第三艘航母要來瞭?聊聊電磁彈射:科幻在哪裡,為何那麼難?

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4月23日是人民海軍成立73周年,22日海軍向全社會公開發佈首部航母主題宣傳片《深藍!深藍!》在片尾與時俱進地安排瞭彩蛋“三胎”,估計大傢都明白,這三胎就是第三艘航母。

《環球時報》也報道稱軍事專傢也認為,第三艘航母研發采用很多新技術,相信應該在2022年下半年可以下水。而一直在傳聞的電彈以及全電推進與核動力究竟會不會上大傢一定是最感興趣的,不過本文打算討論上不上的問題,而是來聊聊電彈究竟有多大難度!

蒸汽彈射和電彈:究竟有什麼區別?

擋焰板徐徐升起,飛行員撥動幾個開關,將節流閥推到底,發動機尾噴口驟然縮小,尾部噴出瞭長長的火舌,F-18機頭向下一沉,航母上艦載機起飛指揮的地勤沉下身,左手向前揮出,隨著一陣刺耳的摩擦聲以及蒸汽釋放的聲音,幾秒內就將20多噸的F-18加速到瞭起飛速度,飛出甲板,歪歪斜斜的起飛瞭.......

不用懷疑,能讓飛機在不到100米的跑道上起飛的,除瞭彈射器還有誰,上文的情節和動圖就是好萊塢大片《深入敵後》中的經典片段,而讓F-18迅速起飛的就是本文要說的蒸汽彈射器!

蒸汽彈射器:人人都羨慕卻人人嫌棄的裝備

為什麼要用彈射器?原因很簡單,早期是螺旋槳飛機,平直翼升力大,全通式甲板都是起飛跑道,但後來甲板功能區隔,起飛和降落區分開,並且都是後掠翼的噴氣式飛機,速度高,翼載大,起飛速度越來越高,而且區隔後的起飛區域跑道長度不到100米,如何起飛?

彈射起飛應運而生,早期是壓縮空氣,後來經歷瞭火藥彈射,到二戰後期發展除瞭蒸汽彈射器,一直到現在蒸汽彈射器仍然在使用,不過它也快走到頭瞭!

“福萊斯特號”航母,為美國最早采用斜角式甲板的航母

蒸汽彈射器是什麼原理?

蒸汽彈射器的原理很簡單,一個長長的氣缸,一個連著起飛阻塞器的活塞,起飛時將高壓蒸汽通入氣缸,這些蒸汽就會推著氣缸高速前進,戰鬥機就連著一起在數秒內就加速到起飛速度,比如CVN-68尼米茲號的航母的蒸汽彈射器規格為:

彈射器型號:C-13-1,140節,36噸

也就是說能將最重為36噸重的飛機加速到最高140節(259.28千米/小時)的起飛速度,一般情況下重型戰鬥機滿載起飛時基本就能達到這個程度。

看上去似乎性能相當可以,並且已經用瞭70多年,蒸汽彈射技術也非常常熟,為什麼還要換?其是蒸彈的缺點是顯而易見的:

1、蒸汽彈射結構太復雜

設計制造和安裝技術非常復雜、保養維護費工夫,因為這個航母的蒸汽氣缸長接近100米,精度要求很高,而且還要保證密封,為瞭保證動力,還是雙排氣缸的,蒸汽壓力罐、管道以及控制設備,占用瞭大量空間。

2、效率差、使用成本高

蒸汽彈射效率很低,隻有4-6%左右!而且還消耗大量淡水,比如小鷹號C-13彈射器一次彈射就得消耗625千克蒸汽和1噸緩沖用的淡水,並且其蒸汽消耗還影響航母速度,8架次起飛後蒸汽壓力就會下降20%,動力損失32%,速度下降8節。

美軍原本還打算回收蒸汽冷凝水,結果由於設備體積太大而作罷,蒸汽彈射到瞭後來就是捏著鼻子用,畢竟在電彈成熟之前,沒有其他更好的裝備。

3、蒸汽彈射速度相對固定,調節范圍窄

蒸彈有個特點,氣缸剛釋放時壓力高速度大,但隨著行程增加,空間擴大壓力逐漸下降,速度反而降低,這與戰鬥機彈射時的緩慢加速最後達到起飛速度的加速曲線是相違背的。

因此蒸彈在彈射的一瞬間飛行員遭遇的過載是6G,此時他啥都做不瞭,隻能做好準備防止被扭斷脖子,另外蒸彈在彈射小型飛機時比如無人機時就顯得太過“暴力”。

因此早在蒸彈服役之時多國就已經展開瞭電彈的研究,電磁彈射原理可能比蒸彈還簡單,就是一臺超級長的直線電機,利用強大電流通過線圈產生的磁場推動滑塊高速前進,而且還可以用傳感器獲取滑塊位置,隻在其兩側接通電源,產生磁場推進滑塊,比整根蒸汽管道充滿蒸汽這種行為不知道要節省多少能源。

而電磁彈射的效率是蒸彈的10倍以上,電磁軌道體積比蒸彈要小得多,維護也更簡單,也不會和蒸汽輪機搶蒸汽,另外彈射速度與力度可以精確調節,而且還遵循緩慢加速到急加速有個過程,飛行員舒適度也非常高。

那麼問題來瞭,既然如此優秀,為何還不上電彈?隻有美國人一傢玩上瞭電磁彈射?

電磁彈射:到底有多難?

必須要瞭解一點的是電磁彈射真的很難,可以其技術難度堪比蒸彈,不過電磁彈射和蒸汽彈射沒有繼承性,兩者都是同一個起點,所以在二十一世紀沒有理由再去上蒸彈,那麼電彈到底有哪些難點呢?

關於電彈這個體系,到底有哪些東西?

很多朋友瞭解到的一個問題是電彈就是直線電機,就是一臺磁懸浮列車的航母版,不能說這個理解錯瞭,但至少沒有理解全,因為電彈的工作條件是極端惡劣的!

超級大功率:前所未見

比如福特號航母的4個彈射器充電功率差不多在16MW,但是彈射的峰值功率在130MW,1MW=1000KW,16MW就是16000KW,一般一個中小型生產企業,500KW左右,大一點也很少超過1000KW。而電彈的峰值功率更是高達130000KW,幾乎相當於一個工業區的耗電功率。

因此這種直線電機的工作條件極其惡劣,電磁環境也非常極端,但顯然電機隻是整個系統的控制節點之一,除瞭電機外還有儲能系統,因為輸出如此高功率的發電機的體積顯然是航母裝不下的,而平時功率又不需要,那麼儲能系統就必須要能承受如此超級功率。

儲能系統:有兩條路變成一條路?

飛機起飛一次的電能消耗有多大?其實小到你驚訝!比如將36噸重的飛機加速到最高140節(259.28千米/小時),其消耗的能量約為:

93312000焦耳,約為:25.92千瓦·時

也就是26度電,比如福特號航母有四條彈射器,一次彈射也就104度電而已,按效率大約60%左右,需要160度電,按國內工業用電價也隻需要200元人民幣不到,夠便宜吧!不過大部分時候不會同時使用。

尼米茲號航空母艦 (CVN 68) 和第 11 號航空母艦聯隊 (CVW) 駛入聖地亞哥

但各位一定會發現一個問題,這彈射間隔是多久?這裡有個答案:尼米茲級蒸汽彈射器的最小彈射間隔為1分鐘,至少也不能比蒸彈差不是嗎?假設1分鐘內隻彈射1架飛機,那麼其必須要在這個間隔內“充滿電”,或者保持這個峰值功率發電,那麼這個充電功率有多大呢?

1分鐘充滿26KW·h/60%(電彈效率),那麼其充電功率需要為2600千瓦

顯然這個功率是不夠的,戰時極端條件下得幾臺並行彈射,所以這個充電功率至少也是這個數倍,能滿足超級功率的儲能系統隻有兩條路,一條是飛輪儲能,另一條則是電容儲能,蓄電池之流肯定是不行的,同時要滿足超大功率和快速充放電,電池怎麼可能呢?鋰電池最多也隻能達到10C-20C放電。

電容放電電流比率顯然要比電池高得多,但其容量不太高,飛輪儲能則是最簡單最暴力的儲能方式,在真空狀態下高速旋轉的飛輪結合大型發電機,另一個可能是會有電容儲能的輔助,以滿足飛行器彈射起飛的要求。

福特航母使用瞭四個飛輪儲能加上盤式交流發電機,一次彈射消耗484 MJ,每個飛輪提供121 MJ (34 kWh) 的能量,轉子從6400rpm/分 減慢到5205rpm/分。

除瞭電機和儲能以外,電源轉換以及控制系統,因為在電磁彈射的極端條件下,這些系統的要求也是極端變態,隻有一一突破才能真正玩得起電磁彈射。所以美國人的整合能力真不是蓋的,不過有報道稱福特號的電磁彈射不太穩定,還沒有達到完全可靠的水平。

電磁彈射:一定要用核動力嗎?

有人說上電彈一定要核動力,因此電磁彈射的航母必須得上核反應堆,那麼這個結論究竟是否正確的呢?

上文我們算瞭先,在比較理想的情況下充電功率,單臺至少為2600KW,而多臺實際功率可能超過10000KW,如果保保守一些,可能會超過15MW。

那麼目前的燃氣輪機可以滿足要求嗎?答案顯然是肯定的,比如澎湃新聞在2020年11月27日報道,東方電氣F級50兆瓦重型燃氣輪機整機順利實現滿負荷穩定運行,這個型號滿足要求還綽綽有餘,當然QC185也可以,輸出18.5MW的中型燃氣輪機兩臺並聯運行(保證冗餘)就能滿足要求瞭。

因此從理論上來看用常規動力的完全是沒有問題的,當然有核動力顯然會更優秀!其實在電磁彈射的另一個領域是電磁攔阻,一架將近20多噸,以135節(約250千米/小時)速度著艦的戰鬥有著強大的動能:13.378千瓦·時。

要是能將這些動能回收充電,不是還能用來彈射?假如是全電推進的話,也許還能用來推進航母!隻是航母的儲能設備無法儲存如此高的能量,但電磁動能回收顯然要比機械的回收要更優秀。

延伸閱讀:殲15已經成功進行上千次電磁彈射試驗

據新浪軍事2017年22月5日報道,中國海軍少將,尹卓老師在接受央視采訪時表示,中國海軍殲-15艦載機在電磁彈射方面已經彈射瞭很多次瞭,到現在有成百上千次瞭。

除瞭殲15已經成功進行上千次電磁彈射試驗這個消息,尹卓老師也透露瞭一個重大突破:中國航母不用核動力也能進行電磁彈射,而且使用綜合電力推進系統的能量轉換效率更高!

所以我們我國的第三艘航母,用酷斃的電磁彈射是非常有可能的,另外電磁彈射的另一個副產品應該是電磁炮,這個傳聞也已經由來已久瞭,不過在2022年下半年航母就將下水,到底會有哪些科幻裝備,各位軍迷們可以期待!(完)

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  • 本文由 发表于 2022年4月23日
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