太暴力了,浦东机场起飞的旅客居然在客运航班上拍到了003航母正在进行电磁弹射器测试的现场画面,港池内泛起大片水花,空中还腾起一团水雾,之前笔者还判断不可能在港池内测试弹射小车,结果被光速打脸,真是大写的尴尬!

打开网易新闻 查看更多图片

请注意水花和水雾

弹射测试:才飞了100米不到,是不是弹射器不行?

这应该是一位在浦东机场起飞或者降落的旅客在中低空经过江南造船厂航母舾装码头时拍摄的视频,比较凑巧的是003航母的舾装码头刚好在起飞路线上,所以到目前为止几乎所有的航母动态基本都是这些旅客发布的,甚至还有网友为此专门去坐一趟飞机,为的就是一睹003航母在港池中舾装的风采。

不得不说这位旅客真是太能赶时候了,因为在这位旅客拍摄视频的同时,一辆弹射的小车从航母上被弹射到了百十米开外,根据港池的大小,估计距离最多也就100多米的范围,最远应该不会超过120米,社交媒体上的网友也是纷纷留言表示祝贺,因为这是美国以外的第一个实用化的电磁弹射器,尽管在陆地上已经弹射过N次战斗机,但装到航母上之后还是大姑娘上花轿,第一次啊,能不激动么!

在大家纷纷恭喜的同时也有网友提出了一个非常尖锐的问题,电磁弹射不是很牛逼么,怎么只弹射100多米就掉水里了?要是按起飞速度再加上起飞重量,这弹射器也不应该只能飞100多米啊,是不是弹射器不行?

才飞了100米不到,真是弹射器不行?

答案是大差不差,可能有很多网友都会对这个答案很不满意,假设按40吨/240千米/小时的速度(66.7米/秒)弹射,飞行距离绝对不止这100来米,肯定是弹射器没有弹射到预定的速度,估计学过弹道计算的大佬们已经开始拿笔算了,笔者明确告诉各位,无论怎么算都差不了多少,而且有两个因素会非常明显影响弹射距离:

  • 原因一:甲板的角度是水平的,基本是0度;
  • 原因二:弹射小车有“气动设计”防止飞得更远;

甲板角度是零度的意思就是这个位置是弹道的最高点,之后就会在空气阻力以及重力的作用下不断降低,请注意,003航母滑跃甲板有一个12~14度左右的上翘,所以在弹射的末端冲出甲板之后高度就会不断降低。

打开网易新闻 查看更多图片

另一个则是弹射小车的空气动力学设计,笔者不确定003航母弹射测试小车有没有这个设计,美军在2015年测试福特号时就有这样的设计,在弹射小车头部有已开楔形钢板,小车在飞行时会受到气流作用下产生低头力矩。

这会导致原本应该平直的弹道会变得下压,也就是说“弹着点”会比正常的弹道更早接近水面,就是提早落水,从福特号测试的结果来看,小车飞出去后倒栽葱或者因为低头力矩翻滚的情况存在非常普遍,而从距离来看,差不多也是100多米左右,各位有兴趣可以看看下视频,各种角度入水都有,可以看个仔细。

另一个有趣的问题:003航母总共准备了几辆测试小车?

电磁弹射可以适应不同质量不同速度的军用飞机弹射,从0~40吨均可以覆盖,在这个范围内大概会有如下几种类型的军用飞机:

  • 重型战斗机:30~40吨
  • 中型战斗机:20~30吨;
  • 轻型军用飞机:10~20吨;
  • 无人机:5~15吨;

如果按每个区间一辆测试小车的话估计要准备4辆,不过问题来了,003航母上总共有三条弹射器,真的只要4辆就够了,剩下的去捞回来再测试一遍?笔者认为不会,小车有可能会落水破损,或者出现其他意外事故,而测试却不可能因为小车再单独另外安排一次,因此笔者认为003航母应该会准备12辆测试小车,弹射一辆捞起一辆放到岸边再下一次弹射。

你以为会因为沉底而打捞难度加大?其实不会,因为这些小车都可以设计成空腔排水量大于本身质量,所以很容易就能让小车浮在水面上,因此弹射一辆捞起一辆是非常轻松的事情,但笔者认为,捞起的应该只会放在岸边,不太可能再回到航母上进行第二轮测试了。当然也不能排除有这种情况。

同时笔者也要说明一个情况,电磁弹射并不只是现有重型战斗机的弹射,未来搞不好还有六代机弹射,总重量可能高达40~50吨,所以还可能有一档50吨的小车弹射测试,要不然电磁弹射设计就没考虑好所有的应用场景。

电弹与蒸弹的区别:只是不冒蒸汽吗?

在一片恭喜003测试电弹的祝贺声中,也有网友表示,这蒸汽弹射与电弹在甲板上都一个样,怎么就能证明这003航母用的就不是蒸汽弹射器,一定是电磁弹射器?这个问题其实挺好,下文先来看个《深入敌后》的片段,你就知道电弹和蒸弹之间的差别了

上图是好莱坞大片《深入敌后》中F-18舰载机从航母上起飞的场景,在发动机打开加力的同时,甲板上的弹射器将其送入了空中,飞机起飞后甲板上“蒸汽腾腾”,这就是从弹射滑轨经过的位置泄露出来的蒸汽。

蒸汽弹射与电磁弹射最大的不同就是蒸弹提供动力的是高压蒸汽推动的长开口气缸,一般都是双气缸增加功率,结构看起来非常简单,就是一个气缸+俩活塞,如下图所示,估计大伙都能看个明白:

打开网易新闻 查看更多图片

这个是整体结构图,如下是甲板下的开口气缸的结构:

如下是整体蒸汽以及管路与控制系统的结构简图:

学过液压管路的网友应该很容易明白这个过程,这里有几个关键技术,一个是从核动力蒸汽包引入蒸汽到弹射器位置,另一个则是长开口管线的密封问题,还有则是弹射滑块到行程末端时的减速缓冲问题。

估计大家最想知道的就是开口气缸的密封问题吧,这个密封技术上难度比较高,但原理却很简单,由于必须引出力臂加载到弹射滑块上,所以必须开口,但这个开口后高压蒸汽冲击下密封很难,所以引入了一种“拉链密封”模式,简单地说就是气缸后面拖着一块密封体,在滑块经过的位置就把这泄露口给堵上。设计出这玩意儿的绝对是个天才。

密封结构示意图

其他问题都可以克服,所以蒸汽弹射也用了很多年,只是蒸弹的问题也挺多,主要还是效率太差了,连续弹射对航母影响挺大,根据美军的使用经验,蒸弹面临如下情况:

蒸汽弹射的能量利用率很低,据测算大概只有6%~10%,一次弹射会消耗625公斤的蒸汽和1吨左右的缓冲淡水,连续紧急弹射8架飞机之后航母锅炉蒸汽压力就会损失20%,整个动力就会损失32%,航速下降8节

另一个则是蒸弹的体积与质量实在是太大了,蒸汽包、蒸汽管路、蒸汽气缸,比如美国现役航母1座C13型蒸汽弹射器的体积超过1100立方米,总质量为538吨,差不多是两架波音-747飞机的空载总质量还要高出80吨左右,是不是很恐怖?

打开网易新闻 查看更多图片

电弹和蒸弹在甲板上最大的不同还真的只是不冒蒸汽而已,各位看看如上的福特号航母测试电弹结果就知道了,其他看起来没啥差别,不过甲板上的声音应该也会有些不一样,但笔者没有仔细去分辨这个差别。

但在甲板下差别可就大了,电磁弹射与蒸汽弹射完全就是两条技术路线,比如电磁弹射驱动弹射滑块的是一个轨道长达70多米的重接线圈组成的电磁轨道,这其实是电磁炮的一种,这种模式容易改成开口带动弹射滑块并且还可以多组并联增加弹射功率,如下图可以看得比较明白:

上图左侧是福特号电磁弹射安装时的照片,右侧是重接式线圈的结构图,各位看看相似度是不是很高?

上图是结构原理测试模型以及驱动电路,各位别担心,这些图纸都是国外网站上翻来的,有兴趣的网友可以自行制作,相对于线圈炮与轨道炮,重接线圈发射机构要更复杂一些,制作难度也更高,但有兴趣的可以挑战一下:

上图是国内90年代出版的《电炮原理》中的截图,学过电磁学的网友应该不难明白,简单理解就是一个个线圈接力加速而已。说得有点跑题了,本文主要说原理,不说细节。

电磁弹射原理其实不复杂,关键是工作条件非常恶劣,所以难度极高,比如3秒内要将40吨重的重型战斗机加速到240千米/小时,笔者算了下总耗能为25度电左右,按50%效率,大概也就50度电,但功率却十分变态,高达60兆瓦,所以这对储能设备以及控制设备与电源提供都是个极大的考验。

比如美军的福特号走的是中压交流制,储能设备使用了离心储能的盘形电机,这个得成对使用抵消扭矩,据网传资料美军福特号航母用了四台,质量与体积都很大。003航母用的是中压直流制,强迫储能可以随便使用锂电池或者超级电容,笔者认为很有可能是锂电池+超级电容,这种方式对于布置储能模块相对比较简单,毕竟电池和电容这些可以分散布置相对更灵活。

另一个就是充电的电源,每次弹射消耗的电源得在弹射间隔充回来,这个看着可能很难,但相对还是这个技术难度比较低,毕竟弹射间隔有40多秒,充电可以占用2/3以上,也就是充电功率只有弹射功率1/10到1/15左右,一般这个功率只需要普通的燃气轮机即可满足。

电弹的甲板下就是储能设备、控制设备、弹射电磁轨道、散热设备、电磁辐射屏蔽设备、发电机以及大量电路,与蒸汽弹射设备完全不一样,并且电磁弹射在每个关键节点都可以布置传感器,一旦出现异常会及时报警,相对维护难度要比蒸汽弹射下降一个数量级,当然弹射效率也会大大提升,因为能源使用效率至少是蒸弹的5倍以上。

003航母实现了小车弹射并不是对弹射器进行了验收,只是表示初步测试而已,未来要通过验收还得在海试的后阶段进行战斗机弹射测试,当然这也只是电弹测试的第二步而已,真正要通过验收,那么必须在12小时内连续弹射150架次以上,当然这只是福特号的验收标准,到目前为止,福特号是达不到这个数据的,甚至还不如蒸弹的120架次,并且故障率偏高,2021年时候还曾出现4条弹射器全部罢工6天,这要在战时就直接挂了。

所以未来中国的003航母不知道在12小时内最大出动架次是多少,中压直流的电弹要比美军的稳定得多,想必在最大出动架次上也应该比福特号数量要高一些,要是这个猜测成真的话,不知道福特号还敢来南海晃荡不?技不如人还出来显摆,下次003教福特号怎么做人!