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西西河水浪打浪,一浪打到网易上。我本是喜欢纸上谈兵的一介草民,在西西河那边开了一个小铺子,这是海外华人的一个精神家园。我是一个一坐下来就不动窝的懒人,但架不住友人的邀请,到网易也开了一个茶摊。阿庆嫂是怎么说来着:来的都是客。希望您能喜欢我这小号。来来来,先握一个手! 当然,主有主规,客有客道。请勿随地吐痰,喧哗扰众,或者乱贴小广告。不欢迎指桑骂槐,更不准恶语伤人。

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中国航母猜测(二)  

2010-03-27 22:59:16|  分类: 纸上谈兵 |  标签: |举报 |字号 订阅

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造航母最难的不在于那个船体,造更大一个铁壳子中国人也有这个本事。也不在飞机,歼-10、歼-11改装上舰可以管一阵子用的了,再说飞机和造船也是两码事。也不是电子设备,没有最好的,但有够用的也可以对付一阵子了。造航母最难的是怎么把飞机弄上天去,固定翼飞机这一跃可是非同小可。起飞技术才是航母的最关键技术。


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 二战时代,舰载飞机是靠自身动力从航母上滑跑起飞的。这是美国的“大黄蜂”号上“地狱猫”战斗机正在准备出击攻击日本的“大和”号战列舰及护航舰队


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现代航母上多用蒸汽弹射助推,给沉重的喷气战斗机增加起飞速度,达到安全离舰


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蒸汽弹射系统的示意图,注意甲板表面下的汽缸和滑块,钢缆和滑轮系统是帮助滑块复位准备下一次弹射用的


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拦阻索系统示意图,注意钢缆、滑轮系统连接到液压缸上,液压缸起减速作用


二战时期的航母飞机大多是靠自己动力滑跑起飞的,但液压弹射起飞也开始用了。那时飞机的低速性能好,总重小,这就可以起飞了。战后喷气战斗机需要的跑道越来越长,但航母的尺寸是有限的,所以英国人发明了蒸汽弹射起飞,用高压蒸汽推动活塞,活塞推动战斗机,很快达到起飞速度,飞机得以安全离舰、加速爬升,转入正常飞行。但这说说容易,做起来麻烦事一大堆,要不也不至于世界上迄今只有美国制造蒸汽弹射装置,连心高气傲的法国在造戴高乐号的时候也要向美国购买。


高压蒸汽注入汽缸,肯定不能一面在锅炉里烧蒸汽,一面往汽缸里灌。蒸汽弹射需要很大的爆发力,只有用高压汽包储存高压蒸汽,在使用前由锅炉向汽包里灌注,使用时打开阀门,一下子把高压蒸汽注入汽缸,产生爆发性的推力。这里有几个问题。
1、汽缸一下子不但受到高压,还同时受到高温。为了防止热膨胀造成裂纹,必须常年保持汽缸处于热状态,只有检修或者一段时间不用,才能撤热。再次使用前要按照规定的速度预热到工作温度,太慢了耗时间,太快了要造成热应力,导致损坏。
2、汽缸直径要大,才能形成足够大的推力。但大直径活塞不仅制造维修困难,还极大地增加了蒸汽负荷。
3、即使采用大直径活塞,活塞也是越推进越没有力气,加速度渐渐降了下来,极端情况下甚至可以随冲程的增加而最终开始减速。而弹射起飞需要的恰恰相反,飞机应该维持恒定的加速度,这样可以达到最大的离舰速度,而对飞机只有最低的应力。对于活塞来说,还有飞机释放后要迅速减速的问题,这增加了冲击和磨损。
4、蒸汽弹射的间隙使用使管路里可能产生冷凝水,但高压蒸汽推动下的冷凝水可能造成水锤现象,对管路的危害极大。轻则造成可怕的锤击声,重则造成管路爆裂。高压蒸汽系统还有很多别的恶劣性质,工业上看到高压蒸汽像看到大老虎一样,没有办法的时候只得硬着头皮上,但能避免的时候还是尽量避免。
5、航母动力有很大一部分被蒸汽需求吃掉,美国用核动力有很大一部分考虑就是蒸汽需求,而不完全是无限航程或者不挤占航空燃油的容积。
6、蒸汽弹射需要消耗大量的高纯淡水,用海水或者不纯淡水会造成严重的腐蚀和结垢问题,这也是航母用核动力的另一个原因。
7、在高寒海区使用的时候,蒸汽冷凝造成的结冰是很大的危害。汽缸、汽包和管路保持加热还好说,甲板表面就不大可能全部用蒸汽或者电除冰了。这是苏联最后放弃蒸汽弹射的一个原因。


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在寒冷海区,甲板上本来就有结冰问题,使用蒸汽更加加剧了这个问题


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高压蒸汽使用起来很麻烦,管路里的冷凝水在高压蒸汽的推动下,像铁锤一样砸过来,很容易损坏设备,这是工业上蒸汽管路发生“水锤”时设备损坏的样子


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蒸汽弹射有那么多麻烦,但好处也是显然的,像E-2C预警机这样的重型飞机没有蒸汽弹射就很难上舰


蒸汽弹射起飞有那么多麻烦,但好处还是显然的,最大的好处是容许弹射起飞总重较大的飞机,极大地增加了飞机设计和使用上的灵活性。但如果能保持蒸汽弹射的好处,而避免那些麻烦,这岂不更好?电磁弹射就是这样一种技术。

电磁弹射不是用磁铁同性相斥那样把飞机真的弹射出去,而是用直线电动机把飞机加速,达到起飞速度后释放。直线电动机是交流电动机的一个很特别的特例,把定子一线铺开,转子不再转动,而是沿着定子随电磁场的递进移动而拉动。磁悬浮列车就是用直线电动机驱动的。直线电动机的拉力不随冲程而降低,线圈适当安排的话,甚至可以逐渐加速,这比蒸汽活塞的速度逐渐降低要有利得多。直线电动机也没有热应力和结冰的问题,或者对淡水的需求问题。直线电动机本身的技术并没有什么太了不起的,电磁弹射还有利于控制助推力,适合于不同重量级的飞机从航母上起飞。中国在研制和建造磁悬浮列车的过程中,对大功率直线电动机也深有体会。电磁弹射的难点在于超级电容或者飞轮储能。


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直线电动机就是把通常电动机的定子和转子倒一个个儿,使通常电动机的转动变成直线电动机的直线运动


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要是对切割磁力线造成的运动方向感兴趣,这是另一个示意图


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电磁弹射在原理上和磁悬浮列车相似,上海的磁悬浮是世界上第一条也是目前唯一的一条投入日常运行的磁悬浮线路,从某种意义上说,中国具有世界上最丰富的磁悬浮使用经验

 

和蒸汽弹射不能靠现烧锅炉灌汽一样,电磁弹射需要的超大电流也不能靠发电机现发,而是需要用超级电容储存电能,然后放电。随着电动汽车的发展,超级电容有了长足的进步。上海的电动公共汽车据说就是用超级电容驱动的,说明中国在超级电容方面也有了不俗的进步。另一个充放电的方式是用飞轮储能,据说美国下一代航母的电磁弹射就是用飞轮储能的。

电磁弹射的另一个好处是可以和滑跃起飞相结合。滑跃起飞对飞机没有助推,但通过一个向上的滑板角度为离舰的飞机提供了一个初始迎角,增大机翼升力,达到缩短滑跑距离的目的。滑跃起飞省却了弹射系统,根本性地解决了助推系统的可靠性和循环工作问题,增加了持续出动率,飞行员对起飞全程可以控制,起飞过程对飞行员和设备的过载小,但飞机总重受到最大推力的限制,不能太高。即使像苏-33那样的高推重比的战斗机也不能满载起飞,螺旋桨的预警机之类就更难了。相比之下,蒸汽弹射可以把较重的飞机打上去,但有可靠性、重量、维修工作量和出动率的问题。弹射本身是几近无控的过程,对飞行员和机上设备的过载很大。从无控的弹射到飞行员自主控制的正常飞行的安全过渡也对飞行员的训练和身体要求很高。在系统上,蒸汽弹射需要耗用大量高纯淡水,对航母的动力系统是一个不小的负担。将蒸汽弹射和滑跃起飞两者相结合或许是取长补短的好主意,但蒸汽活塞不能曲线运动,很难结合。电磁弹射就不一样了。


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滑跃起飞其实是英国人发明的。英国为了解决“鹞”式战斗机载弹、航程不足的问题,发明了滑跃起飞,使“鹞”式不再必须采用垂直起飞


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滑跃起飞对降低航母吨位的作用很是明显,图中从前到后为西班牙“阿斯图里亚斯亲王”号、美国“黄蜂”号(两栖攻击舰)、美国“弗雷斯特”号、英国“无敌”号,其中“阿斯图里亚斯亲王”号和“无敌”号采用滑跃起飞,“弗雷斯特”号采用蒸汽弹射起飞。“黄蜂”号具有搭载“鹞”式战斗机的能力,但主要还是用于直升机,所以保留了平甲板


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俄罗斯的“库兹涅佐夫”号是世界上第一艘采用滑跃起飞、拦阻索降落的航母,英国、西班牙等国的小航母只用滑跃起飞,但降落是垂直的。考虑到中国没有垂直/短距起落战斗机,“库兹涅佐夫”号的方式具有更大的借鉴意义


电磁弹射在技术上和磁悬浮的推进部分是一个意思。磁悬浮的轨道是可以弯曲的,电磁弹射轨道也同样可以弯曲。美国下一代航母CVN79“福特号已经决定采用电磁弹射,但依然采用平甲板,而不是滑板。这和美国海军的技术传统和飞行员训练体制有关,不等于中国就不能把两者结合起来。

结合起来后,电磁弹射从唯一的加速手段降格为助推手段,大大降低了对电磁弹射的要求。如果用滑跃起飞获得一部分起飞速度和迎角,用电磁弹射辅助加速,有望大大扩展可以起飞的飞机总重和种类。电磁弹射的直线电动机的定子可以沿弯曲的滑板布置,这是蒸汽弹射所不可能做到的。在电磁弹射故障的时候,也可以用滑跃起飞临时应急。在紧急防空截击的时候,也可以纯用滑跃起飞,不受充电时间的限制。防空起飞本来也不需要满载,轻载还可以增加机动性。在电磁弹射还没有成熟到可以可靠应用的时候,也可以用滑跃起飞先形成战斗力,退而求其次总比什么都没有强。
在电磁弹射技术不断进步的时候,也容易升级以提高能力,甚至在改装期间可以继续通过滑跃起飞以保留起码的作战能力。

如果和电磁拦阻索相结合,在拦阻降落的飞机的时候,还可以发电,向超级电容或者飞轮充电,一方面节约燃料,另一方面加速充电。高强度战斗的时候,反复起降正好可以帮助缩短充电时间,一举两得。随着超导技术的发展,电磁弹射的前途不可限量。

总而言之,单纯用滑跃起飞能较快地解决中国有无航母的问题,但很快就会遇到种种限制,最后陷入技术上的尴尬。中国对蒸汽弹射并无经验,各种技术问题要解决起来技术风险一点不比电磁弹射小,现在从头研制蒸汽弹射的话,费时费力,还不能和滑跃起飞相结合以取长补短,既保证长远的技术潜力,也容易尽快形成战斗力。滑跃加电磁是比纯滑跃或者纯电磁或者纯蒸汽更加有利的技术方案。

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