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时时彩注册送48链接-原创:中国蒸汽弹射器曝光?没有强劲航母动力啥都白搭

发布时间:2020-01-11 17:26:09    浏览次数:4221

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时时彩注册送48链接,作者:郑文浩

中国网络上曝光的多张卫星照片显示,在疑似中国某舰载机训练中心的起飞跑道上,出现两条延伸的白色线条,长度约为240米和200米。加拿大《汉和防务评论》2月刊发布文章称,“很多情报显示,未来江南造船厂建造的国产航母将采用舰载机弹射技术,目前正在加速准备中”。该报道称,在中国兴城海军舰载机训练基地,也在建造第三条跑道,它正是弹射器的测试项目。

这是蒸汽弹射还是电磁弹射?单纯从卫星照片上很难说清。但是弹射器问题,本质上与舰艇动力有关无论是电磁弹射还是蒸汽弹射,中国国产航母最需要的是强劲的发动机。有可能中国航母蒸汽动力还要超越小鹰级,甚至是有史以来最强大的舰载蒸汽动力。

mk系列液压弹射器

航母从原有的蒸汽弹射跨越到电磁弹射,是新世纪航母技术上的一大跨越。以美国“福特”级为代表的新一代核动力航母,已经将电磁弹射器作为“标配”。弹射器对于航母的意义已经众所周知,中国未来的国产航母,也势必面临研制弹射器的问题。之所以把弹射器的问题放在这一章节,因为无论蒸汽弹射器还是电磁弹射器,不但本身是高工艺、高技术的代表,而且和航母的动力息息相关。蒸汽弹射器的研制,其研制的最主要原因,就是舰载喷气式战斗机的出现,对航母弹射重量提出了更高的要求,而弹射重量的上限指标就是航母上最重的舰载飞机。美国海军在二战期间航母使用的mk系列液压弹射器,应对的是7吨左右的活塞战斗机。而在战后朝鲜战争期间,美军航母的液压弹射器已经难以应付。当时美军航母由于弹射能力差而舰载机重量受限,全面落后于美国空军主力战机,甚至有沦为战场打下手的可能。因此美军不惜一切代价,发展具有更大弹射能力的c系列蒸汽弹射器。

美海军官兵在清洁保养航母c-13蒸汽弹射器

1954年, 美国从英国购买了2套bsx-1型蒸汽弹射器, 支付了其所有的专利转让费, 同时获得转让的还有英国发明的斜角甲板降落系统。美国将这种专利生产型号的蒸汽弹射器称为c-11型,并将这一系列技术迅速应用到“埃塞克斯”级航母上。第一个使用一弹射器的是“汉科克”号,它于1954年5月起开始大规模现代化改装,安装了美国海军第一个斜角甲板和蒸汽弹射器。c-11可以推动17.7吨的飞机达到136节或者31.4吨重的飞机达到107.5节的速度, 弹射冲程64.5米。这样当时最先进的喷气式战斗机f7u和最好的高速攻击机a-4就都能在航母上使用。

冷战高峰期间,舰载机越造越重,也就逼着美国研制更重型的蒸汽弹射器,也就是迄今为止最成功的c-13蒸汽弹射器。这种弹射器行程为80米,可以将22.7吨的飞机弹射到155节的速度或者将35.4吨的飞机加速到139节。这就可以让美国海军使用当时最重的巨型舰载飞机,例如22吨重的可进行战术核打击的a-5和37吨中可用于战略轰炸的a-3。

1965年,为了建造核动力航母,美军又开发了c-13-1型弹射器,其长度延长到了100米,弹射能力又增加到了36吨,而且改进了牵引方式,弹射速度提高了一倍。例如例如c-13弹射器弹射一架飞机需要1分钟, 而c-13-1却只需要30秒。法国“戴高乐”号航母使用的是c-13-5型弹射器,将长度减到了75米,弹射重量降低到了28吨,因为法国航母上最重的飞机就是e-2c。

美国为“杰拉德福特”号航母研制的电磁弹射器

蒸汽弹射装置和航母动力有很大的关联。c系列弹射器一些早期型号,如c-7,就是受限于“福莱斯特”号航母的主动力锅炉,弹射速度提不上去。后来使用了专用的蒸汽补燃加压锅炉,才将蒸汽压力提高了一倍,提升了弹射器的弹射能力。即使是c-13弹射器,也有诸多的限制。它一次弹射就要消耗625公斤的蒸汽和1吨左右的缓冲淡水。蒸汽在弹射后散失到外界,如果航母以每分钟1架的速度进行紧急弹射起飞,那么连续弹射8架飞机之后航母的主动力蒸汽就会损失20%,整个动力就会损失32%,航速就要下降8节。

可见如果是单纯的蒸汽动力航母,已经无法承受重型弹射器的消耗,即使研制了弹射器,也会由于动力蒸汽输出的限制,而限制弹射重量,进而限制舰载机的作战性能。在蒸汽弹射器发展到极限,更先进的电磁弹射器就应运而生。电磁发射是采用电磁作用原理产生的电磁推力使物体加速的。因电磁驱动力与电流平方成正比,所以只要保证足够的电流输入,便能在发射装置内产生足够大的推力,使物体达到更高的速度。

电磁弹射器的工作过程大概可以这样描述:根据弹射战机的具体情况输入必要的重量和需要弹射的速度等参数,控制系统进行信息处理后向电力调节系统传递相应控制信号; 电力调节系统把储能系统输入的电能量转换成精确的脉冲电压和频率,并把该动力输入驱动装置的弹射电动机,直线电动机加速滑块带动飞机移动;加速一定距离飞机达到预期速度后,电动机制动,而飞机在惯性作用下继续向前运动,使飞机在短距离内获得一定的前进能量,同时依靠飞机发动机的动力,一同推动飞机前行,实现飞机在航母上的起飞。

2010年12月,美国电磁弹射器第一次成功将“超级大黄蜂”弹射起飞

从本质上来所,电磁炮和电磁弹射的原理完全相同。但二者的区别也很明显:第一是电磁弹射的对象是重达几十吨的战机,而电磁炮是上百公斤的弹丸,前者是后者的两三百倍。第二电磁炮的弹射发射和频率则要远远超过电磁弹射;第三电磁炮的弹丸都在炮管内部,而被弹射的战机都在弹射器外部。从具体技术上来说,研制电磁弹射器涉及到总体方案设计、弹射用直线电机的研发、储能设备制造、供电方案与电力变换电路设计。说白了,就是要把弹射飞机所需的巨大能量储存在储能装置中,在需要的时候通过高负荷的供电系统提供给直线电机,带动几十吨的战机起飞。由于这种电能的爆发极为巨大,并且要极短时间内转化为巨大的机械能,对设备的要求就十分苛刻。

2009年6月,通用原子公司被授予了价值5.73亿美元的合同,为美国海军福特级航母建造舰载电磁弹射器emals,2010年12月,美国电磁弹射器第一次成功将“超级大黄蜂”弹射起飞。这证明美国从1980年开始,历时近30年终于掌握并成功研制了航母舰载机的电磁弹射系统。美军研制新的电磁弹射器,也主要是由于美军航母未来舰载机种类更加丰富,既有更重f-35c,也有更轻的x-47b无人机。美国电磁弹射器的弹射能量目标为122mj,比c-13弹射器的95mj足足超出28%。这种弹射能量的提升,主要是两个原因,首先是f-35c的最大起飞重量达到了31.8吨,超过了现有f/a-18e/f战机29吨的最大起飞重量,其次是f-35c的单发动机配置和气动外形需要更高的弹射速度。

按照动能公式来计算,122mj能够将f-35c加速到时速315公里,而相比之下f-14的最低弹射速度能控制在时速270公里左右。f-14的低速起飞得益于变后掠翼的设计,而f-35明显不具备这一特色。因此,新一代航母舰载机需要更大的弹射能量,也就顺理成章了。此外,航母使用舰载无人机也是研制电磁弹射器的另外一个重要原因。因为电磁弹射器的加速度更加均衡,对无人机的机体结构冲击更小。

歼15

至于说电磁弹射器可控性好、反应能力强、可靠性高、体积重量小、维护费用低等优点,很多是由于电气系统本身特性,美军研制航母电磁弹射器的最大牵引还是舰载机弹射性能的新要求,也就是航母作战的需求。因此,中国是否研制蒸汽弹射器,或者跨越蒸汽弹射器而直接上电磁弹射器,主要就是要在航母动力、舰载机性能之间找到平衡点。

首先在这个平衡上,舰载机是已经确定的。因为歼15已经作为国产舰载机公开露面,从其使用周期来看,未来至少25-30年中都是中国航母的主力舰载机。相比美军的f/a-18e/f舰载机,歼-15是可以媲美美军退役f-14的重型舰载机,起飞重量更大。此外,中国国产航母未来肯定要装备类似美军的舰载固定翼预警机。这就意味着中国航母未来弹射器的水平至少要和尼米兹航母c-13弹射器的水平相当。

“小鹰”级是美军最后一型常规动力航母,图为该舰水兵在准备给航母锅炉点火启动。

中国国产航母如果使用燃气动力,那么就没有必要装备蒸汽弹射器,因为这需要在舰艇内部安装额外的蒸汽发生装置,燃气-蒸汽联合动力的效率提升有限,而且很容易被体积增大的舰体所抵消。在这种情况下,中国航母完全可以选择保持现在的滑跃起飞方式,甚至采用加大滑跃甲板角度的方法来起降舰载战斗机和预警机。尽管这相比弹射起飞有很多缺陷,但中国不是美国,妥协有时候是必须的。当然中国也可以放弃蒸汽弹射的努力,而将精力集中在电磁弹射上。

如果中国国产航母“萧规曹随”,和辽宁舰一样采用蒸汽动力,但问题是蒸汽弹射对航母动力的影响较大,而中国歼-15舰载机对蒸汽弹射器的要求又很高。因此中国国产航母的蒸汽动力水平必须和美军小鹰级持平,这样才能在保证舰载机弹射的条件下,满足航母必要的机动需求。如果考虑到更严酷的条件,中国国产航母的蒸汽动力还要超越小鹰级,甚至是有史以来最强大的舰载蒸汽动力,这样才能充分发挥舰载机的性能,同时具有很高机动速度。蒸汽弹射器和核动力的组合最为完美,也在美军的现实应用中得到了完美的证明。但中国研制核动力航母的周期会比较长,只有在充分摸索航母使用经验后才会进行。

马伟明院士

中国能否研制电磁弹射器,还是要从几个方面寻求突破点。即直线感应电机、飞轮储能装置、超级电容储能装置、大功率电力交换设备等。中国船舶重工集团第713研究所研制的一种用于发射较大质量物体的多匝电磁轨道炮,能够在7米长的轨道上以35米/秒的出口速度发射300公斤的载荷。这种电磁发射装置的研制,证明中国具备了研制电磁弹射器的同等发射功率设备的基础。外界关注中国研究电磁弹射器,很大程度上还是各大报刊对马伟明院士事迹报道所引发的。

特别是马院士一篇自述文章中提到:“某项尖端技术,是近年来世界海军强国争相发展的重点领域,是代表未来新型主战舰船标志性的核心技术……5年里,我们不分昼夜地连续攻关,就连大年初一也在实验室过。遇到的困难不计其数,承受的压力难以想象,经历了无数次的失败。在军委、总部和海军首长的高度关注和支持下,2008年我们终于研制成功小型样机,接着又做出了1:1单元设备样机,突破了全部关键技术,实现了与世界最先进技术的同步发展。当7位院士、80多位著名专家学者前来参加成果鉴定时,一位白发苍苍的老专家抚摸着样机,激动得流下热泪。”普遍被外界猜测是中国研制航母电磁弹射系统的证明。电磁弹射系统,远远不是一种新的弹射方式这么简单,要放到现代舰艇综合电力系统发展的大背景来看。

法国“西北风”级两栖攻击舰也采用了电力推进

航母这样的庞然大物应用舰艇综合电力系统,首先带来的是舰艇内部推进设备的巨大变化。每一个到过辽宁舰底部的人都会被航母巨大的蒸汽轮机、齿轮传动装置和轴系所震惊。美军的尼米兹级航母也是同样如此。由于航母动力要通过减速齿轮和长轴来推动螺旋桨,因此无论是核反应堆还是燃气轮机、蒸汽锅炉以及传动装置,都会集中安装在舰艇的最底部,而且要装配在一条直线上,占据了航母大量的空间和重量。

而使用舰艇综合电力系统,则意味着航母动力可以抛弃减速齿轮箱,缩短轴系,转而用电动机直接带动螺旋桨前进。航母的核心动力则不用必须安装在底层甲板,可以更灵活地选择安装位置,一根电缆就可以运转电机推动航母前进,从而避免水下鱼雷攻击对舰艇动力的致命打击。舰艇综合电力系统改变了航母的结构布局,意味着航母有更多空间装载武器弹药或改进舰员的生活空间。有些设想中更为激进的吊舱式电力推进装置,连轴系全都不要,而是把电动机和螺旋桨直接整合在一起,安装在航母的尾部来推动船体前进。综合电力系统除了改善了航母的内部结构布局,还提升了舰艇燃料能量的利用率。

传统舰艇的电力,不过是整体推进能量“匀出”固定一部分来进行发电,即便舰艇不是全速运行,也不会增加电能。而综合电力系统则是将航母动力机械能源,全部转化为电力,然后根据实际需要灵活分配。如果不需要航母全速运行,就可以把大部分电力用于舰载的大耗电量系统,例如我们上面提到的电磁弹射器甚至电磁炮,从而能节省燃料,油耗降低,即使对于核动力航母,也可以延缓核反应堆的使用寿命。

“伊丽莎白”号航母将是应用综合电力系统最典型的航母平台。

目前英国海军正在建造的“伊丽莎白”级是应用综合电力系统最典型的航母平台,在其服役后也将会成为世界上第一艘全电力推进航母。英国在水面舰艇乃至航母上发展综合电力系统,完全是基于本国经济实力和海军规模。英国清楚地认识到,英国不是美国,而且相比金砖四国后起之秀,英国的军费早晚都捉襟见肘。因此英国很早思考如何在减少支出的情况下,维持一支海军,特别是航母力量。而电力推进在燃油的经济型上,在减少维护成本上,在未来的扩充性上都有着明显的优势。

美国在“杰拉德•福特”号航母上使用的是所谓的“区域电力分配系统”(zonal electrical distribution system)。和英国相比,美国在经济性上着眼不多,而更多关注综合电力系统对使用高耗电能设备的意义,即如何在航母上应用电磁弹射、电磁炮、激光武器等高能系统。相比上一代航母,这些新型武器和设备将加大改变航母的能量供需结构。和英国相比,美国航母核动力没有燃气动力上油料的限制,因此美国在“福特”号航母上推进综合电力系统是提升核动力能量的利用率。例如“福特”号的设计指标是在航母反应堆基本指标不变的情况下,输出原有航母2.5-3倍以上的电力。

无论是从经济性还是高能武器设备的应用上,中国都有充分的理由将综合电力系统应用在国产航母上。据马伟明院士2010年在《海军工程大学学报》发表一篇文章显示,中国对舰船综合电力系统的研究从“九五”预研开始起步,经过“十五”和“十一五”的刻苦攻关,取得了一系列科研成果。不过舰艇综合电力系统虽然改善了航母内部结构,提升了航母能量利用率。但综合电力系统不可能凭空增加能量,如果航母没有强劲的动力,一切都等于零。相较于核动力,国产航母的常规动力则是一道必须翻过去的坎。

这里中国的选择只有两条路:要么学苏联走大功率蒸汽动力方案,要么借鉴西方走燃气轮机路线。一个让人略感沮丧的是,中国在这两方面都缺乏技术优势,并长期落后于世界先进水平。在核动力诞生之前,蒸汽动力可以说在海军强国的包括航母在内的大中型水面舰艇中占据绝对的霸主地位。美国战后发展的几型常规动力航母,从“弗莱斯彻”级到“小鹰”级,均采用蒸汽动力,而苏联的航母也同样采用蒸汽动力。蒸汽虽然具有系统复杂、配置自动化系统较难、占用的舱容大、施工周期长、维护工作量多以及经济性较差等缺陷,但是其单机功率大、技术成熟、寿命长、安全可靠、对燃料要求低的优点,十分符合航母这种大吨位水面舰艇。

除非中国永远不打算研发大型航母,否则必须保持一个“应用面小但技术含量高”的蒸汽动力技术然而由于中国建国以来没有实力发展大型水面舰艇,起步时引进的苏联驱逐舰蒸汽动力水平低,因此中国海军在有实力大量建造中型以上驱护舰艇的时候,多使用柴油机+燃气轮机的混合动力。因此中国只有单轴26.47mw( 36000马力)蒸汽动力的生产能力,而缺乏发展性能指标接近或超过世界先进水平的50000-70000马力蒸汽动力的技术。然而由于没有需求,也没有看到蒸汽动力对于大型舰艇的意义,我国连蒸汽动力相关研究、设计专业队伍都严重缺乏,除目前除某些工程学院还保留该专业设置外,原设有蒸汽动力专业的院、校均已取消该专业。

在燃气轮机上,我国虽然很早重视到了其对于现代化水面舰艇的意义,但由于整体涡轮发动机产业落后,长期处于屡战屡败而又屡败屡战的境地。由于航空发动机对于中国空中安全的意义已经得到了社会各界的公认,特别是已经引起了政府高层的重视。根据2012年底的消息,各界瞩目的航空发动机重大科技专项,日前已经上报国务院,并有望于近期出台。根据已有信息,该专项预计投入至少千亿元资金支持国产航空发动机的自主研发与制造,这是迄今为止所有重大专项中投资规模最大的一个。从这个力度来看,中国舰用燃气轮机的未来是相当光明的。

但是从航母发展的角度来看,中国采用全燃动力毕竟还不现实。蒸汽动力已经成为首要的选择。但相对于燃气轮机,我国蒸汽轮机的整体发展环境并不理想。无论是在民船还是军船领域,蒸汽动力的应用面都非常狭窄。过去民船的lng大型液化气船采用蒸汽动力,但近年也逐渐被低速柴油机和柴-电联合动力所代替。而在军船领域,中小型舰艇早已将蒸汽动力排除在外,只有在航母这类大型舰艇和核动力舰艇,安装有蒸汽动力设备。因此中国过去忽视蒸汽动力发展也是“情有可原”。但正如上文所述,除非中国永远不打算研发大型航母,否则必须保持一个“应用面小但技术含量高”的蒸汽动力技术。

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