电磁弹射器究竟有何优势,竟让福建舰放弃蒸汽弹射器方案?

科技解析站 2024-05-09 22:59:46

众所周知,福建舰是我国自行研制的第一艘弹射型航母,而且还是电磁弹射型航母。我国军方竟然一反常态,直接跳过蒸汽弹射器,采用电磁弹射器。这种一步到位的做法对于一向保守的中国军方来说实属罕见。

福建舰

那么电磁弹射器究竟能给航母带来多大变化,才会让我国军方如此冒险呢?

发展武器装备,特别是高价值武器装备,很忌讳新技术占比超过30%。因为新技术成熟度较低,一下子堆砌太多新技术很可能会导致装备可靠性极差。以美国的DDG-1000为例,由于堆砌太多新技术,导致故障频发,可靠性极差,无奈之下美军只能放弃这款造价高昂的装备。

DDG-1000

我军同样深知堆砌太多新技术可能导致可靠性极差的问题,因此发展新装备向来秉承“小步快跑”的策略,先确保能用,再想办法改进,做到好用。例如,在发展055型驱逐舰之前,我国就先发展了052D,把055型驱逐舰上用到的很多新技术提前应用到052D上面,通过052D领先使用,发现问题并改进完善,然后再发展055型驱逐舰。

这次福建舰却一反常态,跳过蒸汽弹射器,直接采用美国都还没发展完善的电磁弹射器。只能说,电磁弹射器的诱惑力实在是太大了!

综合已公开的信息,本文罗列出以下3点仅供参考:

一、简化系统设计,避免影响航母航速。

蒸汽弹射器工作原理是利用航母动力系统中的燃油锅炉产生高温高压蒸汽,推动活塞,推动飞机加速起飞。为了方便精准控制,一般是从动力锅炉引出高温高压蒸汽到蒸汽储气罐,达到预定压力后,瞬间打开排气阀就能弹射飞机。然而这个过程中高温高压蒸汽因为热传导,会损失大量能量,整体能量利用率仅4%~6%,效率极其低下。更糟糕的是,如果蒸汽弹射器持续运行,航母的推进功率会持续下降,航速也会持续下降。以美国小鹰级航空母舰的C-13弹射器为例,每一次弹射就要消耗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。

蒸汽弹射器工作原理示意图

再看看电磁弹射器,能量利用率高达60%!而且还不需要蒸汽储气罐和大量蒸汽管路,系统复杂度大大降低。由于电磁弹射改成电蓄能,运行时会产生极大的电功率波动,因此需要改成“中压直流综合电力系统”。这样做还可以省去庞大的机械传动系统,提升能量利用率。

由于能量利用率遥遥领先,电磁弹射器所需的平均充能功率仅蒸汽弹射器的1/10~1/15,而且不需要消耗航母动力锅炉蒸汽,持续运行也不会导致航母推进功率下降,完全不会影响航母航速。

因此,航母换装电磁弹射器以后,不仅可以降低弹射系统复杂度,还能极大提高能量利用率,避免拖累航母航速。

二、缩小弹射器体积,提高载机数量。

航母相当于海上移动空军基地,载机数量越多,战斗力越强。近日,西班牙媒体评估认为福建舰最多可搭载85架舰载机,而美国小鹰级航母最多只能搭载82架舰载机。即便是比福建舰长12.8米的尼米兹级核动力航母,最多也只能搭载90架舰载机,只比福建舰多5架。

福建舰(左)与福特号核动力航母(右)

相比常规动力航母,核动力航母的一个优势是航母动力系统无需使用燃油,可以省去航母动力系统储备油库,只需要储备舰载机使用的航空燃油即可。省去的空间就可以用来作为机库,停放更多舰载机。福建舰在不使用核动力的前提下,载机数量仅比尼米兹级核动力航母少5架,说明空间利用率很高,这其中一个因素就是采用了电磁弹射器。

根据美军研究数据,C-13型蒸汽弹射器重达538吨,体积高达1100立方米,最大弹射能量为95兆焦,而电磁弹射器重量仅280吨,体积仅425立方米,而最大弹射能量却高达122兆焦。在重量、体积都小得多的前提下,电磁弹射器的最大弹射能量却提高了28.42%。

航母空间有限,堪称“寸土寸金”,弹射器能够节省如此大的空间和重量,有利于提升载机数量。这就是作为常规动力航母的福建舰载机数量却堪比核动力航母的主要原因。

三、降低弹射加速过载,变相降低飞机空重。

根据美军公布的数据,蒸汽弹射器在弹射过程中最大过载高达6G,而平均过载却只有2G。这是因为蒸汽弹射器在弹射时,需要用限位器把舰载机拉住,弹射器不断给限位器施加压力直到拉断限位杆,从而把飞机弹射出去。这个过程中相当暴力,很难精准控制,对飞机结构冲击极大。

换成电磁弹射器以后,弹射起飞时就能精准控制,加速峰均比仅1.05。假设弹射加速全过程平均加速度为2G,那么它的最大加速度仅2.1G。

这个变化非常惊人,可彻底改成舰载机结构设计思路。原来弹射型舰载机为了承受电磁弹射器的暴力弹射冲击力,飞机结构强度需要加强到足矣承受6G以上的过载,考虑到安全冗余度,可能要加强到承受8G以上过载。换成电磁弹射器以后,舰载机的结构强度仅需加强到承受2.1G以上过载,把安全冗余度考虑在内,也仅需做到3G即可。

这意味着舰载机可大幅度减重,提升飞行性能。对于飞行员来说,弹射过程中无需承受6G过载,仅需承受2.1G过载即可。一般人难以承受6G过载,但承受2.1G过载还是很容易的,以后舰载机飞行员培养难度就降低不少。那么弹射过程中对舰载机飞行员身体的损伤可大大降低,甚至可以忽略不计。这意味着歼35结构强度相比以往弹射型舰载机可以大幅度降低,等同于变相给它减重,从而提升了它的综合性能。

歼35

综上所述,正是因为电磁弹射器在简化系统、降低重量、缩小体积、降低加速峰均比等方面相比蒸汽弹射器均有巨大优势,可以大幅度提升航母作战效能,因此我军高层才会一反常态,直接采用电磁弹射器。

最后,让我们以最崇高的敬意向我国电磁弹射器之父马伟明院士致敬!

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