2022年6月17日,中國第三艘航空母艦被正式命名為中國人民解放軍海軍福建艦,中國海軍邁入3航母時代。
(資料圖片僅供參考)
和遼寧艦與山東艦一樣,福建艦依然是常規(guī)動力航母,不過,福建艦的滿載排水量已經(jīng)達到8萬噸,超過了日本在二戰(zhàn)時期建造的大和號戰(zhàn)列艦,是有史以來亞洲最大戰(zhàn)艦,也是當前在美國以外建造的最先進的航空母艦。
中國人民解放軍海軍福建艦
福建艦上有一個引人注目的地方,那就是它采用了電磁彈射技術(shù)。你知道電磁彈射是什么意思嗎?它對于航母的作戰(zhàn)能力有多大意義呢?今天,我們就來簡單介紹一下這個問題。
注:由于許多技術(shù)細節(jié)是軍事機密,并沒有公開,所以本視頻只是原理性的介紹,不保證與實際應用技術(shù)完全相同。
一、垂直/短距起飛
我們知道:飛機要想起飛,就需要具有足夠的速度。在地面上跑道很長,但是航母上跑道長度有限。所以在二戰(zhàn)時,航母艦載機一般都比較輕小,而且油量、掛彈量都不能太大。二戰(zhàn)后,航母艦載機越來越大越來越重,已經(jīng)沒辦法直接在航母上起飛了。于是,人們就想出了各種辦法。比如:英國軍隊就開發(fā)出了垂直/短距起飛方式。
在戰(zhàn)爭中,如果跑道被敵人毀壞,飛機就無法起飛了。為了克服這個缺點,英國人發(fā)明了可以垂直起降的噴氣式飛機,這種技術(shù)也用在了航母艦載機上。比如英國海軍的無敵級航空母艦就是這樣。
英國海軍無敵級航空母艦
無敵級航母搭載了著名的鷂式戰(zhàn)斗機,這是一款噴氣式戰(zhàn)斗機,但是噴口可以轉(zhuǎn)向。如果需要垂直起飛,只需要把噴口調(diào)整到向下噴氣就可以了。在空中,鷂式戰(zhàn)斗機也可以調(diào)整噴口方向,噴口向后時,它就是一種普通噴氣式戰(zhàn)斗機;噴口向下時,它就可以懸停在空中;噴口向前時,它甚至還可以在空中后退。
鷂式戰(zhàn)斗機起飛
鷂式戰(zhàn)斗機的戰(zhàn)斗力如何?有兩個著名的故事:
1982年,英阿馬島戰(zhàn)爭時,亞音速的鷂式戰(zhàn)斗機擊敗了阿根廷的超音速戰(zhàn)斗機,擊落敵機23架,自身毫發(fā)無傷,鷂式戰(zhàn)斗機一戰(zhàn)成名。
1983年,一架鷂式戰(zhàn)斗機出現(xiàn)通訊故障,在空中迷路。眼看燃油即將耗盡,飛行員突然發(fā)現(xiàn)海面上有一艘西班牙貨船。飛行員急中生智,利用鷂式戰(zhàn)斗機能垂直起降的特點,在貨船上安全降落。
鷂式戰(zhàn)斗機降落在西班牙貨船上
后來,英國政府花了57萬英鎊,才從憤怒的船長手中把鷂式戰(zhàn)斗機贖回來。
飛行員和他的鷂式戰(zhàn)斗機
但是,垂直起降的噴氣式飛機有嚴重缺陷——事故率太高了。鷂式戰(zhàn)斗機被引入美國后,事故頻發(fā),被稱為“寡婦制造者“,蘇聯(lián)研制的雅克141垂直起降戰(zhàn)斗機更是如此。主要是因為垂直起降飛機在地面上向下噴氣時,很難預測湍流走向,極易出現(xiàn)事故。而且,它同樣面臨飛機重量的問題,限制了燃油和掛彈量。
那么,還有什么別的辦法嗎?
二、滑躍式起飛
飛機要在航母上起飛,就需要足夠的速度。但是航母甲板長度不夠,飛機沒有達到速度就沖出甲板,有可能落入海中。人們設計了一種方案:讓甲板末端翹起十多度,飛機沖出甲板時,速度斜上,這樣給飛機額外提供一點滯空時間,讓噴氣式飛機達到足夠的速度飛起來,這就是滑躍式起飛。
滑躍式起飛
滑躍式起飛結(jié)構(gòu)簡單,操作容易,世界上許多國家的航母都采用這種起飛方式,比如中國的遼寧艦、山東艦搭載的殲-15戰(zhàn)斗機,就采用滑躍式起飛的方式。
遼寧艦
山東艦
然而,滑躍式起飛也有它的缺點:它只能用于推重比大的飛機,即推力強勁、自身重量又不大的飛機,比如戰(zhàn)斗機。但是,對于個頭大、動力不足的運輸機、預警機,滑躍式起飛的方式就很困難。
以預警機為例。地球是球體,在海平面上,我們很難發(fā)現(xiàn)遠處敵人的艦隊和飛機。于是,人們發(fā)明了預警機——讓飛機攜帶雷達,飛到空中尋找敵人。比如:下圖就是美國的E2C空中預警機,它頭上的圓盤就是雷達。
E2-C空中預警機
預警機重量大,動力沒有戰(zhàn)斗機強勁,沒辦法使用滑躍式起飛。但是預警機又特別重要,因為在海戰(zhàn)中,盡早發(fā)現(xiàn)敵人是勝利的第一步。所以,中國的航空母艦上,配備的是預警直升機。比如下圖是遼寧艦上的直-18J預警直升機。它下方的圓柱體就是雷達。
直-18J(遼寧艦)
預警機作為航母的眼睛,直接制約著整個航母戰(zhàn)斗群的戰(zhàn)斗力。我國的預警直升機在飛行速度、雷達能力上,和美國的大型預警機還有一定差距。
三、蒸汽彈射
那么,美國航母上是怎么起飛預警機的?他們還有一項技術(shù):蒸汽彈射。
蒸汽彈射
航母飛機飛不起來,就是因為甲板不夠長,飛機達不到足夠速度。如果在飛機起飛時,像打彈弓一樣把飛機彈出去,給飛機一個初速度,飛機不就能飛起來了嗎?這就是彈射起飛的基本思路。
蒸氣彈射的原理是這樣的:在甲板下方有一個裝滿了高溫高壓蒸氣的氣缸,氣缸連接了彈射軌道下方的氣體管道,管道中有一個活塞。在彈射時,把飛機的起落架掛在活塞上,打開氣缸閥門,讓氣缸中的高壓氣體推動活塞快速向前運動,活塞再拉動飛機起落架,讓飛機迅速加速。
蒸汽彈射原理
現(xiàn)在,掌握這種技術(shù)的只有美國。美國前一代主力航母尼米茲級航母,每一艘都配備了4條蒸氣彈射軌道。
尼米茲級核動力航母
在美國之外,法國海軍的旗艦戴高樂號也有兩條蒸汽彈射軌道,他們的技術(shù)也來源于美國。
法國戴高樂號航母
利用這種方式,在航母上就能起飛大型預警機了。可是這種技術(shù)并非完美無缺。首先,蒸汽彈射裝置復雜,機械部件眾多,故障率高。其次,蒸汽彈射占用了很大的艦船空間,而且每次彈射都要消耗成噸的淡水——這些淡水來源于航母淡化的海水。不能直接用海水的原因是:海水會讓氣缸中留下大量的鹽分,氣缸就壞掉了。
蒸氣彈射還有一個嚴重的問題:彈射前,氣缸需要24小時以上的預熱時間,讓氣缸緩慢升溫,這對于瞬息萬變的戰(zhàn)場,尤其是遭遇戰(zhàn)是非常不利的。
四、電磁彈射技術(shù)
為了解決蒸汽彈射的問題,幾十年前,美國人就開始研究新的彈射技術(shù)——電磁彈射技術(shù)。它與蒸汽彈射的目的相同——給飛機一個力,把飛機彈出去。只不過,它不使用蒸汽動力,而是用電磁作用。現(xiàn)在,世界上只有兩個國家的海軍裝備了這種裝置,那就是美國最新的福特級航母和中國的福建艦。
美國福特級航空母艦
中國福建艦
電磁彈射系統(tǒng)大體可以分為四個部分:控制系統(tǒng)、電子電力系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和直線電機。
控制系統(tǒng)負責對整個流程進行調(diào)控,電子電力系統(tǒng)負責電能的發(fā)出和使用。在這方面,中國海軍工程大學馬偉明院士做出了很大突破。他提出了艦船綜合電力系統(tǒng)的概念,把發(fā)電、推進、武器等系統(tǒng)的用電綜合起來,統(tǒng)一調(diào)配。馬偉明是我國國寶級專家,他有一句名言在網(wǎng)友中廣為流傳——
馬偉明院士
儲能系統(tǒng)是干嘛用的呢?我們可以想象:為了在一瞬間把飛機彈出去,需要很高的功率。無論是核動力航母,還是常規(guī)動力航母,發(fā)電的功率都不夠。所以,在彈射之前,必須先利用電子電力系統(tǒng)把大量的電能儲存在儲能系統(tǒng)中,等到使用時,再把這些電能一起釋放出來。打一個不太恰當?shù)谋确剑涸隈R桶上有一個儲水箱,上完廁所按一下按鈕,儲水箱中一下子放出一箱水,才能把馬桶沖干凈。如果沒有儲水箱,直接從水管中放水,那是沖不掉的。
現(xiàn)在比較成熟的儲能技術(shù)是飛輪儲能。即在彈射前,利用電能把一個數(shù)噸重的飛輪旋轉(zhuǎn)起來,讓它每分鐘達到數(shù)千轉(zhuǎn),電能就變成了飛輪中的動能,這個過程大約需要45秒,儲存大約120MJ的能量。
飛輪儲能
彈射時,利用飛輪的動能迅速發(fā)電,在2到3秒的時間內(nèi),產(chǎn)生數(shù)萬千瓦的電功率,把飛機彈射出去。
飛輪放電
除了飛輪儲能外,還有超級電容等儲能方式。由于沒有解密,我們也不清楚福建艦采用了哪種。
能量從儲能系統(tǒng)釋放出來后,來到了拉動飛機的直線電機。直線電機和我們通常使用的電機并沒有本質(zhì)區(qū)別,只不過平時的電機是旋轉(zhuǎn)的:通電后轉(zhuǎn)子在定子中旋轉(zhuǎn)。直線電機相當于把旋轉(zhuǎn)電機剖開,拉直。通電后,次級(相當于轉(zhuǎn)子)會在初級(相當于定子)軌道上運動。
旋轉(zhuǎn)電機和直線電機的類比
具體來講,直線電機又可以分為幾種形式。例如比較簡單的導軌式直線電機,與電磁炮的原理相同:在導軌上放一個導電滑塊,當導體通電時會產(chǎn)生磁場,磁場又能推動導電滑塊運動。把滑塊和飛機輪子相連,飛機就能被彈射出去了。
不過,這種方式相當于一個單匝電機,要想產(chǎn)生強大推力,需要很大的電流,有可能會把導軌燒壞。線圈式的直線電機應用更加普遍。通過給軌道上的線圈通電,就能讓軌道變成電磁鐵。如果滑塊是一個磁鐵,就會和軌道發(fā)生同性相斥、異性相吸;如果滑塊是一個導電金屬,就會和導軌發(fā)生電磁感應,從而具有磁性,也能發(fā)生同性相斥、異性相吸。控制系統(tǒng)控制通電的時間,就能讓滑塊在導軌上運動起來。
線圈式直線電機示意圖
相比于蒸汽彈射,電磁彈射具有多方面的優(yōu)勢:
從彈射能量看,一次蒸氣彈射釋放能量大約95MJ,而電磁彈射是120MJ,電磁彈射高出大約1/4;而且,蒸汽彈射能量利用率只有6%,電磁彈射可以達到60%,是蒸汽彈射的十倍。
蒸氣彈射系統(tǒng)復雜,事故率高,平均事故周期405周;電磁彈射結(jié)構(gòu)簡單,安全性好,平均事故周期1300周。
蒸氣彈射無法直接控制彈射時的推力變化,根據(jù)氣體狀態(tài)方程,剛開始的時候彈射力度大,后來力度逐漸減小,加速度最大值和平均值之比超過200%。而電磁彈射可以實現(xiàn)人為控制和平穩(wěn)加速,加速度波動在5%以內(nèi),更加安全,對駕駛員也更友好。
蒸氣彈射之前要對氣缸進行預熱,時間超過24h,而電磁彈射準備時間只需要15分鐘,這對于遭遇戰(zhàn)尤為重要:早升空一架戰(zhàn)機,可能就決定了戰(zhàn)爭的勝敗。
而且,蒸汽彈射對飛機的重量有一定要求,太輕了的飛機用不了,而電磁彈射對200kg到35噸的飛機都能用,這就包含了無人機、戰(zhàn)斗機、運輸機,以及非常重要的空中預警機。
中國軍事科學家跳過了蒸氣彈射,直接實現(xiàn)了目前世界上最先進的電磁彈射技術(shù),這是我國軍事科技的輝煌成就。當然,無論從排水量、武器裝備、艦載機還是動力系統(tǒng),我國和美海軍還存在很大差距。
也許不久的將來,我國也會擁有核動力航母,那么,你想給未來的核動力航母起什么名字呢?
標簽: 鷂式戰(zhàn)斗機 直線電機 彈射技術(shù)
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