为什么飞机要用弹射的方式呢?
归根结底是为了抢时间,省空间。
如果只靠飞机自身发动机在甲板上滑跑加速,不仅耗时漫长,更需要惊人的跑道长度。
还对跑道长度有苛刻要求。战场瞬息万变,胜负往往决定于分秒之间,你起飞慢一拍,制空权就可能拱手让人。
加长跑道则意味着航母体型要更加庞大,带来的制造难题是指数级增长的。
于是,人类智慧的闪光点出现了。
聪明的你首先想到:既然跑道是瓶颈,那我不要跑道行不行?像火箭一样向下喷气,垂直起落!英国的鹞式飞机就走的这条路。
看上去好像非常不错,但为何它没能成为主流?
想想为什么山路都是蜿蜒盘旋,而不是一条直线通天?因为对动力系统的要求太变态了。
垂直起降不仅极其耗能,严重限制飞机的载重,
而且起降过程更是险象环生,操作难度超高,特别容易出事,江湖人称:“寡妇制造者”。
聪明的你想到另一个办法,想想我们扔纸飞机,总会给它一个向上的初速度,让它利用这段空中时间加速。于是,你在航母甲板尽头设计一个上扬的坡道(滑跃甲板)。
这样飞机加速到最后是朝斜向上的角度,可以在空中继续加速不会掉下去,利用这段时间加速。
我国前两艘航母就是用的这个办法,这是一个巧妙且成本较低的方案,但它的“天花板”也很明显:其提供的额外加速有限,对于重量极大的飞机,如预警机,依然无法达到起飞要求。
你思考再三,发现问题的关键在于离舰那一瞬间的速度太低了!天下武功唯快不破!
重要的是加速度,光靠飞机自己,搞不定那么快的加速度。
于是你灵光一闪,想到了小时候玩弹弓,石子本身没有动能,但靠皮筋积蓄的势能瞬间释放,就能让石子高速飞出。那么,能不能造一个巨大的“弹弓”,把飞机弹射出去呢?
你真是个天才!接下来,就是如何打造这把“超级弹弓”。
也就是巨量的动力源哪里来?
一开始人类想到用高温液压油做动力,推动活塞甩飞机,但是推力上限有点低。
后来又想到了用火药爆炸,这是智人的老本行,用爆炸产生高压气体助推。正所谓爆炸就是艺术,要控制他产生的推力太难了,要么炸少了推力不够,要么炸多了推力过大,安全性太差了,很快被淘汰
于是聪明的你回归到了第一次工业革命的巅峰动力——烧开水,既然航母本身就在“烧开水”,何不利用产生的高压蒸汽做动力?说干就干,蒸汽弹射诞生了。
原理简单粗暴:飞机勾住一个类似扳机的装置,连接着甲板下的活塞,高压蒸汽瞬间释放,推动活塞,将飞机猛甩出去。这股巨力,能将三十多吨的舰载机在两三秒内加速到200多公里/小时,一飞冲天,使得重型战机“满油满弹”起飞成为可能。
但是蒸汽弹射也有缺点,单次弹射资源消耗量巨大,能量转换过程中只有4-6%的能量真正用于推动飞机,一次弹射需要消耗6-10吨高压蒸汽,需要专门的补给舰保障。对于常规动力航母,维持蒸汽压力会挤占约20% 的动力,导致航速下降。
而且蒸汽弹射机械结构复杂,维护是个噩梦,尼米兹级航母每周需要1次全面维护,维护费用占全舰设备总维护费的80%。
当然,一切都是值得的,蒸汽弹射可以让飞机迅速起飞,从而取得空战优势。
但是聪明的你显然不满足于此,难道没有更优雅、更强大的解决方案吗?
你想要一个维护低,消耗少的弹弓去甩飞机。
于是经过冥思苦想,你想出了另一种弹弓!
说白了,弹射的原理,就是找个巨大的推力源去甩飞机,
蒸汽机属于第一次工业革命的动力源,那能不能试试第二次工业革命的动力源——电磁力?
基本原理其实早就实现了,就是磁悬浮或者电磁炮类似的原理,利用磁体之间同性相吸异性相斥的原理,一级一级推动滑块,带动飞机高速前进。
电磁弹射的核心挑战在于电力系统:它是一个极其复杂的系统工程,需要瞬间爆发巨量电能,并对整个系统进行精准控制,涉及发电、输电、储能、电机控制的精准配合,并要融入航母整体电力网络
巧了不是?
目前世界上电力相关的领域,中国是技术最全,产业最发达,也是最先进的国家!
美国是通过核动力航母的近乎无限的电能力大飞砖,但是我国因为是常规动力系统,就需要更好的系统集成去智能化分配整艘航母的电力使用,可以节约足够的电能去用在电磁弹射上。
因为电磁弹射释放的能量非常巨大,远超整船电力系统的瞬时电能,需要一个单独的储能系统。
美国人的解决方案叫做飞轮储能,就是用电力驱动飞轮高速转动,弹射的时候靠飞轮高速转动的动力发电迅速释放能量。但是他们这套系统可靠性不够,而且没法精准调控释放的能量。,
咱们国家呢?
这就要请出电磁显圣真君马伟明院士了,福建舰采用了马伟明院士研发的中压直流电力系统+轮储能与超级电容相结合的混合储能系统。成功解决了常规动力航母提供瞬时大功率电能的世界性难题。
中压直流系统,将全舰电力分配、储能、弹射等功能高度集成。省去了变频环节,能量利用率提升到90%,远超美国的60%,系统电压波动小,确保了储能系统充放电过程的稳定性。
超级电容通过电极和电解液之间的电荷吸附储能,具备毫秒级响应和超高功率密度,可以独立承担电磁弹射的瞬时脉冲符合,避免对航母主机动力系统造成冲击。超级电容理论充放电循环寿命极长,且无机械磨损风险。据公开报道,福建舰电磁弹射器曾创下4000次无故障弹射的纪录,而福特级早期平均每272次就会出现严重故障,
福建舰的超级电容组体积仅为美国飞轮系统的五分之一,节约大量空间,可以多携带15%的航空弹药,而且超级电容可以精准调节,从200公斤无人机到35吨级别的预警机都可以全机型适配。这次放出来的视频,成功完成了歼-15T、歼-35隐形战斗机和空警-600预警机等多型舰载机的起降,未来这套系统很有可能用到无人航母上!
这种 “发电 - 储能 - 弹射” 的无缝衔接,使福建舰在常规动力下实现了核动力级的供电能力。
从白马庙的寥寥星火,到福建舰的电磁蓝光,中国海军走向深蓝的每一步,都写满了艰辛与超越。
这背后,是几代人“板凳甘坐十年冷”的坚韧,是“从零到一”的自主创新。
福建舰的电磁弹射,不仅是一座技术里程碑,更是一代海军人献给强国梦的浪漫。
星辰大海,终非遥不可及;向海图强,正是当下序章。
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