一个超越美国弹射器的梦想浅谈燃气弹射器

中世纪

    有人说，造不出弹射器，中国的航空母舰永远是梦想。这话虽然刺耳、难听，却是我们不能够回避的噩梦。买人家的蒸汽弹射器，有这可能吗，人家会把核心技术卖给我们吗，那叫授人以柄，西方政治家的头脑决不会糊涂到牺牲他们的根本利益。一味追求人家的恩赐，就会成为人家指挥棒下的猴子；谁要是真相信可以通过钱换回蒸汽弹射器，那他最后失去的将是未来战争的胜利。
   
    毛主席说：中国人民有志气，有能力，一定要在不远的将来，赶上和超过世界先进水平；50多年来，大量的事实也证明中国人民通过自己的努力是可以走在世界前列的。
   
    在航空母舰上应用的弹射器问题上，中国人难道真的要永远跟在外国人的屁股后面爬行吗？我们能不能有一点志气，有一点能力，自己造出比美国更好的弹射器呢？能不能跨越式的发展，生产出又便宜，又耐用，又有自己特点的弹射器，打破敌人的封锁？答案是，能！
   
    80毫米直径的小汽缸可以驱动汽车飞驰
   
    现在一般的家庭用小汽车，它的发动机汽缸的直径通常就是在80毫米左右；发动机吸收新鲜空气，经过汽缸压缩，喷入汽油后燃烧做功，然而，80毫米直径汽缸所发生的动力经常可以达到60-200千瓦，可以驱动小汽车以100公里以上的时速奔驰在高速公路上。
   
    大型货物运输汽车的汽缸通常也就在100多毫米，4-12个汽缸依次爆发工作，可以驱动装载几十吨货物的汽车爬上接近30度的斜坡，这时候汽车轮胎需要产生十几吨二十几吨的推力。内燃机的应用空间可以充分调动你的想象力。
   
    300毫米的汽缸可以做什么
   
    我国拥有强大的钢铁生产能力，我国可以生产大量300毫米直径的无缝钢管，把这些钢管安装在航空母舰的甲板下，就可以制造出弹射飞机的内燃汽缸。
   
    燃气弹射器的工作过程是，满载满油的飞机挂在弹射器的牵引架上，开车，当喷气发动机推力达到预定值后，控制系统控制高压空气瓶中的空气经过阀门、管路进入汽缸，喷入汽油（或天然气），点火燃烧，产生高温高压气体；高温高压气体膨胀，驱动活塞运动，产生拉力，拉动牵引索运动；牵引索经过导轮改变方向和牵引位置，牵引甲板上的飞机产生加速度。
   
    弹射过程的同时，牵引索和牵引架通过牵引索拉动复进汽缸中的活塞运动，复进汽缸中的活塞和汽缸密闭，压缩内部的空气，形成空气弹簧，蓄积弹射器牵引索和牵引架返回行程的能量。
   
    弹射行程结束时，活塞运行到汽缸中预定的位置，汽缸上的开口露出，形成气流通道，把汽缸中的高压空气排放出来，牵引索上就无法继续产生拉力，牵引索和牵引架受惯性力作用继续前进；复进汽缸密闭压缩，高压空气压缩的阻力阻止牵引索和牵引架前进，空气弹簧中的复原力使牵引索和牵引架返回运动，完成一个弹射工作循环。
   
    按照计算，300毫米直径的汽缸在8MP的工作压力时，可以产生超过56吨的推力（或者拉力），这样的拉力可以使总质量14吨的歼10飞机获得4个G的加速度。
   
    如果弹射目标（或者叫负载、负荷）换成我国比较重型的歼11型战斗机，这样的弹射力也可以得到近两个G的加速度。
   
    如果所弹射的飞机的重量有所增加，或者减少，可以通过调整汽缸工作压力的办法，调整改变弹射器的弹射力，满足不同飞机弹射起飞的要求。或者选用直径更大一些的钢管适应重量级别更大的飞机。
   
    至此，我们可以非常自信的说，这个燃气弹射器就已经比英国设计、美国生产的C-12 C-13型蒸汽弹射器好的多了，这个最简单的方案就是一个切实可行的弹射器设计方案。
   
    然而，这个方案并不完美，还有大量的问题需要解决。

中世纪

    一、汽缸长度
   
    按照上面的设计方案，弹射行程有多长，就要有多长的汽缸，弹射行程80米就需要80米长的汽缸，100米的行程就需要100米长的汽缸，几十米以至几百米长的汽缸，我们国家可以很容易的生产，汽缸的生产并不是问题。
   
    问题是几十米长的汽缸在船舶的甲板下面安装，施工过程很不方便；在甲板上开膛破肚，工作量非常大，对船舶甲板的强度、刚度都产生不好的影响。几十米长度汽缸的安装精度要求也比较高；如果一定要坚持这个方法，甲板下面将额外增加几百吨的重量，占用大量的舱室空间。
   
    解决的办法是缩短弹射器汽缸的长度，增加汽缸的直径；利用变速装备把弹射器汽缸中的速度比较慢，力量比较大的弹射力，转换成为速度比较快，力量比较小的弹射力。这个方法可以使弹射器弹射工作的行程增加几倍甚至更多。
   
    一个增加弹射器工作行程和速度的简单方案，汽缸中的拉力经过牵引索拉动增速导轮中的中间轴，以比较大的拉力和小的轴心距离，驱动增速导轮旋转加速，导轮外缘的牵引索因为轴心距离比较大，只能够产生小很多的力量，但是外缘牵引索的速度和行程却大幅度的放大了。汽缸的行程经过增速导轮的变化，把弹射距离增加到原来的几倍，弹射的速度增加几倍。这样就可以用比较短的汽缸，完成在上百米距离上弹射飞机起飞的任务。
   
    变速机构还可以有很多其他形式。
   
    飞机要依靠弹射力产生加速度。整个弹射过程中，弹射力从零增加到最大值，然后衰落减少，最后回到零。
   
    弹射器所产生的弹射力的变化过程形成了一条曲线，这条曲线下所覆盖的阴影面积，就是弹射器对飞机所做的功，或者说是弹射器对飞机输出的弹射能量。
   
    飞机要获得稳定的加速度，就必须得到稳定的弹射力；弹射力不是越大越好，而是迅速增加到最大值，然后在最大值稳定，一直工作到弹射结束，弹射力恢复到零。山峰状的弹射力曲线是不好的，过去蒸汽弹射器的弹射力曲线却恰恰都是山峰状的；过大的弹射力不但会对飞行员产生过载，影响飞机的驾驶操作，更会对飞机的结构产生不良的作用，所以在设计弹射器的时候，就必须使弹射力的峰值尽可能的小，而整个弹射过程中输出的能量尽可能的多。
   
    良好的弹射器弹射力曲线或者叫做功曲线，可以在比较短的弹射时间内，提供尽可能多的能量。同时保证弹射器所输出的动力不会对飞机的结构造成伤害。
   
    通过现代电子控制技术，可以很容易的把弹射器的弹射力曲线控制在接近长方形的范围内，保证飞机在几十个毫秒的时间内就受到最大弹射拉力的牵引，然后稳定的牵引飞机加速几千毫秒（几秒），充分利用每一米宝贵的弹射行程，对飞机提供尽可能多的能量；弹射行程结束时，在几十毫秒的时间内，迅速切断弹射拉力，飞机脱离牵引架，改变姿态升空，牵引架牵引索等在复进汽缸的作用下返回原位置，为下一个弹射循环做准备。
   
    三、弹射功率和输出能量
   
    研究问题要研究它的本质，飞机从弹射器获得速度的本质是什么？飞机起飞需要从弹射器获得能量，弹射力乘上弹射距离就是弹射器所做的功，或者说叫弹射器输出的能量。
   
    仅仅讨论能量还远不够，还要讨论单位时间内输出（或者获得）的能量，即功率。任何热机都要以功率作为考核评价的主要指标，燃气弹射器也不例外，弹射功率最能够体现弹射器的基本能力。
   
    弹射力乘上弹射的瞬间速度就是弹射器的瞬间功率。燃气弹射器理想的功率曲线是一条直线上升的直线。弹射器的最大功率是衡量一部弹射器性能的关键指标。
    被弹射的飞机最终能够获得多少速度，取决于它所获得的能量。中学物理中能量和功率的概念在这里都完全适用。
   
    一个设计实例
   
    运动物体的动能E=MV2/2
   
    假定我们弹射一架35吨重的飞机起飞，飞机离开甲板的时候需要有80米/秒的速度（相当于288公里/小时），按照动能的计算公式，弹射结束时候，飞机所获得的能量应该达到112MJ。
   
    弹射距离 S=AT2/2
   
    飞机以4个G（按照40米/秒2计算）的加速度加速2秒，可以达到80米/秒的速度，需要弹射加速行程80米。
   
    弹射器瞬间功率 P=FV
   
    以4个G（40米/秒2）的加速度弹射35吨重量的飞机，需要超过140吨的弹射力；弹射功率从零开始，随时间的推进，弹射力稳定的直线上升，超过140吨的弹射力在80米/秒的弹射终了速度时候，这个弹射器的峰值功率达到11.2万千瓦，相当于一个中型发电站的功率范围。
   
    汽缸直径设定1.2M，在8MP工作压力下，活塞可以产生900吨的拉力，经过变速比1：6的滚轮，在甲板上牵引索和牵引挂具上产生150吨的牵引力；控制汽缸中的压力就控制了活塞上的拉力和牵引索上的拉力，也就控制了整个弹射器输出的能量。变速比为1：6的滚轮不仅改变牵引索的位置和方向，也使活塞的牵引行程和速度被放大6倍；汽缸中活塞运行至13.33米距离时候，弹射行程结束，汽缸上的多处开口露出，使汽缸中的气体与排气道连接，排除高温气体，在复进汽缸的作用下，停止弹射行程，开始返回行程。
   
    燃料消耗
   
    在燃气弹射器的汽缸中，燃料与空气燃烧时重量的适当比例是， 1：14.5，每个弹射循环需要燃料6公斤汽油加87公斤空气，系统运动部件少，弹射器的热效率 >40%。
   
    弹射周期
   
    弹射器每一个工作循环中，弹射做功2秒，活塞、滚轮、牵引索及牵引挂具制动停止0.5秒，返回复位4-5秒，整个弹射周期约7~8秒。如果高压空气供应充分，马上可以投入下一弹射循环。
   
    弹射行程、弹射力量和弹射器的最大功率是考虑分析弹射器问题的基本要素，在确定了上述严格的约束条件以后，我们才可以分析其他技术方案与燃气弹射器的优劣。