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展，無人機已經開始被越來越多的國家作為重點研發點，而這其中，無人機的發射也是一個重要環節。無人機的發射方式很多，曾經和現在受到應用的主要是蒸汽彈射和電磁彈射。

1 彈射器的發展

二次大戰爆發后，由于護航的需要，開發了護航航母，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 在技術方面，為提高彈射器的效率，20世紀30年代已有人提出了“直接驅動”的結構概念，著重于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接，以減低推進活塞和牽引器這兩個動態結構的重量。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之一。美軍研發的電磁彈射器由三大主要部件構成，分別是線性同步電動機、盤式交流發電機和大功率數字循環變頻器，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現電磁現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將炮彈拋射230千米的線圈炮；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克的金屬圓環加速到490米/秒，這一成果迅速引起世界范圍內的高度重視。1976年，蘇聯科學家本達列托夫和伊凡諾夫宣布已將1.5克的圓環加速到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。從設計和工程實現的關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，滑梭以掛鉤鉤住飛機?；笫钦羝麖椛淦魑ㄒ宦对陲w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?；拘秃唵?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,使得它不僅能發射常規的艦載機,還能發射輕盈的無人機,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,技術要求也相對低,這些優點都讓它成了未來的發展方向。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 發展前景

蒸汽彈射器這種技術已經在航母上使用了50年，也是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的開發，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節范圍。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，機械的可調節性能輸出達到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控制的，從大功率民用變電的經驗可知1：100以內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合，而電磁彈射器與滑躍式起飛結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)證實有以下的優點：

（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，有利于裝備大型作戰飛機。

（4）可控性和可靠性高，簡化測試。

（5）結構簡化，操作復雜度減低。

[1]蒸汽彈射器工作原理和結構[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,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).