彈射器

彈射器（Aircraft catapult）是航空母艦上推動艦載機增大起飛速度、縮短滑跑距離的裝置，全稱艦載機起飛彈射器。

最早由英國人發明，在二戰之前，大部分的固定翼機彈射器是液壓彈射器。1950年後引入蒸汽彈射器。二戰中，美國航母還沒有使用蒸汽彈射器，蒸汽彈射器的出現是因為當時航母的甲板長度不足以起降重量大大增加的艦載噴氣式戰鬥機，必須藉助瞬間的大速度才能正常起飛，所以彈射器才應運而生。21世紀，直線電機（Linear motor）和電磁式彈射器開始被引入。

基本介紹

• 中文名：彈射器
• 外文名：Aircraft catapult
• 全稱：艦載機起飛彈射器
• 發明：英國
• 目地：增大起飛速度、縮短滑跑距離

定義

航空母艦上推動艦載機增大起飛速度、縮短滑跑距離的裝置，全稱艦載機起飛彈射器，簡稱彈射器。

彈射器

因為蒸汽彈射器結構很複雜，而且只有美國一家壟斷，所以技術非常保密。它相對與俄羅斯的滑跳式飛行甲板的優勢在於俄羅斯的滑跳式飛行甲板要起降飛機必須逆風，在起降艦載重型戰鬥機，如蘇－33時滑跑距離要比彈射器長許多，而且天氣情況稍差一點就不能正常起飛，而彈射器就沒有這些方面的顧慮。但蒸汽彈射器結構複雜，重量大，滑跳式飛行甲板相對於蒸汽彈射器的優勢就是結構簡單和減輕了重量，技術難度也低。正因為現有的蒸汽彈射器結構複雜，重量大，美國才新研製電磁彈射器來取代它成為新一代航母的彈射器。

各種彈射器的發展歷程

普通助飛彈射器

彈射器最早由英國人發明，最早的助飛彈射器在飛機被發明的時候就已經出現，和萊特兄弟同期的蘭利，首先利用彈簧和滑道進行助飛，而萊特兄弟也在同樣概念下，造出了落重彈射器。藉助這種彈射器。萊特飛行器成功進行了動力飛行。

彈射器起跑準備狀態

巡洋艦彈射器

在飛機發明後的不久就出現了水上飛機，各國海軍在使用水上飛機時候，為了讓艦隻在不用停下來的情況下，艦艇能讓飛機在短時間內升空。各國開始開發助飛裝置，這種裝置最早是裝備在大型水面艦隻上的水上飛機彈射器.結構上有落重式，飛輪式，火箭助推式，液壓式和氣壓式多種。

早期戰列艦，重巡洋艦上大部分是飛輪式的彈射器。這種彈射器由飛輪儲存機械能量，通過離合器拉動鋼纜進行彈射。火箭助推彈射器多用於小型的艦船，二戰中，英國為了對付德國潛艇，使商船隊擁有一定空中力量，曾為商船裝備了能讓颶風式戰機起飛的彈射器，這種簡單的彈射器是火箭助推式的。這類彈射器性能上來講，彈射周期都相當的長。

航母彈射器

早期的螺旋槳式飛機由於起飛速度不大，可以輕易從甲板上自行滑跑起飛，但噴氣式艦載機的重量和起飛速度急劇增大，只能通過彈射器起飛了。自20世紀20年代以來，先後曾出現有壓縮空氣式、火藥式、火箭式、電動式、液壓式和蒸汽式等多種動力的彈射器。除蒸汽彈射器外，其它形式的彈射器由於安全性或彈射能量的限制，制約了艦載機的發展使用，已逐漸被淘汰。

航母最早使用彈射器的是1922年從運煤船改裝而成的“蘭利”號雖然最高航速只有15海里，這艘航母卻是美國海軍航空兵非常成功的試驗平台，航母技術里最關鍵設備如彈射器，攔機網和升降機技術都在“蘭利”上得到了試驗。從這艘航母得到的經驗和數據，對後來航母設計和運作有極大的影響。

壓縮空氣氣壓彈射器

30年代，大部分飛機還能憑本身的動力全負荷在航母甲板上起飛，裝備彈射器的本來是為了讓航母在更短時間內讓更多飛機升空。英國當時的“凱旋”和“勇氣”號航母就裝備了壓縮空氣氣壓彈射器。這個時期的氣壓液壓彈射器多

液壓彈射器

最初裝備在護航航母上的是飛輪彈射器，後來開發的大功率的液壓彈射器在1943年正式投入使用，“企業”號首批改裝使用這種型號為H2-1的液壓彈射器的航母之一。在這之後護航航母大部分裝備了這種液壓彈射器。性能上H2-1彈射器可以將11000磅的負荷在73英尺內加速到70英里/小時的速度。基本滿足當時的作戰需要。

採用活塞頂桿結構，有滑輪鋼纜系統，最大功率達到5兆焦耳。

飛輪式彈射器

這個時期下水的美國航母“薩拉托加”和“列剋星頓”號上，使用了當時技術上較可靠的飛輪式彈射器。當時的彈射器，已經可以用比較短的彈射周期進行彈射。可是，彈射器的使用在運作上卻增加了升空甲板人員運作的複雜性，令本來已經複雜的升空運作變得更難執行，反而導致升空延誤。這個難題曾困擾航母多年，並導致彈射器被列為受淘汰設備。

二次大戰爆發後，由於護航的需要，開發了護航航母，由於這類航母的甲板距離短，飛機必需依靠彈射才能起飛，彈射器成為必不可少的設備。

蒸汽彈射器

經過二次大戰的實戰考驗，航母的運作技術發展的更加成熟。二戰到了末期，噴氣機開始出現，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，液壓彈射器已經達到技術極限，當時已經證明這種技術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/小時之後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的重要性，就著手開發新技術。

彈射器工作原理圖

30年代，為提高彈射器的效率，已有人提出了“直接驅動”（DirectDrive）的結構概念，著重於降低驅動裝置的動態總重。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生的。作為動態結構的活塞和牽引器用最短的距離直接連線，以減低推進活塞和牽引器這兩個動態結構的重量。

機械上，這種結構的難度是既要讓驅動活塞/前引器結構在汽缸縫裡自由移動，又要保持必要的工作壓力。最大的技術問題是如何防止泄漏導致壓力下降。不少設計者曾為此提出過多種不同的解決辦法，最早的方案是在汽缸縫上設定彈性結構，既能讓活塞結構通過，又可以在活塞通過後不讓外漏。這種設計在40年代末曾用在XH-8液壓彈射器上，性能上，XH-8彈射器可以將15000磅的負荷加速達到120英里/小時的速度。可是，試驗中也發現，彈性密封裝置在高壓狀態下密封效果很不理想。

經過一系列的研究和試驗後，發現最簡單的方案，是在汽缸內放置密封條，然後通過前進的活塞，將汽缸里的金屬密封條直接頂入汽缸縫，並利用缸內的壓力將密封條壓緊，從而壓力的不泄漏。

在40年代開發蒸汽彈射器的同時，美國曾進行了超大型的飛輪儲能彈射器和電動彈射器的開發和試驗。理論上飛輪儲能彈射器可以達到很高的功率，但是因高速離合器的技術難題得不到解決而很快被放棄。值得注意的是，當時在電動彈射器上研究上，西屋電氣公司成功研製了稱為“電彈器”（Electropult）的彈射器，結構上跟熱門的電磁彈射器結構幾乎一樣，採用直線電機設計，而且在彈射功率與蒸汽彈射器相似的輸出。只是因為運作昂貴而被放棄。不過，飛輪和直線電機技術被重新開發，熱門的電磁彈射器上運用的就是飛輪儲能器和直線電機技術。

在開縫氣缸開發的同時，英國的後備役人員科林。米切爾向海軍建議嘗試使用艦上主鍋爐產生的蒸汽直接驅動彈射器的可能性。英國海軍就此開展了初步試驗，試驗中證實了蒸汽彈射器的功率遠高於液壓彈射器，而且發現彈射造成的蒸汽消耗對整體推進功率影響不大。而且可靠性和安全性更高較液壓彈射器更高。

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，它用艦上主鍋爐的蒸汽作動力，試驗獲得初步成功。彈射能量大，安全性和加速性能好，逐漸為航空母艦普遍採用。蒸汽彈射器可彈射20～35噸重的飛機，使其時速達250～350千米、重力加速度可達4～5.5g，每分鐘可以彈射1～3架飛機。航空母艦上通常裝有2～4部彈射器，分別設定在前飛行甲板和斜角飛行甲板。

彈射器工作原理圖

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。通過技術合作，美國直接參與了“英仙座”航母的彈射器試驗而獲得的這項技術，此後將研製成功的型號為C-11的蒸汽彈射器裝備在“漢考克”號航母上，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。

在1954年6月1日成功完成彈射操作。航母也從此進入全面噴氣時代。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。隨著航空母艦主動力裝置的發展變化和艦載機重量的增大，有的國家正研製內燃式、飛輪儲能式及電磁彈射器。內燃式彈射器是用燃油、水和壓縮空氣噴入燃燒室產生的燃氣作動力，彈射飛機。飛輪儲能式彈射器是將燃氣輪機發出的能量儲存在飛輪內，通過離合器、絞車、傳送帶牽拉往復車彈射飛機。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。美國隨後又開始研製新型的電磁彈射方式，但短期內難以投入實用。

電磁彈射器

蒸汽彈射器這種技術已經在航母上使用了50年，也使唯一經過實戰證明的技術。然而，美海軍在艦艇設備全面電氣化的大趨勢下，航母將採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的開發，並在費城東部的試驗基地裝備了電磁彈射器進行試驗。在2003年向國會提交的報告中說到，電磁彈射器（EMAL）：

1.電氣結構，技術上容易與其他甲板上作戰系統兼容

2.操作和維修人員編制簡化，而且與其它作戰系統人員兼容

3.彈射功率提高，有利於裝備大型作戰飛機

4.可控性和可靠性高，簡化測試

5.結構簡化，操作複雜度減低此外，降落攔截索系統同樣也將電氣化。這個項目由通用原子公司（GeneralAtomic）承包。

不過，蒸汽彈射器在功能上還是能滿足作戰的需要，而且在運作技術上相當成熟。2003年美海軍在公開的財政預算書里還提到了一項改良蒸汽彈射器設施的項目，報告裡向國會提出要求撥款提升蒸汽彈射器的試驗設施的方案，並且提到提升設備的目的以應付蒸汽彈射器服役到2050年的需要。由此看來，蒸汽彈射器還會在美航母上使用相當長一段時間的。

組成部分

內部系統

從內部結構上看，一台蒸汽動力彈射器按功能可以分成7個主要系統。

1、起飛系統

起飛系統的功能是產生動力和驅動飛機，這個系統由7個部分組成。

·彈射槽蓋/甲板軌道

·動力彈射汽缸

·汽缸縫蓋和密封條

·飛機牽引器

·推進活塞

·速度感應器

·水剎器

2、蒸汽系統

蒸汽系統的功能是儲存蒸汽，而且控制蒸汽在各管道和汽缸內的排入，流動和排放。這個系統主要有6個

組成部分

·蒸汽蓄壓器/儲氣罐

·蒸汽注入閥門

·彈射閥門

·排放閥門·減壓曲管

彈射器工作原理圖

·蒸汽管道

3、歸位系統

歸位系統的作用，是為彈射活塞和牽引器歸位提供動力和驅動。主要的部分有

·液壓發動機

·滑輪鋼纜系統

·歸位牽引器

4、液壓系統

蒸汽彈射器的液壓系統的功能主要是提供控制動力。主要的部件有

·液壓泵

·排放泵

·液壓泵

·液壓管道和閥門

·蓄壓器

5、預力系留

預力系留系統位於飛行甲板的起跑點。進行起跑之前，將飛機固定在彈射滑動器上，並且對施加預應力，以避免突然加速受力造成結構過載。這個系統的主要部件有

·張力瓶和活塞

·電控氣壓閥

6、潤滑系統

潤滑系統分布在整個彈射器結構上，主要部分有

·潤滑油缸

·潤滑油泵

·電控油閥·流量感應器

彈射器工作原理圖

·潤滑器

7、控制系統

控制系統是包括所有控制彈射器的運行的部件。主要組成部分為：

·主控制台

·甲板控制台

·飛行控制板

·鍋爐狀態顯示板

開縫汽缸和活塞直接驅動裝置是米切爾式蒸汽彈射器的一個比較獨特的結構。通過一些公開的圖片，我們可以看到它們的基本結構。

主要構件

彈射器工作原理圖

（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。

彈射氣缸是彈射器最大的一個部件，從圖片裡面可以清楚看到，整個氣缸是分段製造，最後連線而成的。每段氣缸長約4米，接口處有密封槽，整個汽缸是通過底座固定在彈射器槽的氣缸軌上而連成一體。這種多截連線氣缸結構有利於降低生產，運輸和維修的成本，而且可以更靈活地應付整體上的熱變形。

汽缸縫蓋和密封條的最重要作用是在氣缸縫外形成密封，另外，密封條和汽缸縫蓋在氣缸縫的外部形成一個完整的鉤型結構，可以夾住汽缸縫以防氣缸內部壓力增大的時汽缸縫擴大。

彈射活塞整體上可以分成3部分，第一部分是氣密活塞和活塞環，第二部分是密封條開閉裝置，第三部分是水剎錐。在活塞前進的時候，活塞同時將密封條推入汽缸蓋和氣缸縫的縫隙中完成密封。當活塞到達氣缸末端的時候，水剎錐撞入水剎器後開始減速，最後令活塞停下。

彈射過程的動力控制結構前面提到，飛機彈射時加速度要控制在可承受的負荷範圍內，這是通過控制蒸汽注入彈射氣缸的流量和流量的變化來實現的。彈射控制閥在這裡起到最關鍵的作用。這個閥門的開關速度和幅度的精確度會直接影響到彈射加速度的可控性。整個彈射過程對加速度的控制，最後是通過改變閥門的開關時間和幅度還完成的。在操作上，彈射閥門的控制需要通過一條既定的閥門調節曲線來進行。

不同飛機和不同裝備的配搭，都會有不同的彈射重量。要保證足夠的彈射速度和正確的加速度，彈射的時候要根據不同的重量制定相應的閥門調節曲線。測定這些曲線的方法，是用一種被稱為空負荷（Deadload）的滑車模仿飛機的起飛重量，　在彈射器上反覆彈射測定加速度而獲得彈射閥門的控制數

彈射器工作原理圖

隨著飛機的裝備多樣化，　飛機和不同裝備的總重量出現更多差異，　這就需要進行更多的彈射試驗。　可是，　如果在航母上進行試驗，滑車落水後要花不少人力進行回收，　所以這項試驗大部分都在裝配了彈射器的機場上進行。法國戴高樂航母裝備的是美國C-13彈射器，法國要將飛機送到美國的海軍測試基地進行試驗才最後獲得了這些控制數據。

彈射過程

彈射器一般由動力系統、往復車、導向滑軌等構成。彈射起飛時，駕駛員操縱飛機鬆開剎車，加大功率，並在彈射器動力系統的強力作用下，使往復車拉著掛在飛機上的拖索，沿導向滑軌做加速運動，經過50～95米的滑跑距離，達到升空速度起飛。當飛機升離甲板時，拖索與往復車和飛機脫鉤，落在飛行甲板前端的回收角網兜內。然後由復位系統將往復車拖歸原位，準備再次彈射。現代彈射器中已經取消拖索，往復車通過牽引桿，與艦載機前起落架直接相連。

彈射器

蒸汽彈射器型號及參數

美國在C-11蒸汽彈射器後，相繼開發了型號為C-7,C-11-1,C-13,C-13-1,C13-2的多種蒸汽彈射器。

參數\型號	C-7	C-11/ C-11-1	C-13	C-13-1	C-13-2
衝程(英尺)	253	211	249-10”	309-8¾”	306-9”
軌道長度(英尺)	276	225	264-10”	324-10”	324-10”
活塞與牽引器重量(磅)	5200	5200	6350	6350	6350
氣缸直徑(英寸)	18	18	18	18	21
衝程總容積(立方尺)	944	786	910	1148	1527

美國的大型航母一般裝置多達4台彈射器。在各種型號的彈射器當中，只有C-13-1和C-13-2型號的彈射器有足夠的功率能讓飛機在不迎風的情況下起飛。

航母	彈射器型號
CV41中途島	2xC-13
CV43珊瑚海	3xC-11-1
CV60薩拉托加	2xC-112xC-7
CV61漫遊者	4xC-7
CV62獨立	4xC-13
CV63小鷹	4xC-13
CV64星座	4xC-13
CVN65企業	4xC-13-1
CV66美國	3xC-131xC-13-1
CV67甘迺迪	3xC-131xC-13-1
CVN68尼米茲	4xC-13-1
CVN69艾森豪	4xC-13-1
CVN70卡爾－文森	4xC-13-1
CVN71羅斯福	4xC-13-1
CVN72林肯	4xC-13-2
CVN73華盛頓	4xC-13-2
CVN74斯坦尼斯	4xC-13-2
CVN75杜魯門	4xC-13-2
CVN76里根	4xC-13-2

套用難點

製造

許多文章關於彈射器製造難點的說法不盡相同，有的說開口汽缸密封是關鍵，有的說是開口汽缸製造難度很大，還有的說是彈射器的加工精度很高，也有的認為必須要有第一流的焊接技術。實際上，彈射器的真正難點在儲汽罐的製造上。以上說法只有焊接技術才算是說到了點子上。

彈射器

彈射器的儲汽罐是一種大尺寸的高壓容器。在製造工業中，高壓容器是機械工業產品中一個重要的品種，被廣泛用於化工、核工業、能源和航天技術中，是一個國家重工業水平的重要體現。雖然這種產品沒有活動部件，結構也相當簡單，但由於要承受高壓，尺寸又大，因此對制罐材料、製造設備和焊接工藝等方面提出了特殊的高要求，製造企業要有相關的生產許可證。對於航母彈射器來說，又有使用次數、重量限制和耐高溫方面的要求，故製造難度就更大了。制罐材料要用耐熱的特種合金鋼，必須要有很好的蠕變性能和抗拉強度，而且還要承受幾十萬次的彈射加壓/卸壓疲勞循環，只有幾個國家才能製造。制罐工藝有好幾種，常用的是用鋼杵穿過鋼錠，反覆鍛壓製成環節狀，經車削加工後，再將幾個環節焊成筒體，兩邊封頭用萬噸以上的水壓機整體壓出或分塊壓出，然後經過切削加工再焊接。焊接過程要嚴格按照操作工藝進行，稍有不慎，就會使部件報廢。

不過，儲汽罐的製造難度也有相對性，它和罐的直徑有很大的關係，當直徑較小時，承受同樣壓力的儲汽罐製造難度就會大幅度下降。如適當放鬆對重量的限制，也對降低難度有很大幫助。能生產小尺寸高壓容器的國家可能要超過幾十個，用來滿足中小功率的彈射器是綽綽有餘的。英國發明彈射器時，從提出方案到製造出演示裝置，時間不超過幾個月，彈射功率不大，儲汽罐的工作壓力只有每平方厘米20多千克顯然起了很大作用。近十幾年來出現了板纏繞制罐工藝，就是用高強合金板一層一層纏繞成罐體，這種方法解決了原有工藝產品重量大的缺點，製造難度也能下降許多。從某種意義上講,發展彈射器有“門檻”，但不是很高，而且也不多，設計者可以是“半路出家”，並且試驗的大部分部件可以一直用下去，開發費用不會太高，彈射器開口汽缸的直徑始終是457毫米，也可證明這一點。

試驗

艦上彈射試驗費用高而且更加危險，所以一般的數據測試，飛機彈射試驗，美國海軍都是在Lakehurst基地進行的。這個基地設有兩個彈射試驗平台，而法國航母上裝備的飛機也曾在這個基地里經過不少的試驗才能在艦上服役的。