机械上,这种结构的难度是既要让驱动活塞/前引器结构在汽缸缝里自由移动,又要保持必要的工作压力。最大的技术问题是如何防止泄漏导致压力下降。不少设计者曾为此提出过多种不同的解决办法,最早的方案是在汽缸缝上设置弹性结构,既能让活塞结构通过,又可以在活塞通过后不让外漏。这种设计在40年代末曾用在XH-8液压弹射器上,性能上,XH-8弹射器可以将15000磅的负荷加速达到120英里/小时的速度。可是,试验中也发现,弹性密封装置在高压状态下密封效果很不理想。
经过一系列的研究和试验后,发现最简单的方案,是在汽缸内放置密封条,然后通过前进的活塞,将汽缸里的金属密封条直接顶入汽缸缝,并利用缸内的压力将密封条压紧,从而压力的不泄漏。
在开缝气缸开发的同时,英国的后备役人员科林。米切尔向海军建议尝试使用舰上主锅炉产生的蒸汽直接驱动弹射器的可能性。英国海军就此开展了初步试验,试验中证实了蒸汽弹射器的功率远高于液压弹射器,而且发现弹射造成的蒸汽消耗对整体推进功率影响不大。而且可靠性和安全性更高较液压弹射器更高。
1950年,英国海军开始在“英仙座”航母上正式对蒸汽弹射器进行一系列的试验。试验中,研究人员成功地解决了影响开缝式气缸工作的两个最大问题,第一是气缸缝受缸内压力扩张的问题,第二是弹射气缸本身受热后变形的问题。1952年对蒸汽弹射器的试验证明成功,这种被称为米切尔式弹射器的装置正式开始装备而且被沿用至今。
通过技术合作,美国直接参与了“英仙座”航母的弹射器试验而获得的这项技术,此后将研制成功的型号为C-11的蒸汽弹射器装备在“汉考克”号航母上,并在1954年6月1日成功完成弹射操作。航母也从此进入全面喷气时代。
值得一提的是,在40年代开发蒸汽弹射器的同时,美国曾进行了超大型的飞轮储能弹射器和电动弹射器的开发和试验。理论上飞轮储能弹射器可以达到很高的功率,但是因高速离合器的技术难题得不到解决而很快被放弃。值得注意的是,当时在电动弹射器上研究上,西屋电气公司成功研制了称为“电弹器”(Electropult)的弹射器,结构上跟目前热门的电磁弹射器结构几乎一样,采用直线电机设计,而且在弹射功率与蒸汽弹射器相似的输出。只是因为运作昂贵而被放弃。不过,飞轮和直线电机技术在最近这20年被重新开发,现在热门的电磁弹射器上运用的就是飞轮储能器和直线电机技术。
蒸汽弹射器在美国航母的装备情况
美国在C-11蒸汽弹射器后,相继开发了型号为C-7,C-11-1,C-13,C-13-1,C13-2的多种蒸汽弹射器。
参数\型号
C-7C-11-1 C-13 C-13-1 C-13-2
冲程(英尺)
253 211 249-10”309-8¾”306-9”
轨道长度(英尺)
276 225 264-10” 324-10” 324-10”
活塞与牵引器重量(磅)
5200 5200 6350 6350 6350
气缸直径(英寸)
18 18 18 18 21
冲程总容积(立方尺)
944 786 910 1148 1527
目前美国的大型航母一般装置多达4台弹射器。在各种型号的弹射器当中,只有C-13-1和C-13-2型号的弹射器有足够的功率能让飞机在不迎风的情况下起飞。
航母
弹射器型号
CV41中途岛 2xC-13 CV43珊瑚海 3xC-11-1 CV60萨拉托加 2xC-112xC-7 CV61漫游者 4xC-7 CV62独立 4xC-13 CV63小鹰 4xC-13 CV64星座 4xC-13 CVN65企业 4xC-13-1 CV66美国 3xC-131xC-13-1 CV67肯尼迪 3xC-131xC-13-1 CVN68尼米兹 4xC-13-1 CVN69艾森豪威尔 4xC-13-1 CVN70卡尔-文森 4xC-13-1 CVN71罗斯福 4xC-13-1 CVN72林肯 4xC-13-2 CVN73华盛顿 4xC-13-2 CVN74斯坦尼斯 4xC-13-2 CVN75杜鲁门 4xC-13-2 CVN76里根 4xC-13-2
蒸汽弹射器工作原理和结构
蒸汽弹射器基本工作过程
据已公开资料显示,目前在役蒸汽弹射器总重量接近500吨,每次弹射最大输出能量可达到95兆焦耳,最短工作周期为45秒,平均每次耗用近700公斤蒸汽。
概念上蒸汽弹射器只是一个大型蒸汽汽缸和一个蒸汽控制系统。将高压蒸汽能量转化为动能进行弹射。然而由于飞机结构强度上的限制,弹射器不但要有足够的输出功率,而且要把输出功率准确控制在飞机可以接受的程度以内。
弹射的动力来自高压蒸汽。由舰船的推进锅炉产生,储存在弹射蓄压罐内。蓄压罐的蒸汽的输入和调压是由蒸汽输入阀门控制。
上图:弹射器起跑准备状态
弹射的时候,蓄压罐内的蒸汽由弹射阀门释放到弹射汽缸内,缸内压力上升推动活塞前进。弹射阀门的另外一个更重要的作用是精确控制蒸汽进入弹射汽缸的流量变化,以此控制推力和弹射的加速度,以保证飞机结构不会超负荷。
上图:蒸汽注入,推动活塞/牵引器带动飞机起跑
飞机升空后,蒸汽排放阀打开,让汽缸内蒸汽排出。同时,活塞和飞机牵引器被水刹器减速后停下,然后由归位系统拉回起跑点
上图:排气开始,归位系统启动
上图:归位系统牵引弹射活塞归位 目前美国的大型航母一般装置多达4台弹射器。在各种型号的弹射器当中,只有C-13-1和C-13-2型号的弹射器有足够的功率能让飞机在不迎风的情况下起飞。
航母 弹射器型号 CV41中途岛 2xC-13 CV43珊瑚海 3xC-11-1 CV60萨拉托加 2xC-112xC-7 CV61漫游者 4xC-7 CV62独立 4xC-13 CV63小鹰 4xC-13 CV64星座 4xC-13 CVN65企业 4xC-13-1 CV66美国 3xC-131xC-13-1 CV67肯尼迪 3xC-131xC-13-1 CVN68尼米兹 4xC-13-1 CVN69艾森豪威尔 4xC-13-1 CVN70卡尔-文森 4xC-13-1 CVN71罗斯福 4xC-13-1 CVN72林肯 4xC-13-2 CVN73华盛顿 4xC-13-2 CVN74斯坦尼斯 4xC-13-2 CVN75杜鲁门 4xC-13-2 CVN76里根 4xC-13-2 蒸汽弹射器工作原理和结构 蒸汽弹射器基本工作过程 据已公开资料显示,目前在役蒸汽弹射器总重量接近500吨,每次弹射最大输出能量可达到95兆焦耳,最短工作周期为45秒,平均每次耗用近700公斤蒸汽。 概念上蒸汽弹射器只是一个大型蒸汽汽缸和一个蒸汽控制系统。将高压蒸汽能量转化为动能进行弹射。然而由于飞机结构强度上的限制,弹射器不但要有足够的输出功率,而且要把输出功率准确控制在飞机可以接受的程度以内。 弹射的动力来自高压蒸汽。由舰船的推进锅炉产生,储存在弹射蓄压罐内。蓄压罐的蒸汽的输入和调压是由蒸汽输入阀门控制。 上图:弹射器起跑准备状态 弹射的时候,蓄压罐内的蒸汽由弹射阀门释放到弹射汽缸内,缸内压力上升推动活塞前进。弹射阀门的另外一个更重要的作用是精确控制蒸汽进入弹射汽缸的流量变化,以此控制推力和弹射的加速度,以保证飞机结构不会超负荷。 上图:蒸汽注入,推动活塞/牵引器带动飞机起跑 飞机升空后,蒸汽排放阀打开,让汽缸内蒸汽排出。同时,活塞和飞机牵引器被水刹器减速后停下,然后由归位系统拉回起跑点 上图:排气开始,归位系统启动 上图:归位系统牵引弹射活塞归位 蒸汽弹射器的主要结构 从内部结构上看,一台蒸汽动力弹射器按功能可以分成7个主要系统。 1.起飞系统 2.蒸汽系统 3.归位系统 4.液压系统 5.预力系统 6.润滑系统 7.控制系统 (注:蒸汽锅炉和回收蒸汽装置在结构上属于船的动力系统,不属于弹射器的内部结构,因此本文就不在这里陈述了。) 起飞系统的功能是产生动力和驱动飞机,这个系统由7个部分组成。 •弹射槽盖/甲板轨道 •动力弹射汽缸 •汽缸缝盖和密封条 •飞机牵引器 •推进活塞 •速度感应器 •水刹器 上图:生产测试中弹射槽盖 上图:弹射槽结构 上图:推进活塞在进行防锈处理 蒸汽系统的功能是储存蒸汽,而且控制蒸汽在各管道和汽缸内的排入,流动和排放。这个系统主要有6个部分组成 •蒸汽蓄压器/储气罐 •蒸汽注入阀门