[科普中国]-蒸汽弹射器

蒸汽弹射器（英语：Steam catapult）是第二次世界大战后现代航空母舰中唯一使用的飞机弹射器，主要是由于喷气飞机的出现，舰载机重量大幅提升，自力起飞和原先的弹射器设备已不足以应付其需求，于是1951年，英国柯林·米切尔中校（Colin C. Mitchell）提出将航母蒸气轮机的蒸气连动到弹射器上，进而发明了航母用的蒸气弹射器。

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。

弹射方式蒸汽弹射有两种弹射方式，一种是前轮弹射，由美国海军于1964年试验成功，弹射时由滑块直接拉着飞机前轮起飞。这样不用8~10人来为飞机挂拖索和减拖索了，弹射时间减短，飞机安全性好。美国现役航母都采用这种方式。只有美国具备生产这种蒸气弹射器的成熟技术。

另一种是拖索式弹射，顾名思义，就是用钢质拖索牵引飞机加速起飞，这种弹射方式比较老，各方面都不如前者好，只有巴西的“圣保罗”号航空母舰（原法国“福煦”号航母）使用。

工作原理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，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。

弹射活塞整体上可以分成3部分，第一部分是气密活塞和活塞环，第二部分是密封条开闭装置，第三部分是水刹锥。在活塞前进的时候，活塞同时将密封条推入汽缸盖和气缸缝的缝隙中完成密封。当活塞到达气缸末端的时候，水刹锥撞入水刹器后开始减速，最后令活塞停下。

弹射过程的动力控制结构

飞机弹射时加速度要控制在可承受的负荷范围内，这是通过控制蒸汽注入弹射气缸的流量和流量的变化来实现的。弹射控制阀在这里起到最关键的作用。这个阀门的开关速度和幅度的精确度会直接影响到弹射加速度的可控性。整个弹射过程对加速度的控制，最后是通过改变阀门的开关时间和幅度还完成的。在操作上，弹射阀门的控制需要通过一条既定的阀门调节曲线来进行

不同飞机和不同装备的配搭，都会有不同的弹射重量。要保证足够的弹射速度和正确的加速度，弹射的时候要根据不同的重量制定相应的阀门调节曲线。测定这些曲线的方法，是用一种被称为空负荷（Deadload）的滑车模仿飞机的起飞重量，在弹射器上反复弹射测定加速度而获得弹射阀门的控制数据。

随着飞机的装备多样化，飞机和不同装备的总重量出现更多差异，这就需要进行更多的弹射试验。可是，如果在航母上进行试验，滑车落水后要花不少人力进行回收，所以这项试验大部分都在装配了弹射器的机场上进行。法国戴高乐航母装备的是美国C-13弹射器，法国要将飞机送到美国的海军测试基地进行试验才最后获得了这些控制数据。1

蒸汽弹射器的现况

蒸汽弹射器这种技术已经在航母上使用了50年，也是唯一经过实战证明的技术。然而，美海军在舰艇设备全面电气化的大趋势下，航母将采用电作为推进的主动力。所有动力设备也将电气化。所以在80年代末，就开始了对电磁弹射器技术的开发，并在费城东部的试验基地装备了电磁弹射器进行试验。在2003年向国会提交的报告中说到，电磁弹射器(EMAL)证实有以下的优点：

1、电气结构，技术上容易与其他甲板上作战系统兼容

2、操作和维修人员编制简化，而且与其它作战系统人员兼容

3、弹射功率提高，有利于装备大型作战飞机

4。可控性和可靠性高，简化测试

5、结构简化，操作复杂度减低

此外，降落拦截索系统同样也将电气化。这个项目由通用原子公司(GeneralAtomic)承包。

不过，蒸汽弹射器在功能上还是能满足作战的需要，而且在运作技术上相当成熟。2003年美海军在公开的财政预算书里还提到了一项改良蒸汽弹射器设施的项目，报告里向国会提出要求拨款提升蒸汽弹射器的试验设施的方案，并且提到提升设备的目的以应付蒸汽弹射器服役到2050年的需要。2

本词条内容贡献者为:

张尉 - 副教授 - 西南大学