【探索时分】003福建号常规动力能电磁弹射吗

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航空母舰是令人生畏的海上巨兽,一架又一架的战斗机从这里起飞,呼啸着掠过蓝天。可是有一个问题,现在的喷气式飞机,在陆地上的起飞,距离动辄就要几千米以上,F-16需要2,000米起飞,可是整个航母它的长度一般不超过350米。以美国尼米兹级核动力航母为例,它的长度317米,但是飞行甲板只有不到100米。那么飞机是如何在不到100米的距离上起飞的呢?

最简单的起飞方式叫滑跃式起飞,在中共的辽宁舰、山东号,以及俄罗斯的库兹涅佐夫号上都能看到,在军舰的最前端甲板向上跃起,大概有超过12~14度的角度。飞机经过这里,自然就一个向上的角度,再打开后燃加力室,就有足够的动力完成起飞。

但是滑跃式起飞,局限非常大,很难满载起飞,以中共的歼-15为例,在辽宁号上起飞,只能携带两枚中程导弹和两枚近程导弹。并且非常耗油,为了保证有足够的动力,不得不提前打开后燃加力室。很明显,一架飞机依靠自己的动力不足以完成航母上起飞。那怎么办呢?那就要借助外力。

目前,世界上最为流行的是蒸汽弹射,而最为先进的则是电磁弹射。我们先来看蒸汽弹射

蒸汽弹射

蒸汽弹射在50年代就出现了,最早是英国人的发明,被美国人拿来发扬光大。蒸汽弹射,顾名思义,就是利用高压蒸汽将飞机弹射出去。

蒸汽弹射的工作原理

美国的核动力级航母,甲板下面是一个巨大的机械城市。其中的核心是核反应炉和蒸汽轮机,核反应炉无限提供动力,不断地烧锅炉,产生的蒸汽驱动中汽轮机带动螺旋桨,提供向前的动力。除此之外,这些蒸汽还有另外一个作用,美国的航母将大量的高温高压蒸汽集中在蒸汽室中,这些蒸汽,不是为了别的,就是为了帮助飞机起飞。

飞机要起飞时,开到预定位置,和弹射器的轨道对齐,前轮固定到一个滑块上。这个滑块是蒸汽弹射器的一部分,如果你能透视航母,你就能看到在飞行甲板的下方,一般会有一个弹射器的管线,滑动的是一个活塞气缸,活塞的顶端露出甲板,就是前面说到的滑块,它可以固定到飞机前轮上。当飞机前轮固定到弹射器上时,飞机就可以准备好起飞了。

在美国的航母上,时常可以见到穿着黄马甲的飞行指挥员。这些人负责协调和安排舰载机的起飞,可以被看作是航母上的交通警察。还有一个突出来的玻璃盖子,里面的人负责操控弹射器。

当飞机预备起飞时,链接这蒸汽弹射器的气缸阀门会打开,大量的高压蒸汽瞬间涌入到弹射器之中,产生巨大的压力。但这个时候还不能起飞,因为高压蒸汽一开始涌入的时候压力不足,也不稳定,还需要再等一会,蓄积力量。此时活塞固定让飞机留在原地。只有当活塞积累到足够压力之后,弹射器启动,飞机被巨大的动力推动着瞬间被弹开。美国航母上的蒸汽弹射器能在以750千牛的推力,在2秒内将1架20吨的战斗机,加速到每小时265公里。这个加速度换算过来,大概是4到5个G,这个G就是重力加速度。这个感觉比你平时去玩过山车要更猛一些,普通的过山车一般是一到两个G,一般来说,不会超过4个G。

飞机弹射出去之后,有一个液压的抓斗,再把之前的这个活塞抓回原始的位置,这样的话一个完整的发射周期就进行完了。听起来不难,你要是飞行员的话,什么都不需要干,坐在飞机上就可以了,和过山车差不多。

蒸汽弹射的缺点

蒸汽弹射听起来不错,但是有很大的缺点。

第一,需要消耗蒸汽。蒸汽是高温高压的气体,你如果连续使用几次蒸汽弹射器,你的压力就不足了。以美国小鹰级航空母舰的C-13弹射器为例,每一次弹射消耗625公斤的蒸汽和1吨左右的缓冲淡水。连续紧急弹射8架飞机之后航母锅炉蒸汽压力就会损失20%,整个动力就会损失32%,航速下降8节。

并且航母储备蒸汽时间非常久,将大量的水烧开产生蒸汽几个小时,但是电池储能只需要15分钟是在紧急作战下具有很大的优势。

第二,要消耗大量的淡水。每一次弹射至少要消耗625公斤的蒸汽。你看美国的视频,飞机起飞的时候,整个跑道上都在冒烟,那都是淡水蒸汽。为什么要消耗淡水呢?因为海水里面有大量的杂质,而氯化钠、镁、钠等金属形成蒸汽之后,对整个飞机上的精密仪器腐蚀性相当大,所以必须使用淡水或者蒸馏水。但是我们知道在海上是没有淡水的,你携带的淡水量是有限的。对于核动力航母来说,问题并不大,因为核动力航母的能源是无限的,可以采用低压蒸馏法,直接引进海水加热蒸馏,然后凝结就可以得到蒸馏水,可是常规动力航母动力有限。这就是为什么常规动力航母,如果用蒸汽弹射的话,会很吃力。你没有那么多的能源去保证你的蒸汽和淡水。

第三,重量太重。蒸汽弹射器需要配备蒸汽储罐、管线和辅助设备,体积和重量过于庞大。美国最新的蒸汽弹射器全套体积达1,100立方米,全重接近500吨。可是反观美国的电磁弹射设备,只需要500多立方米,全重325吨,减小了接近一半。

第四,蒸汽弹射无法精准地控制能量输出。如果飞机过重,蒸汽弹射力量不足,无法弹射;如果是小型的无人机,蒸汽弹射也无法弹射,因为所需的力量太低,导致蒸汽压力不足。

第五,传统的蒸汽弹射能量有限,最大只能达到95兆焦,而美国设计的电磁弹射器最大输出达到122兆焦,能量输出多了29%,而能量利用率高达90%。说白了蒸汽弹射就是传统的内燃机汽车,而电磁弹射,就是现在流行的电车。

电动代替机械传动势在必行。那么什么是电磁弹射呢?电磁弹射的工作原理又是什么呢?

电磁弹射

电磁弹射的工作原理

要说电磁弹射,我们要从一个简单的概念说起,直线马达或者叫直线电机。传统意义上的直流电机,输入的是电流,输出的是旋转的机械能。要想让旋转的运动改变为直线运动,在机械设计中最常见的方式是使用滚珠丝杠。但是后来人们发明了一种直线马达,能够驱动部件在直线上前进,被广泛地运用到数控机床之中。直线电机这一概念被广泛运用到工程领域,比如过山车、磁悬浮列车,中国在2006年从德国引进磁悬浮技术,其实就是在为电磁弹射做准备。

简单来说,电磁弹射的核心是用磁力弹射,可是磁场是怎么来的?由电流产生的磁场。我们知道导线通电会产生磁场,如果中间放入铁心,磁场会更强。但是出于各种工程上的原因,电磁弹射一般不会使用铁芯。电磁弹射的导轨中铺满了一个个通电的线圈,每一个有10厘米厚,大小和吃饭的盘子差不多,它们在轨道中形成一个一个磁场。而电磁弹射要推动的物体,它就是一块磁铁。在磁场里,因为同性相吸异性相斥的原理,推动滑块向前进。这些导轨中的线圈是依次通电,当磁铁通过第一个线圈的时候,第一个线圈通电产生磁场,吸引磁铁向前运动。

可是当该磁铁通过第一个线圈的时候,屁股对着磁场,异性相吸引,就会被该磁场给拉回来。那怎么办呢?有两个办法,第一就是转换第一个线圈的电流方向,从而改变磁场方向,本来是相吸引,现在变成相斥。但是频繁控制电流方向并不容易。还有另外一种方法,也是电磁弹射器使用的,当滑块经过第一个线圈后,第一个线圈停止充电,磁场消失。下一个线圈通电,在新的位置产生磁场,推动滑块向前运动。也就是说在这100米长的轨道上,形成了一个又一个动态的磁场,这些磁场接力,推动滑块在磁场中前进。

电磁弹射这个概念其实很早就出现了。大家如果去坐过山车,有的过山车就是用电磁弹射的原理推动过山车前进。甚至有的地铁线轨道交通也是采用的电磁弹射的原理。它本身并不是一个多么先进的一个科学技术。

但是运用在航母上,用在工程上却是一个很有挑战的项目。以美国福特级航母为例,电视弹射的轨道长达91米,如何保证在这么长的长度下对物体加速,以及在海洋环境下,空气中大量弥漫的杂质对磁场可能会产生怎样的影响,都会影响到电视弹射的效率。

电磁弹射需要大量电力

最近中共的003航母福建号下水。福建号是一艘常规动力航母,那么大家就有一个问题了,电磁弹射需要大量的电力,作为常规动力航母福建号有能力推动电磁弹射吗?

电磁弹射的核心是这么两句话,用电量不大,但是功率非常大。起飞一架大型的舰载机,需要能量超过140兆焦。也就是40度电,用电量大么?对于一艘航母来说并不大,但问题是,你要在2秒的时间内释放40度电,瞬间功率超过7万千瓦,这就非常可怕了。

这么多的能量无论是常规动力还是核动力,都无法在短时间内提供。核动力的好处是能够无限地持续地大功率提供能源,但是不能在瞬间产生这么多的电能。那怎么办呢?无论是常规动力,还是核动力,只有一个办法,要在短时间内提供足够能量,就要先把这些电能提前储存好。

储存电能,大家首先想到的是电容器,但这在技术上无法实现。电磁弹射的储能装置选择的是飞轮。所谓飞轮,就是把电能转化为机械能,在一个高速旋转的飞轮中储存着,飞轮的边缘线速度能达到音速以上。当然为了减少摩擦,飞轮内部都是真空。飞轮储能,是电磁弹射非常重要的一环。能量事先储存好,弹射飞机的时候直接拿来用了。

所以,对于电磁弹射来说,都需要安装飞轮储能。至于飞轮的电力来源,无所谓,常规和核能都一样。所以从理论来说,虽然003福建号是常规动力,但在飞轮储能性能有保障,电力分配高效的基础上,电磁弹射的效率并不会和核动力相差太多。

我们今天和大家介绍了蒸汽弹射和电磁弹射的区别,那么随着中共003福建号的下水,这艘航母性能到底如何?我们将在下集详细带来福建号的分析。

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责任编辑:李昊#

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