蒸汽弹射器的发展历程以及原理

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蒸汽弹射器是航空母舰上的飞机起飞装置,一般通过核动力装置产生的热能产生蒸汽,推动飞机短距起飞,下面我们一起来看看蒸汽弹射器的发展历程以及原理。

    蒸汽弹射器的发展历程以及原理

    发明过程

    弹射器主要有三种:液压弹射器、蒸汽弹射器和内燃弹射器。世界上最早的弹射器是由美国西奥多·埃利森海军上尉于1911年研制成功的。这种原始的弹射器由三条绳索和一块法码组成,但这种弹射器太原始,几乎没起到什么作用。后来,埃利森又对这种原始的弹射器进行改进,研制成功压缩空气式弹射器,于1912年11月12日进行了人类史上第一次弹射起飞。

    不过,埃利森的发明并没有引起人们的注意。因为当时的舰载飞机重量轻、速度低,不需要弹射也可从航空母舰的飞行甲板上起飞。直至喷气式飞机诞生后,弹射器才变得日渐重要起来。而第二次世界大战结束时,航空母舰上所装备的弹射器都是液压的,弹射能量极小,根本无法满足喷气式飞机的需要。1951年,英国海军航空兵后备队司令米切尔率先提出研制蒸汽弹射器的设想。他当年就将其研制成功,并装备在海军“莫仙座”号航空母舰上。后来,美国人又于1960年研制成功了内燃弹射器,并将这种弹射器安装在“企业”号核动力航空母舰上。不过,这种内燃式弹射器至今仍不能令人满意,所以“企业”号上除了装备内燃弹射器之外,还装备有蒸汽弹射器。

    用途原理

    重型飞机要想从航空母舰上起飞,必须有蒸汽弹射器。在飞机起飞前,由位持器钢圈把尾部扣在一个坚固点上,飞机前轮附近的牵引杆垂落到一个“滑梭”内,滑梭以挂钩钩住飞机。滑梭是蒸汽弹射器唯一露在飞行甲板上的零件。飞机前面的甲板下,有两个平行圆筒,每个至少长45米,筒中的活塞与所有滑梭相连。蒸汽由母舰上的锅炉输出,增压后输入滑梭。飞机起飞时开足马力,但被位持器扣住。蒸汽弹射器一启动,飞机引擎的动力加上蒸汽压力,使钢圈断开,飞机前冲,在45米距离内达到时速250千米/小时。飞机弹射起飞脱离滑梭后,活塞前端的注管就落入水池,在几米的距离内停顿,滑梭移回原位,推动另一架飞机起飞。母舰上每个蒸汽弹射器每分钟可推动两架飞机起飞。通常航空母舰最多装设4个蒸汽弹射器。据已公开资料显示,在役蒸汽弹射器总重量接近500吨,每次弹射最大输出能量可达到95兆焦耳,最短工作周期为45秒,平均每次耗用近700公斤蒸汽。

    蒸汽弹射器是一项复杂的系统工程,除了弹射器本身的设备,还有海水淡化设备、贮水池、高压水泵、锅炉、加热装置等诸多附属设施。

    蒸汽弹射器基本工作过程

    概念上蒸汽弹射器只是一个大型蒸汽汽缸和一个蒸汽控制系统。将高压蒸汽能量转化为动能进行弹射。然而由于飞机结构强度上的限制,弹射器不但要有足够的输出功率,而且要把输出功率准确控制在飞机可以接受的程度以内。

    弹射的时候,蓄压罐内的蒸汽由弹射阀门释放到弹射汽缸内,缸内压力上升推动活塞前进。弹射阀门的另外一个更重要的作用是精确控制蒸汽进入弹射汽缸的流量变化,以此控制推力和弹射的加速度,以保证飞机结构不会超负荷。飞机升空后,蒸汽排放阀打开,让汽缸内蒸汽排出。同时,活塞和飞机牵引器被水刹器减速后停下,然后由归位系统拉回起跑点。

    蒸汽弹射器的主要结构

    从内部结构上看,一台蒸汽动力弹射器按功能可以分成7个主要系统。

    1、起飞系统

    2、蒸汽系统

    3、归位系统

    4、液压系统

    5、预力系统

    6、润滑系统

    7、控制系统

    (注:蒸汽锅炉和回收蒸汽装置在结构上属于船的动力系统,不属于弹射器的内部结构。)

    起飞系统的功能是产生动力和驱动飞机,这个系统由7个部分组成。

    ·弹射槽盖/甲板轨道·动力弹射汽缸·汽缸缝盖和密封条·飞机牵引器·推进活塞·速度感应器·水刹器

    推进活塞在进行防锈处理

    蒸汽系统的功能是储存蒸汽,而且控制蒸汽在各管道和汽缸内的排入,流动和排放。这个系统主要有6个部分组成。

    ·蒸汽蓄压器/储气罐·蒸汽注入阀门·弹射阀门·排放阀门·减压曲管·蒸汽管道

    归位系统的作用,是为弹射活塞和牵引器归位提供动力和驱动。主要的部分有

    ·液压发动机·滑轮钢缆系统·归位牵引器

    归位液压驱动器

    蒸汽弹射器的液压系统的功能主要是提供控制动力。主要的部件有

    ·液压泵·排放泵·液压泵·液压管道和阀门·蓄压器

    预力系留系统位于飞行甲板的起跑点。进行起跑之前,(www.isoyu.com原创版权)将飞机固定在弹射滑动器上,并且对施加预应力,以避免突然加速受力造成结构过载。这个系统的主要部件有

    ·张力瓶和活塞·电控气压阀

    润滑系统分布在整个弹射器结构上,主要部分有

    ·润滑油缸·润滑油泵·电控油阀·流量感应器·润滑器

    控制系统是包括所有控制弹射器的运行的部件。主要组成部分为:

    ·主控制台·甲板控制台·飞行控制板·锅炉状态显示板

    弹射器的动力结构

    开缝汽缸和活塞直接驱动装置是米切尔式蒸汽弹射器的一个比较独特的结构。通过一些公开的图片,我们可以看到它们的基本结构

    C-13弹射器的弹射气缸

    弹射气缸是弹射器最大的一个部件,整个气缸是分段制造,最后连接而成的。每段气缸长约4米,接口处有密封槽,整个汽缸是通过底座固定在弹射器槽的气缸轨上而连成一体。这种多截连接气缸结构有利于降低生产,运输和维修的成本,而且可以更灵活地应付整体上的热变形。

    汽缸缝盖和密封条的最重要作用是在气缸缝外形成密封,另外,密封条和汽缸缝盖在气缸缝的外部形成一个完整的钩型结构,可以夹住汽缸缝以防气缸内部压力增大的时汽缸缝扩大。