引言

周恩來總理曾經(jīng)在1973年會(huì)見外賓時(shí)感嘆看不到中國(guó)擁有自己的航空母艦而不甘心。2012年,中國(guó)終于有了第一艘自己的航母"遼寧號(hào)"。航空母艦是以艦載機(jī)為主要武器的大型水面戰(zhàn)斗艦,其中艦載機(jī)的起飛彈射器尤為重要。

1現(xiàn)有彈射方式存在的局限

自20世紀(jì)20年代以來,各種類型的彈射器相繼出現(xiàn),有火箭式、壓縮空氣式、內(nèi)燃式、液壓式、電磁式、蒸汽式等。彈射器的起飛系統(tǒng)主要由彈射推車和導(dǎo)軌、彈射汽缸、水剎器和推進(jìn)活塞等組成,如圖1所示。

然而,除蒸汽彈射器和電磁彈射器外,其他類型的彈射器因其安全性或彈射能量限制了艦載飛機(jī)的發(fā)展和使用而逐漸被淘汰。目前最成熟的艦載機(jī)彈射器是蒸汽彈射器,已經(jīng)被美國(guó)買斷專利并經(jīng)過多次實(shí)戰(zhàn),技術(shù)發(fā)展成熟,但是也有很多缺點(diǎn)。根據(jù)已公布的數(shù)據(jù)顯示,目前正在服役的航母蒸汽彈射器重量接近500t,每次使用要消耗700kg蒸汽,彈射的最大輸出能量可以達(dá)到95MJ,最短工作周期為45s,功率浪費(fèi)嚴(yán)重,可以被利用的蒸汽大約只有6%。為了制造和運(yùn)輸蒸汽,航空母艦需要配備大型鍋爐、海水淡化裝置和大量管道,每次使用和維護(hù)需要300人,因此蒸汽彈射系統(tǒng)的效率很低。此外,蒸汽彈射器由于其能量過大而不能發(fā)射無人機(jī),在航母上的使用受到限制。

電磁彈射器的用途要比蒸汽彈射器的用途更廣,從小型的靶機(jī)到大型的戰(zhàn)斗機(jī)都可以發(fā)射,且只有蒸汽彈射器一半的重量和體積,操作時(shí)需要的人員更少,但是有致命缺點(diǎn),即存在電磁干擾和安全性等問題。最近有報(bào)道稱:美國(guó)總統(tǒng)特朗普指責(zé)電磁彈射器用掉過多軍費(fèi),且技術(shù)進(jìn)展緩慢,認(rèn)為沒有發(fā)展?jié)摿?要求美國(guó)航母全部使用更加穩(wěn)定且技術(shù)更加成熟的蒸汽彈射器,因?yàn)殡姶艔椛淦髯钤绲脑O(shè)計(jì)指標(biāo)是"每彈射4100次允許出現(xiàn)一次故障",但目前就海試期間搜集的數(shù)據(jù)顯示,"福特"號(hào)上的電磁彈射器平均每彈射400次就會(huì)出一次故障,遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期效果。電磁彈射器并沒有從根本上消除彈射器起飛方式的4個(gè)固有缺陷,如彈射器仍需在航空母艦上占據(jù)巨大的空間資源:彈射器仍然需要在航母上進(jìn)行保障和維護(hù),并為此配備很多人員:彈射器所消耗的巨大能量仍需由航空母艦的動(dòng)力系統(tǒng)提供。最主要的是,需要長(zhǎng)期投入大量的資源用于彈射器的研制和生產(chǎn),技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)非常高,阻礙了航母的進(jìn)一步發(fā)展。

2爆轟推進(jìn)方式在彈射裝置中的應(yīng)用

爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)是一種基于爆震燃燒的新概念發(fā)動(dòng)機(jī),它主要由進(jìn)氣道、爆轟室、尾噴管、爆轟激勵(lì)器、燃油供給和噴射系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成,一般應(yīng)用于導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、靶機(jī)等動(dòng)力裝置,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、熱循環(huán)效率高、維護(hù)方便等特點(diǎn),被許多科學(xué)家稱為夢(mèng)幻動(dòng)力。連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1）爆轟波傳播方向與爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣方向、排氣方向均獨(dú)立,會(huì)被封閉在燃燒室內(nèi),避免了爆轟波噴出管外而造成的巨大能量損失,提高了工作效率。(2）由于爆轟波的自壓縮性和自維持性,可燃混合物由爆轟波增壓到一定壓強(qiáng),可在較低的增壓比下產(chǎn)生更大的有效功。最主要的是,爆轟波旋轉(zhuǎn)和傳播只需要一個(gè)初始爆轟就可以連續(xù)下去。綜上所述,熱循環(huán)效率高和維護(hù)簡(jiǎn)單就已經(jīng)解決了目前蒸汽彈射器和電磁彈射器所面臨的問題。

用爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)代替蒸汽彈射器的蒸汽汽缸,創(chuàng)造出爆轟彈射器,結(jié)構(gòu)方面可以借鑒已經(jīng)被淘汰很久的內(nèi)燃彈射器。在20世紀(jì)50年代,內(nèi)燃彈射器因?yàn)榧夹g(shù)不成熟、成本巨大、維護(hù)較為復(fù)雜、消耗燃油、汽缸加工困難、汽缸組占據(jù)空間大等問題而被淘汰。但是爆轟彈射可以把燃油動(dòng)力系統(tǒng)換成爆轟發(fā)動(dòng)機(jī),解決當(dāng)時(shí)內(nèi)燃彈射器存在的問題。

爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)是在燃燒室內(nèi)直接利用爆震燃燒產(chǎn)生的爆震波來壓縮氣體產(chǎn)生動(dòng)力,燃燒室內(nèi)的燃料可以是鋁粉、汽油、煤油、乙炔等。爆震發(fā)動(dòng)機(jī)一般分為脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)。彈射器可以考慮采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動(dòng)機(jī),只需一次點(diǎn)火即可連續(xù)工作,因此不會(huì)中斷爆震過程。不同于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的體燃燒,連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)是面燃燒,在燃燒室中成燃燃熱釋放。此外,動(dòng)態(tài)傳播方向是與流向垂直的圓周運(yùn)動(dòng),增加了燃燃的穩(wěn)定性,且鑒于爆轟的特殊性,發(fā)動(dòng)機(jī)性能顯著提高。

蒸汽彈射器最主要的缺點(diǎn)是總重量過重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和效率過低,但連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)則可以彌補(bǔ)這些缺陷。通過具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知,-不安裝尾噴管的情況下使用煤油/氧氣時(shí),連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)比沖可達(dá)到190～200s。波蘭華沙工業(yè)大學(xué)的wolanski教授課題組-不同氧化劑、不同燃燃燒尺寸、不同在料、不同入流總壓和不同背壓條件下對(duì)連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)展開了實(shí)驗(yàn)研究,得到了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定傳播的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟。-實(shí)驗(yàn)的推力性能測(cè)量室,他們-內(nèi)直徑140mm、外直徑150mm的火箭式甲烷/氧連續(xù)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燒內(nèi)獲得了平均250～300N的推力,換算為單位面積推力達(dá)1.1×105～1.3×105N/m2。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都進(jìn)一步證明了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)可以-艦載機(jī)彈射裝置室使用。

3結(jié)語(yǔ)

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高、節(jié)省能源、成本低廉,但也存-一些問題,如安裝問題,被具體安裝-彈射系統(tǒng)的哪個(gè)部位有待研究:工作時(shí)的冷卻問題,因?yàn)楸Z發(fā)動(dòng)機(jī)能量很大,每次使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫,需要有一個(gè)很好的散熱方案:震動(dòng)噪聲問題,爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)依靠爆震波產(chǎn)生能量,會(huì)發(fā)出巨大的震動(dòng)和噪聲,需要一個(gè)減震和除噪裝置:起爆時(shí)的控制和后續(xù)動(dòng)力的保持問題等,這些問題都需要科研人員繼續(xù)深入研究加以解決。爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)之前一直被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,-艦載機(jī)彈射器上的應(yīng)用是一個(gè)全新嘗試,雖然目前還存-許多問題,但相信隨著科技的發(fā)展,這些問題都可以被解決,我國(guó)的軍事力量會(huì)越來越強(qiáng)大。