【探索時分】003福建號常規動力能電磁彈射嗎

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航空母艦是令人生畏的海上巨獸,一架又一架的戰鬥機從這裡起飛,呼嘯著掠過藍天。可是有一個問題,現在的噴氣式飛機,在陸地上的起飛,距離動輒就要幾千米以上,F-16需要2,000米起飛,可是整個航母它的長度一般不超過350米。以美國尼米茲級核動力航母為例,它的長度317米,但是飛行甲板只有不到100米。那麼飛機是如何在不到100米的距離上起飛的呢?

最簡單的起飛方式叫滑躍式起飛,在中共的遼寧艦、山東號,以及俄羅斯的庫茲涅佐夫號上都能看到,在軍艦的最前端甲板向上躍起,大概有超過12~14度的角度。飛機經過這裡,自然就一個向上的角度,再打開後燃加力室,就有足夠的動力完成起飛。

但是滑躍式起飛,侷限非常大,很難滿載起飛,以中共的殲-15為例,在遼寧號上起飛,只能攜帶兩枚中程導彈和兩枚近程導彈。並且非常耗油,為了保證有足夠的動力,不得不提前打開後燃加力室。很明顯,一架飛機依靠自己的動力不足以完成航母上起飛。那怎麼辦呢?那就要藉助外力。

目前,世界上最為流行的是蒸汽彈射,而最為先進的則是電磁彈射。我們先來看蒸汽彈射

蒸汽彈射

蒸汽彈射在50年代就出現了,最早是英國人的發明,被美國人拿來發揚光大。蒸汽彈射,顧名思義,就是利用高壓蒸汽將飛機彈射出去。

蒸汽彈射的工作原理

美國的核動力級航母,甲板下面是一個巨大的機械城市。其中的核心是核反應爐和蒸汽輪機,核反應爐無限提供動力,不斷地燒鍋爐,產生的蒸汽驅動中汽輪機帶動螺旋槳,提供向前的動力。除此之外,這些蒸汽還有另外一個作用,美國的航母將大量的高溫高壓蒸汽集中在蒸汽室中,這些蒸汽,不是為了別的,就是為了幫助飛機起飛。

飛機要起飛時,開到預定位置,和彈射器的軌道對齊,前輪固定到一個滑塊上。這個滑塊是蒸汽彈射器的一部分,如果你能透視航母,你就能看到在飛行甲板的下方,一般會有一個彈射器的管線,滑動的是一個活塞氣缸,活塞的頂端露出甲板,就是前面說到的滑塊,它可以固定到飛機前輪上。當飛機前輪固定到彈射器上時,飛機就可以準備好起飛了。

在美國的航母上,時常可以見到穿著黃馬甲的飛行指揮員。這些人負責協調和安排艦載機的起飛,可以被看作是航母上的交通警察。還有一個突出來的玻璃蓋子,裡面的人負責操控彈射器。

當飛機預備起飛時,鏈接這蒸汽彈射器的氣缸閥門會打開,大量的高壓蒸汽瞬間湧入到彈射器之中,產生巨大的壓力。但這個時候還不能起飛,因為高壓蒸汽一開始湧入的時候壓力不足,也不穩定,還需要再等一會,蓄積力量。此時活塞固定讓飛機留在原地。只有當活塞積累到足夠壓力之後,彈射器啟動,飛機被巨大的動力推動著瞬間被彈開。美國航母上的蒸汽彈射器能在以750千牛的推力,在2秒內將1架20噸的戰鬥機,加速到每小時265公里。這個加速度換算過來,大概是4到5個G,這個G就是重力加速度。這個感覺比你平時去玩過山車要更猛一些,普通的過山車一般是一到兩個G,一般來說,不會超過4個G。

飛機彈射出去之後,有一個液壓的抓鬥,再把之前的這個活塞抓回原始的位置,這樣的話一個完整的發射周期就進行完了。聽起來不難,你要是飛行員的話,什麼都不需要幹,坐在飛機上就可以了,和過山車差不多。

蒸汽彈射的缺點

蒸汽彈射聽起來不錯,但是有很大的缺點。

第一,需要消耗蒸汽。蒸汽是高溫高壓的氣體,你如果連續使用幾次蒸汽彈射器,你的壓力就不足了。以美國小鷹級航空母艦的C-13彈射器為例,每一次彈射消耗625公斤的蒸汽和1噸左右的緩衝淡水。連續緊急彈射8架飛機之後航母鍋爐蒸汽壓力就會損失20%,整個動力就會損失32%,航速下降8節。

並且航母儲備蒸汽時間非常久,將大量的水燒開產生蒸汽幾個小時,但是電池儲能只需要15分鐘是在緊急作戰下具有很大的優勢。

第二,要消耗大量的淡水。每一次彈射至少要消耗625公斤的蒸汽。你看美國的視頻,飛機起飛的時候,整個跑道上都在冒煙,那都是淡水蒸汽。為什麼要消耗淡水呢?因為海水裡面有大量的雜質,而氯化鈉、鎂、鈉等金屬形成蒸汽之後,對整個飛機上的精密儀器腐蝕性相當大,所以必須使用淡水或者蒸餾水。但是我們知道在海上是沒有淡水的,你攜帶的淡水量是有限的。對於核動力航母來說,問題並不大,因為核動力航母的能源是無限的,可以採用低壓蒸餾法,直接引進海水加熱蒸餾,然後凝結就可以得到蒸餾水,可是常規動力航母動力有限。這就是為什麼常規動力航母,如果用蒸汽彈射的話,會很吃力。你沒有那麼多的能源去保證你的蒸汽和淡水。

第三,重量太重。蒸汽彈射器需要配備蒸汽儲罐、管線和輔助設備,體積和重量過於龐大。美國最新的蒸汽彈射器全套體積達1,100立方米,全重接近500噸。可是反觀美國的電磁彈射設備,只需要500多立方米,全重325噸,減小了接近一半。

第四,蒸汽彈射無法精準地控制能量輸出。如果飛機過重,蒸汽彈射力量不足,無法彈射;如果是小型的無人機,蒸汽彈射也無法彈射,因為所需的力量太低,導致蒸汽壓力不足。

第五,傳統的蒸汽彈射能量有限,最大只能達到95兆焦,而美國設計的電磁彈射器最大輸出達到122兆焦,能量輸出多了29%,而能量利用率高達90%。說白了蒸汽彈射就是傳統的內燃機汽車,而電磁彈射,就是現在流行的電車。

電動代替機械傳動勢在必行。那麼什麼是電磁彈射呢?電磁彈射的工作原理又是什麼呢?

電磁彈射

電磁彈射的工作原理

要說電磁彈射,我們要從一個簡單的概念說起,直線馬達或者叫直線電機。傳統意義上的直流電機,輸入的是電流,輸出的是旋轉的機械能。要想讓旋轉的運動改變為直線運動,在機械設計中最常見的方式是使用滾珠絲槓。但是後來人們發明了一種直線馬達,能夠驅動部件在直線上前進,被廣泛地運用到數控機床之中。直線電機這一概念被廣泛運用到工程領域,比如過山車、磁懸浮列車,中國在2006年從德國引進磁懸浮技術,其實就是在為電磁彈射做準備。

簡單來說,電磁彈射的核心是用磁力彈射,可是磁場是怎麼來的?由電流產生的磁場。我們知道導線通電會產生磁場,如果中間放入鐵心,磁場會更強。但是出於各種工程上的原因,電磁彈射一般不會使用鐵芯。電磁彈射的導軌中鋪滿了一個個通電的線圈,每一個有10厘米厚,大小和吃飯的盤子差不多,它們在軌道中形成一個一個磁場。而電磁彈射要推動的物體,它就是一塊磁鐵。在磁場裡,因為同性相吸異性相斥的原理,推動滑塊向前進。這些導軌中的線圈是依次通電,當磁鐵通過第一個線圈的時候,第一個線圈通電產生磁場,吸引磁鐵向前運動。

可是當該磁鐵通過第一個線圈的時候,屁股對著磁場,異性相吸引,就會被該磁場給拉回來。那怎麼辦呢?有兩個辦法,第一就是轉換第一個線圈的電流方向,從而改變磁場方向,本來是相吸引,現在變成相斥。但是頻繁控制電流方向並不容易。還有另外一種方法,也是電磁彈射器使用的,當滑塊經過第一個線圈後,第一個線圈停止充電,磁場消失。下一個線圈通電,在新的位置產生磁場,推動滑塊向前運動。也就是說在這100米長的軌道上,形成了一個又一個動態的磁場,這些磁場接力,推動滑塊在磁場中前進。

電磁彈射這個概念其實很早就出現了。大家如果去坐過山車,有的過山車就是用電磁彈射的原理推動過山車前進。甚至有的地鐵線軌道交通也是採用的電磁彈射的原理。它本身並不是一個多麼先進的一個科學技術。

但是運用在航母上,用在工程上卻是一個很有挑戰的項目。以美國福特級航母為例,電視彈射的軌道長達91米,如何保證在這麼長的長度下對物體加速,以及在海洋環境下,空氣中大量瀰漫的雜質對磁場可能會產生怎樣的影響,都會影響到電視彈射的效率。

電磁彈射需要大量電力

最近中共的003航母福建號下水。福建號是一艘常規動力航母,那麼大家就有一個問題了,電磁彈射需要大量的電力,作為常規動力航母福建號有能力推動電磁彈射嗎?

電磁彈射的核心是這麼兩句話,用電量不大,但是功率非常大。起飛一架大型的艦載機,需要能量超過140兆焦。也就是40度電,用電量大麼?對於一艘航母來說並不大,但問題是,你要在2秒的時間內釋放40度電,瞬間功率超過7萬千瓦,這就非常可怕了。

這麼多的能量無論是常規動力還是核動力,都無法在短時間內提供。核動力的好處是能夠無限地持續地大功率提供能源,但是不能在瞬間產生這麼多的電能。那怎麼辦呢?無論是常規動力,還是核動力,只有一個辦法,要在短時間內提供足夠能量,就要先把這些電能提前儲存好。

儲存電能,大家首先想到的是電容器,但這在技術上無法實現。電磁彈射的儲能裝置選擇的是飛輪。所謂飛輪,就是把電能轉化為機械能,在一個高速旋轉的飛輪中儲存著,飛輪的邊緣線速度能達到音速以上。當然為了減少摩擦,飛輪內部都是真空。飛輪儲能,是電磁彈射非常重要的一環。能量事先儲存好,彈射飛機的時候直接拿來用了。

所以,對於電磁彈射來說,都需要安裝飛輪儲能。至於飛輪的電力來源,無所謂,常規和核能都一樣。所以從理論來說,雖然003福建號是常規動力,但在飛輪儲能性能有保障,電力分配高效的基礎上,電磁彈射的效率並不會和核動力相差太多。

我們今天和大家介紹了蒸汽彈射和電磁彈射的區別,那麼隨著中共003福建號的下水,這艘航母性能到底如何?我們將在下集詳細帶來福建號的分析。

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探索時分】節目組製作

責任編輯:李昊#

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