射方式介紹

艦載機起飛時都利用彈射器軌道上的滑塊把飛機高速彈射出去，而依據艦載機與滑塊的聯結方法，彈射方式可分為拖索式和前輪牽引式。

（1）拖索式彈射方式是50年代開始使用的老方式，需要8-10名甲板人員先用鋼質拖索把飛機掛在滑塊上，再用一根索引釋放桿把其尾部與彈射器後端固定住。彈射時，猛力前沖的滑塊拉斷索引釋放桿上的定力拉斷栓，牽著飛機沿軌道迅速加速，在軌道末端把飛機加速到直起飛速度拋離甲板，拖索從飛機上脫落，滑塊返回彈射器起點準備下一次工作。

（2）前輪牽引彈射方式是美國海軍1964年試驗成功的。艦載機的前輪支架裝上拖曳桿，前輪就直接掛在滑塊上，彈射時由滑塊直接拉著飛機前輪加速起飛。這樣就不用8－10名甲板人員掛拖索和撿拖索了。彈射時間縮短，飛機的方向安全性好，操作簡便。但艦載機的前輪起落架需要做專門設計並加固，美軍現役核動力航母都採用這種起飛方式。

航母導流板

在彈射前，艦載機的噴氣發動機已經全速運轉，此時它向後噴射出高溫高速燃氣流，對它後面的飛機和人員危害甚大。這時彈射器後方張起的擋板可使燃氣流向上偏轉，不會噴向後面的甲板了，這些擋板就叫做“偏流板”或“燃氣導流板”。

航母導流板

一般來講，每個彈射器後面有一組共3塊燃氣導流板。當單發飛機起降時張開正中一塊；當雙發飛機起降時三塊都張開。為了降低燃氣流的灼熱溫度，燃氣導流板後面都裝有供冷卻水循環流動的格狀水管。

種類功能

彈射器發展中曾五花八門，經歷各種嘗試，雖有好多並未能用於實戰，但並不代表其不成功，只是在具體可操作性上及部分性能對材料要求上存在一定的矛盾。故而並未進行實用，彈射器在類型上、功能上非常多，現介紹幾個典型例子。

彈簧復力彈射器

玩過彈弓的人都知道把石子彈出去的道理，而飛機在起飛的過程中也確實是加速度做功的過程，由於做功時間短，負荷衝擊性相當大，這對一般機械來說是個無法克服的問題。而彈簧復力彈射器則是利用直線電機或儲能機構把彈簧拉伸到儲能位置，利用制動機構保持能量不釋放，而工作時則利用控制系統斷開制動機構，彈簧在復力下拉動動飛機加速，飛機在自身發動機及彈射器的合力下加速，初始工作衝程一般只有60米。不過遺憾的是這種彈射器不能直接把飛機彈射起飛，飛機必須在發動機的推力下滑行一段才能起飛。而且這種彈射器在實際研究中是把彈簧放置在開口的滑道里（內口帶潤滑油），目的是不讓彈射器工作時不對周圍產生影響，而且這種大功率彈簧對材料要求嚴格，試想一下這么大功率的彈簧在航母服役期間不更換，對材質要求是多么刻苛，即使是滑道，其精度也要求非常高。這種彈射器彈射飛機次數不高，因為它是靠儲能機構完成儲能的。更要命的是這種彈射器初始時拉力非常大，飛行員會發生短時的暈厥現象。對飛機的機構強度也要求相當高。而工作末端拉力又非常小，關鍵時候不能助推起飛。但這種彈射器效率高，停止無需採取緩衝手段。

不過，據個人分析，這種彈射器用在老瓦上用於起飛預警機應該還是可行的，雖不能達到起飛，但經過滑躍板時起飛絕不成問題。

勢能彈射器

這種彈射器是利用坡度使飛機起飛，通過升降機等手段將飛機運至坡頂，工作時飛機將在重力及發動機推力的合力下加速，並實現起飛。這種彈射器實際上是勢能釋放做功過程。在飛機下滑的過程中，其路線是平滑的，曲線的，是根據運動時軌跡及受力而確定的。這種彈射器的優點是技術成份低，而且在飛機起飛過程中飛行員不會承受過份迫力，血液不會過於集中從而導致暫時暈厥現象。缺點是需要建一個很大的坡面，運行時航母風阻力增大，隱形效果不好，更重要的是起飛頻率低，影響其它設備使用，還需要配套大功率的升降機等。

勢能彈射器

不過這種彈射器也可用在陸基上，大家認為陸基上用彈射器完全是浪費，但其實由於彈射器可以減少飛機油耗，縮短起飛時間，緊急情況下意義上非常大。而且可以實驗彈射器的性能。在陸基上，這種彈射器需要有山坡的地方才具備條件，不過有意思的是這種方式起飛也可用於飛機降落，當飛機降落時，關閉發動機，飛機在慣性下繼續滑行，經過一段距離進行爬坡，在爬上坡頂時飛機的速度自然降到相當小的速度，節省了能源，又同時利用坡度使飛機減速。在海上一般比較適用於無動力的海上浮動機場，當然做的比較大一些而已，同樣，也可利用坡底進行飛機著降。

燃氣彈射器

燃氣彈射器在結構上與蒸汽彈射器有些相似，只不過是蒸汽的兩端進氣口變成了燃燒室，其中還原劑及氧化劑是通過高壓注入的，不過是受控的，並且是持續注入的。當工作時，還原劑及氧化劑向燃燒室高壓注入，點火裝置使還原劑及氧化劑在燃燒室內反應並產生大量的熱，氣體推動活塞做功，由於還原劑及氧化劑持續注入，活塞將在氣體不斷推力下高速運行，從而使飛機起飛。當飛機起飛後還原劑及氧化劑停止注入，並打開燃燒室通氣口，同時返回端的燃燒室通氣口關閉，活塞會立即停止。返回與上述過程相同，只不過燃燒室及高壓注入設備比工作的小而已。這種彈射器是靠控制注入還原劑及氧化劑來控制的，優點是不需要淡水，工作及返回時間短。但缺點特別多，首先是燃燒室的耐高溫及防氧化等條件高，筒壁強度及耐高溫要求高。注入還原劑及氧化劑的控制要求精準、數據反應快，有一定的危險性，消耗價格昂貴的液體還原劑及氧化劑，故障率高，排除大量氣體污染及紅外輻射等許多不利因素。因此這種彈射器實際上只是理論上進行討論分析過，並未有大型實踐的記載。

蒸汽彈射器

這種彈射器是目前在役航母使用的彈射器。1950年8月，英國在“英仙座”航母甲板中線上安裝了一台動力衝程45.5米的bxs－1蒸汽彈射器，試驗獲得初步成功。美國海軍購買了專利並最終將其發展成熟。蒸汽彈射器是以高壓蒸汽推動活塞帶動彈射軌道上的滑塊把聯結其上的艦載機投射出去的。美國的c－13－1型蒸汽彈射器長76.3米，每分鐘可以彈射2架艦載機。如果把一輛重2噸的吉普車從艦首彈射，可以將其拋到2.4公里以外的海面，可見其功率之大。但蒸汽彈射器工作時要消耗大量蒸汽，如果以最小間隔進行彈射，就需要消耗航母鍋爐20%的蒸汽。現在，美國正在研製新型的電磁彈射方式，但近期內難以投入實用。

蒸汽彈射器的缺陷：

（1）維護成本大，U型密封條更換頻繁而又十分麻煩，對材質要求高；

（2）使用蒸汽彈射器成本大，效率低，配套設施多，系統煩瑣，各個環節要求高；

（3）需消耗大量淡水，美國曾為此考慮過蒸汽冷凝回收裝置，終因體積大及效率低而取消。

由於蒸汽彈射器存在以上不足，所以美軍對蒸汽彈射器不滿，從而催生了電磁彈射器。目前，美軍已正式在最新下水的（2013年10月11日）福特號航母裝備了電磁彈射器。

電磁彈射器

這種彈射器是未來航母的彈射器，它分為兩種，分別是電磁線圈彈射器及電磁軌道彈射器。這兩種其實也就是交流直線電機和直流直線電機。這裡主要簡單說一下電磁線圈彈射器。

電磁彈射器

電磁線圈彈射器工作原理實際上就是交流直線電機的工作過程，直線電機與旋轉電機不同，我們日常看到的許多電機都是旋轉電機，只有車床上才能偶爾看到圓筒式直線電機，而且功率都不是很大。電磁線圈彈射器的直線電機功率卻很大，其線圈為u型，中間為動子，在三相旋轉磁場拖動下做直線運動，改變相序會改變運動方向。電磁線圈彈射器與普通大型平板型直線電機不同，它不僅有複雜的強制冷卻系統，而且在每一段的功能都不相同。

火箭助推彈射器

其實為箭助推彈射器嚴格的說應該是助推器，而不是彈射器，不過都是使飛機起飛所以仍稱之為彈射器，其實叫什麼並不重要，重要的是其實用性。火箭助推可以使飛機起飛，在飛機起飛後助推彈射器自動分離，而且每分鐘起飛架次可以相當多，結構簡單，根本不需要象蒸汽彈射器那樣的許多配套設施。但相比之下卻存在許多不足，首先是尾流噴射擋板需改進，因為為箭助推器的尾流比飛機發動機的尾流還要強，所以對甲板後面及周圍的人或設備會產生更大的威脅。在助推中會產生大量的污染物，而且成本高，用一次性的助推彈射器會讓經濟不強的國家畏而卻步，多次重複使用的必須配快速打撈艇、驗傷設備、其本身也

要有定位系統等，加起來成本也不低。最重要的是其安全性一直受到質疑。

斜角彈射器

它與通平直的甲板不同，它的起飛甲板是斜的，其餘部分的甲板仍是平直的，也就是說其沿起飛方向有一個仰角，但是平直的。彈射起點在甲板下方的機庫里。這種彈射器做功更大，而且其起飛甲板由於是斜角的，所以在平時不能存放其它東西，而且風阻力大，不過這種彈射器距離可以更短一些，因為其向上有一定的仰角，可以增大飛機升力。

優勢

當對於滑躍起飛方式，彈射器的優勢主要有：

(1) 全天候起飛作戰能力，不受惡劣天氣限制

（2）可以起飛固定翼預警機，大幅增加預計距離

（3）艦載機起飛時，不必為減輕起飛重量，而減少載彈量、載油量、使艦載機發揮不出正常作戰性能

（4）節約艦載機起飛燃料

製造方

彈射器的製造裝備企業，華中數控申請的12五重大科技專項就是軍民兩用技術，包括航母彈射器的製造。