航母舰载机起飞方式分析报告Word下载.docx

航母舰载机起飞方式分析报告Word下载.docx

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符合舰船综合电推发展趋势；

或将成为未来无人机地面起飞理想的发射方式。

我们认为，电磁弹射器是未来航母发展方向。

美国“福特级”航母已采用电磁弹射，中国导轨式电磁能武器技术在摸索中前进。

美国是最早研制电磁弹射器的国家，研制历经近30年花费32亿美元。

美国通用原子公司承接了“福特”级航母前三艘的弹射器制造任务，首舰“福特”号弹射系统和阻拦系统实际建造成本为8.18亿美元，其中电弹系统价值量约6.7亿美元。

根据科技部2016年1月7日文章，海军工程大学电力集成创新团队在马伟明院士带领下研制的某电磁发射系统，填补了国内空白，取得了与世界最先进水平的同步发展，并打破了我国导轨式电磁能武器技术始终徘徊不前的局面，取得重大进展。

一、现役航母舰载机起飞方式特点

航母舰载机起飞方式有四种：

滑跃起飞、垂直起飞、蒸汽弹射起飞和电磁弹射起飞。

在现役航母舰载机中，除直升机和英国“鹞式”战机以外，其余大多数固定翼舰载机均要经过适当距离的滑跑，达到一定速度才能起飞。

美国“福特级”航母采用了电磁弹射但尚未服役，其他三种起飞方式在现役航母中广泛应用。

1、滑跃起飞：

美国以外的其他国家航母舰载机主流起飞方式

滑跃起飞指舰载机先依靠自身动力在航母水平甲板滑跑，后经航母舰首滑跃甲板，使舰载机在离舰瞬间被赋予一定斜倾角和向上的垂直分速度，实现离舰起飞。

滑跃起飞技术是由英国人首先发明创造。

英国将该技术最先应用在“无敌”级航母上，使“海鹞”垂直/短距起降飞机起飞重量、载弹量、作战半径均得到较大提高。

目前采用滑跃起飞的国家有英、俄、西班牙、意大利、印度、中国等。

根据《舰载飞机滑跃起飞动力学研究》，滑跃起飞原理是舰首6~12°

左右的滑跃甲板赋予舰载机离舰起飞瞬间斜向上的航向角和分速度。

假如甲板是水平的，当飞机滑跑至舰首O点时，如果速度不够大，飞机升力小于重力，飞机离舰后将按曲线OA下降落水；

当舰首采用滑跃甲板时，飞机滑跑到O点，由斜板给舰载机一定的机身俯仰角、航迹倾斜角，若此时速度仍然不够大，飞机亦会像一个抛射体到达最高点B’，然后再沿B’B下降。

但显然水平距离O’B＞O’A，飞机加速时间长，较水平甲板容易起飞。

若滑跃甲板倾角一定，飞机发动机推力与飞机重力的比值超过临界点时，飞机离舰轨迹将从OB偏向OE。

2、垂直起飞：

舰载机主要是英国“鹞式”战机

垂直起飞方式指不需要滑跑可以原地起飞战机。

垂直起降主要指固定翼飞机可以不用借助跑道而在原地就能垂直起飞和垂直降落，其主要原理是利用喷气反作用力或者空气动力，克服重力，使战机起飞。

利用喷气反作用力原理的主要是英国的“鹞式”战机。

垂直起飞方式可以自由起飞降落但其战斗能力较低且不具备远航能力。

根据《世界垂直起降动力装置的演进和展望》，垂直起飞方式可以随时随地起飞，不受机场跑道限制。

但其不具备远航能力，在垂直起飞时要耗掉总油料的三分之一，载弹量也明显少于其他同类型战机，如鹞式战机载弹量只有2271千克而同期美国的F-14有6577千克，战斗能力较低。

3、蒸汽弹射起飞：

美国现役航母舰载机主流起飞方式

蒸汽弹射起飞是指用蒸汽弹射器给舰载机施加外力，使其迅速增速而“弹射升空”。

蒸汽弹射器工作原理为将蒸汽压力转化为对飞机的推力。

目前，美国海军除了最新服役的“福特”号航母之外，其余10艘尼米兹级航母舰载机均采用蒸汽弹射起飞。

法国、巴西、阿根廷等国的航母也都采用蒸汽弹射起飞。

蒸汽弹射器主要由蒸汽系统、弹射系统、润滑系统、预力系统、液压系统、归位系统以及弹射控制系统等几部分组成。

根据《导弹燃气-蒸汽弹射发射技术概述》，蒸汽系统包括储气罐、蒸汽注入/排除阀门、弹射阀门、蒸汽管道等；

弹射系统包括弹射阀门总成、弹射气缸、推进活塞、飞机牵引器、水刹器等；

润滑系统分布于弹射器各主要结构；

液压系统主要提供控制动力，控制各阀门开闭。

蒸汽弹射是以高压蒸汽推动活塞带动弹射轨道上的滑块把联结其上的舰载机投射出去。

简要过程说明如下：

储存蒸汽：

航母推进锅炉中产生的蒸汽储存在弹射蓄压罐内，等待弹射指令；

飞机固定：

飞机就位后拉好拖索并张紧；

弹射阀门释放：

接到弹射指令后，储气罐中的高压蒸汽进入开口汽缸，推动汽缸中的活塞带动往复车；

弹射：

往复车通过拖索牵拉飞机在甲板上高速滑行，在极短的时间内使飞机获得离舰速度而起飞；

排气复位：

舰载机弹射起飞之后，通过制动缸等部件使往复车制动、复位，为下一次弹射做好准备。

目前蒸汽弹射的结构和性能都已成熟，单从机械角度看已达到性能的顶峰。

最先在蒸汽弹射技术上获得成功的是英国海军。

1954年，美国从英国购买2套BXS-1型蒸汽弹射器，将其称为C-11型。

1961年，完全摆脱英国弹射器的纯正美国式蒸汽弹射器诞生，美国海军将其命名为C-13型。

C-13是非常成功的弹射器，美国海军现役的“尼米兹”级航母都是采用C-13型。

出口法国“戴高乐”号使用的是C-13-5型弹射器。

蒸汽弹射器价格不菲，目前只有美国可以批量生产弹射器。

蒸汽弹射器的部件与其他军用或民用的产品通用性并不高，汽缸、活塞、密封条、橡胶条等都需要专门研制，这就造成弹射器的生产成本很高。

目前除美国外，其他国家没有批量生产的需要，所以其研发成本更高。

《微观航母之弹射杂谈》披露法国从美国购得的C-13-3型蒸汽弹射器约为1.2亿美元，自行研制、制造的费用将高达15亿美元。

二、电磁弹射：

弹射能力极强，造价不菲

1、电磁弹射起飞原理

电能和动能的相互转化构成电磁弹射最为基本的原理。

根据电磁感应原理，切割磁感线能够产生电流，反过来，电能也能转化为机械能。

电磁弹射器利用直线感应电机的直线运动，带动舰载机加速到起飞速度。

其工作原理是:

直线感应电机的定子通上交流电后，产生交变磁场，这种磁场使直线感应电机的动子产生感应电流，这样，处于交变磁场的动子就会受到安培力的作用，向前运动。

航母舰载机就是在动子的带动下，加速起飞。

美国最新“福特”号航母是目前全球唯一搭载电磁弹射器的航空母舰。

2017年4月8日，“福特”级航母的首舰“福特”号海试，引起全球广泛关注。

美国海军计划在2058年之前建造10艘同级航母，全部搭载电磁弹射系统，取代目前的“尼米兹”级航母。

2、电磁弹射系统构成

根据《电磁弹射技术的原理与现状》，电磁弹射器在结构上可以分为发射电机系统、电力储能系统、功率转换电子系统、发射控制系统四大子系统。

发射电机系统：

采用紧凑的模块化集成飞行甲板结构，能将电流转化为电磁力，将飞机加速送进发射道。

电力储能系统：

航母自身的电力主要来自于舰船动力系统，但是该电力无法提供100兆瓦以上的峰值功率，因此需要电力储能系统将电力储存，经积累后在高密度释放，以达到整个系统正常工作时的需求。

功率转换电子系统：

将从电力储能系统接收的电力转换为电压电流合适的能量波驱动穿梭仓沿发射轨道运动。

发射控制系统：

电磁弹射器采用闭环系统，对进入发射电机的电流采取实时控制，保证了最优化的推出速度以及更平稳的加速，因而能适用不同重量的飞机。

3、起飞方式比较：

电弹优势明显

上节提到，现役航母舰载机有四种起飞方式：

滑跃、垂直、蒸弹和电弹。

中国首艘航母“辽宁”号和首艘国产001A航母为滑跃起飞，未来舰载机起飞方式更多的是在蒸弹和电弹之间选择。

故本小节将对比分析滑跃、蒸弹和电弹三种起飞方式的优缺点。

滑跃起飞相较于地面起飞最大的优点是缩短舰载机起飞的滑跑距离。

滑跃起飞方式有诸多优点：

缩短舰载机起飞滑跑距离：

飞机沿滑跃甲板起飞后，在沿抛物线轨迹下降过程中，将受到上洗气流的作用而获得更大升力。

结构简单，造价低廉，不需对飞机作较大改进。

对甲板风要求少：

如AV-8B斜甲板起飞要求甲板风比平甲板起飞少30kn。

增加安全性和减轻驾驶员的工作负担：

由于飞机离舰后有一个垂直方向的分速度，爬升率始终为正值，驾驶员有足够的高度处理可能遇到的紧急情况。

滑跃起飞相较于电弹起飞最显著缺点是不能起飞大型固定翼舰载机。

滑跃起飞相较于电弹起飞有诸多缺点：

不能起飞大型固定翼舰载机；

飞机留空时间减少：

采用滑跃起飞方式，发动机需开加力，油耗增大，使飞机留空时间减少；

舰载机数量有限：

由于舰首甲板采用上翘斜曲面，因此不利于舰载机在舰首停放，使航母的舰载机数量减少。

若美国“尼米兹”级航母采用滑跃起飞方式，则会少停放10多架F/A-18飞机；

舰载机出动频率较低：

美国“尼米兹”航母舰载机日出动次数在140架次，“辽宁”号正常条件下为70架次。

蒸汽弹射技术成熟，可以弹射多种类型飞机。

蒸汽弹射方式有如下优点：

降低了舰载机的要求：

对目前舰载机而言，均可以通过弹射器的弹射离舰起飞；

保证舰载机以较短时间间隔连续起飞：

如美国“尼米兹”级航母上配置的4台C-13弹射器，在同时工作时，起飞间隔仅为15s；

美军技术成熟，使用经验丰富：

美国10艘“尼米兹”及航母都是采用蒸汽弹射起飞。

蒸汽弹射相较于电弹能量利用率低以及对航母舰体的负面影响较大。

蒸汽弹射缺点：

弹射器技术难度大：

目前全球只有美国制造弹射器，在使用和维修过程中，弹射器的关键部件需要超高技术和相当的经验；

弹射器重量和体积很大：

如“尼米兹”级航母上的四台C-13弹射器重量为2800t，体积为2265m3，占用70多米的甲板空间；

蒸汽弹射能量利用率低：

蒸汽弹射能量利用率只有6%左右；

消耗大量淡水资源：

每弹射一次大约消耗1吨淡水资源；

后期维护保障繁杂：

对航母舰体的应力影响较大：

在弹射起飞时，对航母舰体的压力和冲击力不容忽视。

电磁弹射相较于蒸汽弹射的优势明显。

弹射性能较好：

电磁弹射最大弹射能力高达122兆焦耳，比蒸汽弹射器高出约29%，可以弹射重量更大的舰载机。

弹射更为可控：

蒸汽弹射无法精确控制推力，会造成舰载机受力不均，进而造成机体受损。

电磁弹射加速更可控，更平稳，可大幅减小对舰载机和各部件的冲击。

蒸汽弹射一般要求18吨以上，而电弹可弹射飞机小到2公斤，大到40余吨。

可靠性更高：

蒸汽弹射2次重大故障的平均周期约为405周，而电磁弹射周期达1300周以上。

适装性更佳：

蒸汽弹射器大部分重量位于上层甲板，导致船体重心升高，而且弹射气缸必须整体安装，而电磁弹射器可以灵活布置。

体积质量更小：

C-13型蒸汽弹射器的总质量约为538吨，体积超过1100立方米，而电磁弹射质量小于280吨，体积小于425立方米。

能量利用率更高，节约淡水：

蒸汽弹射器能量利用率只有6%，每起飞一架飞机，约消耗1吨淡水，电磁弹射能量利用率可达60%，不消耗淡水资源。

4、美国通用原子公司是目前全球唯一电弹系统供应商

美国是最早尝试电磁弹射器的国家。

早在1945年，美国海军就和西屋公司在夏威夷机场上一起建造了一台电磁弹射器，它可以在178米的距离内将4吨重的飞机加速到180千米/时。

1992年卡曼公司开始为美国海军新一代航母研发电磁弹射方案；

2004年美国海军选择通用原子公司为电磁弹射器的主承包商；

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