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第三艘航母 网友制作我军两种弹射器对比图

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新浪军事 发表于 2018-2-14 14:30:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
第三艘航母选哪个?网友制作我军两种弹射器对比图



美媒称中国第3艘航空母舰正在建造当中,新航母很可能比2艘“前辈”更大,并跳过蒸汽弹射器转而直接使用电磁弹射器,从而允许更大、更重的飞机携带更多武器,执行更远距离任务。而近日网友就制作了一组电磁弹射和蒸汽弹射对比图,以直观比较中国新航母采用两种弹射器的效果。(来源:超大 adds1111)
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电磁弹射器(即所谓EMALS)是新一代航母的核心技术之一,对于提升其作战效能有着巨大的价值。但长期以来,关于电磁弹射的发展应用存在一系列不准确、不全面的观点,也带来了诸多的误解和人云亦云。本文就将探讨“电磁弹射”的基本技术原理和优势,以及围绕其的争议和问题。
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首先需要明确,电磁弹射技术属于广义上的“电磁发射技术”的一种,其实质是将电磁能变换为发射载荷动能的一种能量变换装置。除了电磁弹射外,目前发展中的军用电磁发射技术主要还有“电磁轨道炮”和用于航天发射的“电磁推射”两大类。但不管其用途如何,所有的电磁发射系统都是利用脉冲功率发生装置产生的电磁力推动负载达到最大速度的装置,其核心部分主要由储能系统、脉冲功率变换系统、脉冲发射装置和闭环运动控制系统四部分组成。
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电磁发射系统的工作原理是:储能系统以较小的功率长时间地从电网吸收和存储能量;当储存的能量满足发射所需后,一旦接收到发射命令,立即向脉冲功率变换系统释放能 量;脉冲功率变换系统将储 能系统释放的电能变换为脉冲发射装置工作所需的脉冲电能,产生电磁力推动发射体运动;闭环运动控制系统实时地控制发射体的运行轨迹,确保在预定的位置将其加速至设定的末速度,完成发射任务。
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按照其用途、发射轨道长度和末速度的不同,电磁发射技术可以区分如下:1、电磁弹射技术,主要应用于航母舰载机弹射,发射轨道长度一般不超过100米,其末速度可达100m/s (360公里/小时)的级别; 2、电磁轨道炮技术,主要用于军用电磁炮和近防炮,其发射轨道?度一般在10米以内,末速度可达3km/s(8-9倍音速);3、电磁推射技术,主要用于航天器发射,其发射轨道速度在千米级别,其末速度可达8km/s(第一宇宙速度)。
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在具体讨论电磁发射技术时,还有一个非常需要注意的技术指标:在其发射过程中产生的加速度,一般使用标准加速度g(约为10m/s2)来加以标称。在很多时候,加速度G值是一个至关重要的指标。对于一般人来说,超过3g的加速度就难以忍受,即便是久经训练的?行员也只能短暂承受不超过9g的加速度,超过限度就有可能产生短期或永久的身体伤害乃至死亡。而各种设备同样有G值的限制,一般的?航客机不能超过2.5个g,否则就有空中解体和结构损坏的可能。即便是战斗机,其可承受的g值也相当有限,比如肥电F35在最初设计中,其可承受的最大结构加速度值也不过6.5g。
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在电磁发射领域,由于其可以实现相当稳定的加速过程,其发射过程可以近似简化为牛顿力学中的零初速度匀加速过程。根据相应的运动公式,其发射过程中所需的加速度其实只受到发射轨道长度S和末速度V两项的影响。更精确一些的说,其加速度和轨道长度成反比(轨道越长,所需的加速度越小);和末速度(最终速度)的平方值的一半成正比(要求的末速度越大,其所需的加速度越大,而且成平方式递增)。由此,我们在附表中给出三种电磁发射方式的参数,及其所需的不同加速度。
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三类电磁发射技术在g值数据上有巨大差异,我们可以发现:稳定、可调、较低的g值成为了电磁弹射优越于传统蒸汽弹射方式的最大优点。另一方面,尽管本文不会展开,但在实际发展中,动辄几千甚至4-5万的超高g值要求成为了阻碍“电磁轨道炮”和“电磁推射”技术实用化的最大拦路虎。而要讨论电磁弹射的优缺点,就必须将其和当前正在使用的蒸汽弹射技术进行对比。在马院士团队的相关论文中,给出了电磁弹射器与当前最成熟的蒸汽弹射器(MD的C-13型)的相关参数对表。将数据两相参照,电磁弹射的压倒性优势一目了然:
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首先,请注意“加速度峰均比”。这里就是前面提到的电磁弹射的一项关键优点:稳定的加速度g值。前面已经提到,不论是电磁弹射还是蒸汽弹射,其加速过程中的平均加速度只和轨道长度和最终速度两项有关。在这两项相同的物理理条件下,其弹射过程中的平均加速度应该是一致的。但在实际操作中,其加速的稳定程度差异巨大:电磁弹射的加速过程非常稳定,最大加速度不过比平均加速度高5%而已;而蒸汽弹射的最大加速度,可达平均加速度的2倍以上!
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其实,美军航母飞行员早就注意到了蒸汽弹射加速不均的问题。他们经常吐槽,蒸汽弹射器在其后半段产生的加速度还不如飞机自己发动机的能力。但在蒸汽弹射器的启动阶段,其产生的加速度却可达6g或以上!这么高的g值,不但对飞机的结构设计和维护提出了了很大的挑战,更对航母飞行员的健康带来了相当大的潜在伤害。为此MD海军对舰载机的设计检修以及航母飞行员的弹射飞行次数都进行了严格的规定和限制。
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在电磁弹射方式下,这一问题迎刃而解。以美帝标准的300英尺(约91米)轨道,末速度约为130节(约240公里/小时)的弹射标准计算,其弹射过程中所需的平均加速度不过2.5g左右。以电磁弹射器不超过5%的峰值加速度计算,弹射过程中的最大加速度显著低于3g。这是一个比许多过山车还低的数值,理论上来讲,你我这样的普通人也可以在后座上体验一下电磁弹射的滋味,而基本没有不适。
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这样的稳定性,不但可以缓解舰载机的设计和维护压力,更可以最大限度的保护舰载机飞行员,让他们发挥出最大的能力。对此,马院士团队论文中认为:(电弹)推力可控,加速平稳,可大幅减小对舰载机和各部件的冲击,有利于飞机结构的设计,并可使机体的使用寿命延飞31%,也能缓解飞行员的身心压力。
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接下来,请注意“弹射末速度范围”和第4项“末速度误差”。在前面的讨论中,我们已经知道弹射所需的平均加速度取决于末速度和轨道速度两项。通过这两者的数据范围,我们可以基本估计出电磁弹射允许的平均加速度范围:0.5g到6g;而蒸汽弹射则是3g-6g左右。再加上前面提到的峰均比问题,任何要上蒸汽弹射的飞机,最少也需要能承受6g以上的结构加速度。这实际上,就对可弹射飞机的种类和结构设计设置了了很高的门槛。尤其是对无人机上舰,带来了很大的问题。
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现代大型军用无人机的起飞速度一般可以控制在100公里/小时(约30m/s)左右,这基本也就是电磁弹射器设计的起飞速度下限的由来。在这样的起飞速度下,使用电磁弹射器所需的平均加速度不过0.5g,无人机基本无需大的修改就可以正常上舰。可如果使用蒸汽弹射器,就必须修改其基本设计,让其可以承受6g以上的结构加速度。这样的修改伤筋动骨不说,还必然要付出重量、成本、载弹/油性能方面的巨大代价。
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同样的问题,也发生在舰载运输机、预警机、反潜机、加油机方面。如果不考虑舰载起降的需要,这些类型飞机的过载要求基本上都只需要2.5g左右。可如果使用蒸汽弹射的话,就要进行大规模的结构强化,并为此付出相当大的性能代价。而如果使用电磁弹射,并配合采用用相应的电磁拦阻方式的话,可以大幅度降低这些舰载机的结构过载要求,从而相当大的提升这些飞机的使用性能。如果说这个问题对于已经有成熟机型的MD来说不过是锦上添花的鸡肋的话,对于一切从头来过,机载动力还常常不给力的TG来说,就不但算是雪中送炭还更是天作之合。
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在这里还需要注意的指标是“弹射飞机质量”和“最大弹射能量”。在马院士团队的相关论文中对此描述如下:蒸汽弹射器通过机械方法控制注入汽缸的蒸汽,推力无法精确控制,并且输出的能量调节范围也很有限,因此过重和过轻的飞机都无法弹射,这就是目前美国现役航母上无法装备重型舰载机和轻型无人机的重要原因。EMALS的最大弹射能力比蒸汽弹射器高出约29%,最高达122MJ,并且EMALS输出能量调节范围大,因此其弹射能力是蒸汽弹射器无法比拟的。
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正如以前相关帖子中强调的那样,航母战斗群的核心是舰载机!无论攻防两端,飞机才是航母战斗群真正的武器和依靠。航母本身只是承载和支持这些利器的基地,舰载机才是航母的战斗力所在。要想打造出能和美军在大洋上一较高低的航母,就必须拥有可以与之有效对抗并进行压制的新一代舰载机。从我国战斗机的发展现状来看,无论是当前唯一可用的舰载机J15,还是唯一成军的四代隐形机J20,都是最大起飞重量在30吨以上的重型战斗机。再考虑到相比中型机的效率提升,下一代舰载机继续走重型路线是最为合理和高效的选择。
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电磁弹射器的大推力再搭配过载控制方面的巨大优势,相信我国的下一代隐形重型舰载机,可以在几乎所有方面稳稳压过MD当前发展的F35和F18组合,从而为我们的航母战斗群带来世界上最强的矛头。而电磁弹射出色的能量和弹射质量调节范围,也为舰载无人机的广泛运用提供了条件。这些越来越成熟、精密、智能的无人机,则无疑可以为航母战斗群提供锐利的眼睛和低成本、低风险的打击工具。这两者的组合,无疑远超所谓中型多功能机的思路。让其显得低不成、高不就。
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这里还需要关注的是“能量效率”和“准备时间”这两项指标。关于电磁弹射的一个常见误解是其消耗的能量巨大,非采用核动力不可云云。这说法不但广为流传,还一度被很多人认为是国产常规航母只能采用蒸汽弹射的证据。但事实恰恰相反:电磁弹射相对于蒸汽弹射的另一项重大优点就是节能高效和使用便利。
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蒸汽弹射器的能量效率仅为4%~6%,而EMALS的能量效率比蒸汽弹射高出10倍,可达60%左右,大大提高了能量利用率。蒸汽弹射器一次弹射作业需消耗614kg蒸汽 ,耗用航母大量的淡水资源和加热淡水所需要的能源。而EMALS在3S的弹射时间内功率约为100MW, 折算下来仅消耗约83kW·h电能。另外,对于润滑油、冷却水等其辅助需求,EMALS也具有很大的优势。
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如其所述,一次电磁弹射的总耗电是区区83度,折合成目前的居民用电大约是45元人民币不到。而把大半吨水烧成蒸汽,并让其长期保持高压高温状态,所需要的能源和成本可就海了了去了。而蒸汽弹射器的另一个问题就是准备时间太长,“蒸汽弹射器从冷态启动时,正常预热时间长达24小时,而EMALS的准备时间不到15分钟,大大提高了战场应急反应能力和作战效率”。蒸弹的预热准备时间这么长,那使用中的应对办法就只有一个:长时间的保持蒸汽弹射系统处于工作状态。而这又进一步增加了耗能和系统维护的困难!
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这几项数据其实也可以用来破除一个常见的误解:所谓只有核动力才可以配置电弹。电弹本身对能源的利用效率远比蒸弹高得多,其难度不在于船舶发电的功率大小,不管蒸汽轮、燃气轮还是核动力,其电力水平都不难达到电弹系统的要求。其真正的难度在于对输入的外部电源如何有效的放大,将其转化为弹射时几秒钟所需要瞬时高密度能量。某种程度上讲,其实蒸弹倒和核动力更为登对,反正反应堆一直烧着,蒸汽可以持续低成本的产出。
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最后,让我们看一下这几项指标“系统质量”、“系统体积”、“人力需求”。这几项的数据,合起来其实就是说明一个问题:电磁弹射器的适装性更为优秀。相比于蒸汽弹射器器,其在重量、体积、可维护性方面都有了质的提高。和电磁弹射相比,传统蒸弹更像是维护困难的巨大机器恐龙:美国现役航母1座C13型蒸汽弹射器的总质量为538吨,体积超过1100m3 ,而EMALS的质量小于280吨,体积小于425m3。更为严重的是,蒸汽弹射的大部分质量位于上层甲板,导致船体重心升高,不利于航行稳定性,而EMALS可灵活布置的特性,能够避免这个问题。
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蒸汽弹射器多个部件之间由高温高压的管路连接,并且弹射汽缸必须整体安装,在航母上的总体安装与布置难度相当大。但EMALS采用模块化设计,直线电机可以分段安装和拆卸,各个部件通过电缆或信号网络连接,布置灵活,适装性更好。蒸汽弹射器人力需求量大,维护保养耗时耗力一直是为美军所诟病的难题,而且其全寿命周期费用高昂。EMALS采用电气化信息化手段,简化了操作方法,并可实现全系统的状态监控和故障自诊断,人力需求减小30%,维护工作量大大降低,平均故障修复时间大大减少,并且节省了全寿命周期费用。
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电磁弹射大幅减少体积重量、模块化的设计思路、便捷的安装方式,其实还提供了更多脑洞洞大开的可能性。比如,是否可以在055这样具有相对大直升机甲板的舰艇上安装弹射器,以对应一一种可以采用用弹射重载起飞、垂直降落的有人/无人机?再比如,是否可以用模块化的方式设计移动式陆上电磁弹射系统,支持实战条件下的短距起飞?是否可以考虑在西藏这种高海拔机场,引入电磁弹射系统,辅助战机在不利环境中重载起飞?不管最后答案如何,电磁弹射的高适装性至少为这些思路提供了可能。
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简单总结一下,电磁弹射技术的先进性是无可匹敌的,其各方面的预期指标完爆蒸汽弹射技术。其相关优点,尤其适合于中国海军这样没有历史包袱,又需要从头进行体系建设的新兴力量。在不远的将来,电磁弹射技术必将彻底取代传统弹射方式。
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除了希望本文能够有助于澄清一些常见的误解和讹传外,还是要表达个人的一贯观点:采用电磁弹射技术,是在高起点上建设航母战斗力的关键举措,是基于我国科技和工业发展的合理选择,是尽快形成与美军有效对抗力的重要基石。让我们一起期待,装备电磁弹射器和相关先进飞行器的中国航母003型驰骋在大洋上的英姿!(作者署名:浩汉防务)
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