微观航母之弹射器发展史

在前两期的文章中，对弹射器的大体技术、发展历程已做了相关介绍。那么，在此基础上这期的内容就是对蒸汽弹射器（也是下一步我国海军将要发展的）的技术细节做集中介绍。

蒸汽弹射器主要由蒸汽系统、弹射（发动）机系统、润滑系统、液压系统、复位发动机系统与驱动系统、首轮拖曳系统以及弹射控制系统等几部分组成。

蒸汽系统的工作压力

蒸汽系统是蒸汽弹射器的动力源，用来向弹射机系统（Launching Engine System）提供蒸汽，它一般由2个湿式蓄压罐（或4个干式蓄压罐）、弹射器沟槽预热系统、蒸汽灭火系统，以及相关的各类阀门与蒸汽管路组成。对于蒸汽系统的核心部分“蓄压罐”，在第5期《微观航母之弹射器杂谈》一文中已有介绍。那么，在这里对蒸汽系统重点介绍的是，关乎整套弹射系统所能提供的弹射力/弹射能量的工作压力（也就是蒸汽的压力）。

美国在C-7、C-11、C-13系列蒸汽弹射器上对于蒸汽系统工作压力的选择曾经历了从低压到高压，然后又回归低压的过程。第一代的C-7、C-11型，为了适应“埃塞克斯”级、“福莱斯特”级首舰上沿用的二战时期的600psi（磅/平方英寸，美式压力计量单位）蒸汽涡轮主机的旧规格，采用的都还是550psi的工作压力。随着战后新建航母的主机蒸汽锅炉的压力提升到了1 200psi的标准，为在新一代C-13系列蒸汽弹射器的发展上采用更高的工作压力、获得更大的弹射能力创造了可能。

C-13型蒸汽弹射器的弹射行程与上一代的C-7型相同，都是76.2米（250英尺），但C-13型在最大工作压力1 000psi下可将22.68吨（5万磅）重物以140节的末速度弹出。相较而言，C-7型在其500psi最大工作压力下弹射同等重物只能达到131节末速度。若以130节末速度为标准，C-13可弹射的重量可达到32.66吨。在弹射器的弹射行程延长到了94.5米（310英尺）的C-13-1型上，在以900psi工作压力下弹射22.68吨（5万磅）时可达到150节的末速度。

借助显著增强的弹射能力，C-13-1型弹射器拥有了将34.02吨（7.5万磅）等级的舰载机加速到140节末速度的能力。如弹射A-3“空中战士”、A-5“民团团员”（题图）或F-14“雄猫”等重型舰载机时，可在无甲板风环境、不依靠迎头甲板风的帮助下，直接凭借C-13-1弹射器的强大功率弹射升空。在C-13-1型弹射器的发展中，随着“湿式蓄压罐”取代“干式蓄压罐”，弹射器的性能又有了一定的提升。在满足性能要求的前提下，弹射器的工作压力也在逐渐降低，从1 000psi降到900psi，再降到 800psi。

在“尼米兹”级核动力航母上，为了更好地适配作为“蒸汽源”的反应堆的工作状况，弹射器的工作压力进一步降低到了520psi。较于常规动力航母中直接引入主机锅炉的蒸汽，核动力航母上需要借助蒸汽发生器来将核反应堆的二次冷却循环回路的水加热沸腾，所产生的蒸汽压力只能达到600psi。在此前的“企业”号核动力航母上，为支持其1 000psi工作压力的C-13蒸汽弹射器，不得不引入了辅助加压措施。这不仅增加了弹射器相关机构的复杂性，而且还加重了反应堆的工作负担，降低了核反应堆的堆芯寿命。

所以在“尼米兹”级上使用的C-13-1型蒸汽弹射器，美国海军决定将其工作压力一举降到520psi，以便直接使用来自反应堆加热的蒸汽，无须另外搭配辅助措施。在大幅降低弹射器的工作压力后，主机不需要提供那么高温高压的蒸汽，各管路元件承担的压力负荷由此减轻，这对于改善相关管路元件的成本、寿命与作业安全都是有益的。

在蒸汽压力的标准已经固定下来、受限于航母的弹射行程（300～310英尺）已不能再延长的大前提，美海军在C-13-2型弹射器的发展上若想再提升弹射器的弹射能力，可行的方式是扩大弹射器汽缸的直径尺寸。此前英美两国发展制造的所有蒸汽弹射器的汽缸直径都是沿用米切尔设计时制定的457毫米（18英寸）的规格。C-13-2在采用533毫米（21英寸）直径的汽缸后，其汽缸容积提高了38%，更多的蒸汽进入了汽缸，活塞获得了更大的推动能量。虽然C-13-2型蒸汽弹射器的工作压力进一步下降为450psi（440～460psi），但弹射能力比C-13-1型还略有提升。

弹射机系统的组成

弹射机系统是蒸汽弹射器系统的主要部件，其功能是利用蒸汽系统提供的动力，将舰载机加速到起飞速度，完成弹射作业。弹射机系统组件较多，但大部分组件的作用都是对蒸汽进行控制，确保弹射操作时蒸汽作用到弹射发动机活塞上。

弹射机系统的主要组成部分包括弹射阀组件、汽缸、活塞总成、汽缸盖板、密封条、弹射滑块及其运行的轨道盖板（兼作为飞行甲板的一部分）、水刹、排气阀等。弹射阀组件与蓄压罐相连，工作温度下，弹射阀开启时蓄压罐内的蒸汽将释放到弹射机的汽缸中。汽缸内安装有两套活塞装置，左汽缸活塞、右汽缸活塞以及附属部件等，左右活塞由弹射滑块组件连接在一起，弹射滑块与舰载机前起落架上的弹射杆相连。弹射时，弹射机汽缸内的高压蒸汽驱动活塞运动，活塞带动滑块运动，将舰载机弹射出去。舰载机弹射升空后，活塞和弹射滑块通过安装在弹射机汽缸前端的水刹制动减速、停止运动。

弹射机系统中的“汽缸”、“汽缸盖板”、“密封条”，在《微观航母之弹射器杂谈》中已有介绍，这里重点介绍“活塞总成”和“水刹”。

活塞总成可分为以下几部分：第一部分是主活塞，位于活塞总成的尾部。所谓的“弹射力”正是高温高压的蒸汽作用于主活塞端面而产生的。为保证密封，在主活塞的表面上有三道密封槽，用于镶嵌密封圈。第二部分是活塞筒体，这是活塞总成的主体骨架，其它部件都固定在这个筒体上。筒体前后各有一法兰，分别固定引导活塞与主活塞。筒体上面有四组凸起，通过螺栓来固定活塞柄。第三部分是引导活塞，位于减速锥与活塞筒体之间，其直径与活塞一致，主要作用是使活塞总成前后保持平衡。第四部分是位于活塞总成最前端的减速锥，呈根部带有凹槽的尖圆锥形，其在制动减速过程中起主要作用。当减速锥刺入水刹缸后，在水的阻力作用下，高速活塞的能量迅速耗散，使活塞减速停止。第五部分是活塞柄，位于活塞总成的上部，其包括密封条导轨、啮合齿条以及引导端等功能部件。齿条上有一排矩形齿，与滑车（弹射滑块）上的齿条互相啮合，实现力的传递。活塞柄一方面传递力与运动，另一方面引导密封条的离位和复位。在活塞进入处，密封条被顶起，使活塞柄通过；在活塞离开后，密封带又回到密封位置，进而既能保证活塞顺畅通过，又能维持对汽缸的密封。第六部分是位于主活塞上方呈丁字形结构的密封柄，与主活塞一样表面也有三道密封槽，用来安装密封圈。密封柄的作用是填充汽缸开口与汽缸盖板之间的空隙，防止蒸汽泄漏。

作为活塞及弹射滑块的减速装置，水刹安装在弹射机的末端，能够在弹射结束时使活塞安全停下来，不至于撞坏弹射器甚至船体。水刹缸体的开口端有四个环状体，分别是撞击环、喷管、喷水环和阻塞环。撞击环位于最外侧，用于吸收活塞与水刹直接接触时产生的冲击力。喷管固定在水刹缸的端口。喷水环上分布着斜孔，引导高压水进入水刹缸内并产个涡流。阻塞环位于最内侧，中间孔径收缩，与活塞的减速锥配合限制缸体内水的流出。

当活塞的减速锥高速冲入水刹缸体后，水被挤出，随着减速锥的前进，阻塞环与减速锥之间的间隙越来越小，限制缸体内水的流出，起到了减速和吸收能量的作用。与此同时，被挤压出的水从喷管向外喷出，直接冲击到引导活塞的导流环上，进一步起到缓冲和减速的作用。在水刹的作用下，活塞总成在很短的距离内便可停止运动，不会对弹射器系统和船体造成任何损害。在水刹对活塞减速的过程中，需要大功率水泵不断供水，确保安全减速制动，防止损坏活塞与水刹缸。与每套水刹系统配套的蓄水罐中存有1万余升的淡水，而一次水刹制动就要消耗五分之一之多。

蒸汽弹射器的其它系统

润滑系统的作用是在弹射装置启动前和活塞组件运动及复位前向动力汽缸、密封条和汽缸盖等内壁以喷雾形式供应润滑油，进而确保汽缸壁在活塞通过前得到均匀的润滑。其构成上比较常规，主要由润滑泵电动机装置、润滑油箱、气动润滑控制阀、气动电磁阀和计量泵等组成，在蒸汽弹射器的汽缸盖上设3点润滑孔。

与润滑系统类似的就是液压系统，其功能是为弹射装置液压部件提供液压油。结构依旧常规，由1个主液压蓄压器、1个气瓶、3个主液压泵、1个增压泵与过滤器单元、1个重力供油箱、1个辅助油箱以及1个循环泵等组成。

顾名思义，复位发动机系统的功能就是，在每次弹射作业结束后，通过钢索迅速将活塞和弹射滑块拉回复位到初始位置，以便进行下一次弹射作业。这套系统由液压马达、液压泵站、抓曳车、复位油缸、缓冲油缸、滑轮组、复位卷筒、钢索系统、张紧机构、蓄能器组成，其实质就是一套液压系统和滑轮系统。

首轮拖曳系统先把低速移动到弹射起始位置的舰载机缓冲制动，缓冲制动过程中通过飞行甲板的引导坡道把安装在舰载机前起落架前面的弹射拖曳杆滑落到弹射滑块的挂钩上，同时前起落架后面的限位杆尾端被引导坡道内的固定器钩住。对舰载机的缓冲制动完成后，再通过张紧油缸的工作来消除弹射滑块与舰载机拖曳杆、限位杆及限位杆固定器等之间的间隙，防止弹射初始时的不必要冲击和飞机随波浪摆动，最终实现舰载机起飞前的正确定位。

从拖索弹射到首轮拖曳弹射

从液压弹射器的时代开始，舰载机的弹射采用的都是通过牵引钢索来连接舰载机与弹射滑块的。钢索的两端钩在舰载机机身或机翼内侧，钢索中间钩在弹射滑块上，钢索张紧呈V字形，弹射滑块移动时便能由钢索来牵引舰载机。拖索弹射，这种作业方式虽然简单有效，但问题是不同机型的重量、机身距地高度与重心位置都是不同的，因此航母的弹射作业中就必须针对每型舰载机准备专用的直径20～40毫米不等的钢索。这不仅增加了后勤上的负担，而且在弹射作业中挂钢索的钩挂程序也是颇费时费力的。另外，在拖索弹射F-4“鬼怪”时，其牵引钢索钩挂在机翼翼根处的挂钩上，这在一定程度上会影响舰载机机腹下武器挂载空间的充分利用。特别是战后的舰载机起飞重量大幅度增加，外挂武器的种类也在不断丰富，弹药尺寸上也在加大。所以，这种拖索弹射方式的缺点日益凸显。

由此，随着美国海军C-13系列蒸汽弹射器的研制，同时研制的还有新的弹射牵引方式——首轮拖曳弹射。舍弃了传统的牵引钢索后，在舰载机的前起落架上设置弹射拖曳杆，这样舰载机直接通过弹射拖曳杆与弹射滑块相连。弹射作业时，弹射滑块通过弹射拖曳杆牵引着舰载机加速滑行。借由弹射拖曳杆，不仅统一了所有舰载机的弹射牵引连接机构规格，降低了后勤保障难度，更为关键的是大幅简化并缩短了弹射准备程序与时间，提高了舰载机的出动率。

采用首轮拖曳弹射，舰载机的前起落架就必须经过特别设计，不仅是增加拖曳杆和液压减载筒机构，还要强化前起落架以及前起落架与机身连接处的结构。弹射的牵引点设置在前起落架上，对这部分结构的强度提出了更高的要求，但首轮拖曳弹射中的弹射承力点并不是在起落架上。起落架其实只是改变这一牵引力方向的支点。弹射力通过拖曳弹射杆和液压减载筒体传递到机身上，真正受力的还是液压减载筒与机身连接处。即便如此，起落架所受到的力也是不小的，加之着舰作业时触舰瞬间的冲击载荷，因此舰载机的前起落架都很粗壮结实。另外，由于液压减载筒还可用来收放起落架，所以我们看到弹射起飞的舰载机多是前起落架向前折叠。同时，舰载机的前轮为避开凸出甲板的弹射模块，必须采用双轮结构。

限位杆与偏流板

无论是拖索弹射还是首轮拖曳弹射，只将舰载机挂在弹射滑块上还是不行的，还需要制动手段先将舰载机拉住，否则舰载机在汽缸中蒸汽压力还未达到弹射要求之前就会在发动机推力作用下向前滑跑了，所以就需要“限位杆”（本刊2013年11期《微观航母》一文中曾介绍过）将舰载机先固定住。在限位杆的固定下，当弹射滑块上的牵引力超过额定推力，限位杆中的定力拉断栓就会被拉断，失去制动的舰载机就会在自身发动机推力和弹射器牵引力的共同作用下高速滑跑弹射起飞。

舰载机的弹射，除了需要限位杆外，还需要“喷气偏流板”这一附加装置。舰载机在弹射作业时，发动机是启动的，喷出的气流温度高、流速大。为了使弹射时舰载机的发动机气流不致伤害其后部的甲板操作人员、舰上设备、停放的舰载机以及不影响后续舰载机的弹射起飞作业，提高舰载机起降作业的效率，需要用喷气偏流板将高温燃气气流向舷外或向上引导。

喷气偏流板由一系列的水冷却板和作动装置组成。水冷却板多为4～6块并列布置，可根据航母上各机型的发动机位置及弹射姿态进行升降调节，在对气流引导的同时又不会让气流折回损坏正在弹射的舰载机尾部。作动装置附件，负责喷气偏流板的升起与回放，由液压系统、机械机构以及控制装置构成，要求具有一定的操作速度和抗喷气推力的能力。喷气偏流板的水冷却板组件是以加强筋为基础的铝合金结构，其作为飞行甲板的一部分，所以首先是要具备足够的抗冲击强度。然后，就是能承受舰载机起飞时发动机喷出的高温尾焰气流，这通过不断供应的流经冷却水管路的海水来降温。

消失的“回收角”

正是由于早期舰载机在弹射时需要使用牵引钢索来连接弹射滑块与机体、牵引舰载机加速，所以当舰载机弹射离舰后，钢索本身会随着惯性向前被抛出舰外。每次弹射就会消耗1根牵引钢索，长期累积下来这就是一笔不小的开销，所以回收重复使用是十分必要的。因此，美国海军航母便在弹射器前端附加一段突出于飞行甲板前缘七八米的角锥形结构，利用这个突出结构作为飞行甲板的延伸，前面和两侧安装上兜网，用来接住被向前抛出落下的牵引钢索，这就是“回收角”。

对于同时期的英国皇家海军航母来说，早期几艘航母上都没有设置回收角，像“海雌狐”、“掠夺者”、“塘鹅”等主力舰载机使用的牵引钢索都还是一次性的消耗品。接下来服役的F-4“鬼怪”，必须使用更坚实但也更昂贵的牵引钢索，单价大幅提高至了15英镑，这让回收钢索变得相当有经济效益。所以在英国海军唯一配备F-4“鬼怪”的“皇家方舟”号航母上，在舰艏与斜角甲板前端各增设了1座回收角。

美国海军自F-4“鬼怪”以后设计的A-6“入侵者/徘徊者”、A-7“海盗”Ⅱ、F-14“雄猫”、F/A-18“大黄蜂”、C-2“灰狗”、E-2“鹰眼”和S-3“北欧海盗”航母舰载机都采用前轮拖曳弹射，不再使用牵引钢索，没有了回收钢索的问题，也就没有使用回收角的需要。随着这些采用弹射拖曳杆机构的新型舰载机所占比例逐渐增加，以及采用牵引钢索的旧型舰载机陆续退出一线，对回收角的需求日渐降低，80年代以后的美国海军新造航母上便干脆取消了回收角。[编辑/山水]

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