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x-file来看老道发明的超级碳纤维弹跃起飞系统,秒杀美苏两国的笨蛋
送交者:  2018年04月10日17:00:56 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话

现在航母有两大流派,另一个是苏联的滑跃起飞,这种方式是在船头建个10-14度的跳板,飞机经过滑跑后以50米/秒以上的速度抛入空中,因为跃起时有10-14度的上仰角,所以有一定的留空时间,在这段时间里,飞机可以用自己的发动机继续加速到起飞速度。另一个路子是英美的弹射起飞,弹射起飞又分三种,开始是液压弹射起飞,这种方式能达到的速度只有51米/秒。此后的蒸汽弹射可以达到70米/秒。现在在研发电磁弹射。

Liaoning2.gif


滑跃和弹射两种方式各有优缺点。

蒸汽弹射器起飞的缺点:

1.  弹射器重量体积过大,美舰上的C-13蒸汽弹射器每台525吨,4台两千多吨,造成航母上层过重不稳。在甲板下方还设有弹射 蒸汽储气罐、弹射器管路舱等设施需要600立米,占据机库空间较大。

2.  开缝蒸汽弹射器汽缸使得材料强度无法发挥,导致弹射器重量很大,汽缸开缝部分需要在运行时填条封闭,维护困难,建造技术难度大,造价较高,战时受损难以修复。

3.  需自制淡水。蒸汽弹射器除了要在舱内留出设备位置外,还需要大水箱来存放淡水,弹射l架中型战斗机,大约要消耗1吨淡水。

4.  能耗高。由于开缝汽缸漏气,蒸汽弹射效率只有4-6%。为了将淡水烧成蒸汽,必须耗费大量的能源,要为贮存燃料留出额外的空间。如果直接从舰上的动力装置(如核动力装置)中引出热能,用于航行的功率就要大大降低,舰速会相应减小。而在飞机起飞和降落时,正需要航母以较高的航速逆风前进(一般要求航速在30节左右),减小航速自然对起降不利。

5.  弹射起飞的加速度最高可达5g。为了适应弹射起飞的要求,飞机结构要做相应的加强,使得空机重量有较大增加。例如,F/A—18的舰载型比陆上型F-18L的空机重量超出近3000公斤,几乎占起飞总重的20%;不仅空机重量大,而且造价也大为提高。

Liaoning3.gif


滑跃起飞没有弹射起飞那么复杂难维护的蒸汽弹射器,据报道滑跃可以在飞机重量不变的情况下减少60%左右的起飞距离。但滑橇起飞方式也有不少缺点:

1.  滑橇起飞需长跑道。以“辽宁号”航母为例,其2条起飞跑道交汇于舰艏的 上翘部分。右舷一条起飞跑道的起点在岛式上层建筑的前方,总长约105米,减去上翘斜板的平直段只有45米左右,主要供垂直起降飞机、直升机和减轻了重量 的固定翼战斗/攻击机使用。左舷一条起飞跑道的起点在着舰回收区内,全长约195米;如果不与着舰区相交,可利用的起飞跑道只有130米左右。这就更限制舰载机的起飞全重了。

2.  105米跑道只能轻载起飞,195米跑道也不能满载起飞,其他推重比不高的固定翼舰载机(如预警机、反潜机等),无法采用滑橇起飞方式。

3.  滑橇起飞对发动机推力的要求相对较高;而海平面温度偏高使得发动机推力减小,舰载机要正常起飞就必须减重,使得执行任务的能力大打折扣。

4.  与弹射起飞相比,常规舰载机采用滑橇起飞需要有较大面积的“干净”甲板。这样就会造成航母上层甲板停机位的减少,大部分舰载机不得不放在下层机库内;而机库的容量是有限的,且上下运送飞机多有不便。

5.  滑跃起飞时由于现代喷气机在低速时效率很低,所以耗费大量燃油。

因此弹射和滑跃各有优缺点,同时现代战机也有很大进步,主要是发动机性能改善,推重比越来越大,甚至可以做到0跑道滑跑起飞。如果把现代战机的特点和弹射滑跃两者有机结合可能克服双方的缺点。以前液压弹射可以达到50米/秒的速度,那个速度对现代战机的滑跃起飞足够了。问题是液压弹射需要钢拉索。60年前,钢的强度不高,钢拉索弄得很粗很重,不过现在材料的性能出现了革命性的变化。关键是碳纤维超级材料出现了。

现在的碳纤维抗拉强度比以前的钢要强上百倍,情况已经发生变化。可惜中国军方只会跟老美屁股后面跑,不懂利用新的技术革命成果。新的超级航母设计应该利用现代材料革命的成果,把航母弹射器由推变拉,同时利用滑跃甲板。由于滑跃甲板节省了60%的起飞距离,那么弹射器不需完成全部加速任务,只用完成那剩下的40%就行了,所以滑跃首先减少了60%的弹射器能量重量和体积。辽宁号上翘部分甲板长53米,可以在辽宁号上翘部分甲板下装直线气缸,这个气缸全封闭,没横向开口,但在后面有个扁洞,一根60米长厚1厘米宽7厘米外包弹性铝合金的碳纤维带通过此洞滑动。由于碳纤维强度高达6370Mpa,也就是每平方厘米截面的碳纤维可以拉动63.7吨的东西,如果要把最大45吨的飞机以2.55g的加速度加速,那么只需要1.8平方厘米的碳纤维就够了,为了保险,我们采用截面积7平方厘米就是比需要面积大四倍的碳纤维杆来拉动飞机。碳纤维的比重只有1.8。这根碳纤维带重量只有42公斤。由于杆的直径跟汽缸后部的口密合,杆滑动时并不漏气,不需密封条等麻烦手段,所以这个气缸跟汽车发动机气缸差别不大,只是大了很多,以前造成蒸汽弹射器密封不可靠问题的问题不再存在,气缸放在滑跃甲板的弯曲部位以下,通过滑轮后转换方向,用碳纤维拉带拉动连接勾,连接勾如通常的弹射起飞系统一样拉着飞机前轮以2.55g在50米内加速到50米/秒。加上航母起飞时通常以最高速度迎风航行,航母自身速度可以达到15米/秒,总速度65米秒。这个速度足够现代战机以10-14度角满载跳跃起飞了。

压缩-拉杆弹射器2.gif

上面是压缩拉索弹射器的详细结构,整个系统由阀门1,气罐2,钢制汽缸3,活塞4,半刚性碳纤维拉带5,滑轮6,连接勾7,柔性碳纤维拉索8,液压减速器10,电机11,和阀门管道等组成。弹射时,阀门1打开,气罐2内71大气压的高压气体冲入气缸3,推动活塞4往舰尾方向运动,由于是室温工作,可以使用润滑油和橡皮密封圈,活塞漏气很少,碳纤维拉带外包铝合金套,与后面的开孔也完全密合,基本不漏气。活塞拉动半刚性碳纤维带5,绕过直径2米的碳纤维轻质滑轮6后反向,拉动与飞机相连的连接勾7,提供拉力230吨, 把飞机拉向舰头方向运动,可以把45吨满载的飞机以2.55g在50米内加速到50米/秒.同时拉出与柔性碳纤维拉索8。飞机沿上翘甲板9加速到接近舰头后,连接器与飞机脱钩,飞机脱离甲板飞行。连接器撞到液压减速器10,减速到零。这时柴油机或大功率电机 (1250kW)工作,在45秒内把活塞拉回原位,气缸里的气体就回收到储气罐里了,目前钢拉索绞车能轻易拉动100吨的物品,所以这部分只须使用已有系统就可以了。很多船用电机功率都在1兆瓦以上,比如西门子公司和上海电机厂都销售1250kW电机,电机连同变速箱等控制系统重量不超过18吨。整个系统需要45秒拉索压缩时间, 15秒准备时间,共一分钟。每个系统一分钟可弹射飞机一次。如果加大电机功率,那么30秒弹射一次也不成问题,只是由于飞机起飞需要准备时间,所以不一定用得上那么快的弹射速度。

 

由于是室温工作,可以使用润滑油和橡皮密封圈,橡皮密封圈是空心的.可以充气, 在弹射时, 气被放掉, 以免高速摩擦破坏橡皮圈, 由于弹射只用两秒, 过程中气体泄漏很小. 压缩过程需要45秒,这时橡皮圈充气,防止漏气.少量损失的气体可用一个不大的压缩机补充。

弹射系统的输出可以用两个办法调节,一是可以通过减小储气罐气压减少推力,二是紧急时调节阀门出气量减小输出功率

本系统用压缩空气储能,储存的只有71个大气压的高压空气,室温下工作,储存罐体积72立米,使用天然气管道相同的合金X80,直径2米,长23米,厚9 mm,重11吨。系统中所有元件加起来总重33吨,加上支撑系统,估计整个系统的重量不超过50吨。而一般的蒸汽弹射系统却需要525吨。 

弹跃起飞优点:

1. 重量由蒸汽弹射器的525吨下降90%到不超过50吨。体积由600立米降到75立米。由于滑跃弯曲甲板下很难放其它东西,但储气罐放那里不是问题,所以75立米的储气罐,实际上基本不占用航母有效使用空间。

2.没有难于维护的开缝汽缸。

3.动力可以是柴油机和电动机,任意选择.船用柴油机效率50%-52%, 弹射效率90%,总效率45%。比蒸汽弹射提高10倍。

4.不消耗淡水。

5.弹射纵向加速度从蒸汽弹射器的5g降到3g以下。法向加速度也在3g以下,降落时由于法向速度高达6-7米,法向加速度高达5g.以歼-15为例,该机空载时重17.5吨,满载33吨,满载时重量是空载的1.89倍。假设起飞时满载,降落时空载。文献报道,降落时飞机因拉索减速,要承受5g的纵向加速度,就是87.5吨力。一般的弹射起飞要承受最大5g的加速度,这时的起飞重量是33吨,那么加速时要承受165吨的力,大于降落时承受的力,所以飞机要额外加强。而弹跃起飞只要承受2.55g的加速度,就是84.15吨的力,小于降落时的力。飞机已经因要承受降落的高加速度而加强了,所以不需要额外再加强。降落时,飞机以6-7米/秒的法向速度砸向甲板,飞机瞬间也要承受5g的法向加速度,为了抵挡这个法向加速度,飞机也作了法向加强,可是在弹射起飞时,只有纵向加速度,没有法向加速度,所以弹射的问题是纵向的加强不够,要进一步加强,法向的加强又没有用上,浪费掉了。当飞机以60米/秒速度从14.3度曲率226米的上翘甲板跃出时,法向加速度是2.6g。满载起飞时,这个力是85.8吨,依然小于着舰时的加速度,所以不需要很多的加强。蒸汽弹射时,蒸汽是完全放出,由于不想浪费能量,所以让低压蒸汽继续做工,导致开始时飞机加速度大到6g, 最后阶段小到1g. 而压缩空气弹射时,压缩空气90%以上是回收的,不须放掉,原理的不同,导致压缩空气弹射可以把加速度的变化控制在2g-2.5g的20%变化范围内.最高加速度降低,意味着飞机不需要加强那么多,所以相对于蒸汽弹射,弹跃起飞舰载机可以更轻。纯滑跃起飞舰载机由于起飞速度低,为改善低速气动性能,需要增加机翼面积和襟翼,据报道重量增加14%,相对于纯滑跃起飞,弹跃起飞速度较高,离舰速度高达50米/秒,加上航母速度15米/秒,共65米/秒,或234km/h. 舰载机不需增加过多的机翼面积,也降低了重量。所以弹跃起飞不但可以降低弹射器的重量,也可降低舰载机的重量。

6.由于重量下降,没有高精度的开缝汽缸,不需工作在高温下,不需保温材料,复杂性下降,储气罐压力小于天然气主干管道,可用已有的天然气管道加工制备,安全可靠性得到保障。

7.相对于滑跃起飞,攻击机如J-15重载满载起飞没任何问题,预警机等其它飞机都可以弹跃起飞。

8.195米的重载跑道变得不需要,跑道长度缩短到船头上翘部分53米。飞行甲板可以放更多飞机。

9.弹射时已经把飞机滑跑方向固定,所以飞机跑偏的可能性不大,可用把两条起飞线外挪,中间再加一条跑道,跑道从两条增加到三条,每分钟可起飞三架飞机,起飞效率提高50%。

10.弹跃起飞速度高于滑跃起飞,飞机不需在起飞时加力,节省燃料。

11. 本系统使用柴油发动机,虽然也可用电动,但只是弹射完成后才用电动机把气体收回储存罐,电磁弹射时直线电机工作时间只有两秒钟,但本系统工作时的电机工作时间是45秒钟,作同样的功而时间短,意味着电磁弹射时直线电机功率要比本系统高二十多倍。本系统里的柴油机电动机虽然功率不小,但都是成熟的技术,不需额外研发电磁系统。

12.拥有于蒸汽弹射相同的可靠性。蒸汽弹射公认可靠性高,压缩空气-拉带系统的可靠性与蒸汽弹射相当,因为在弹射前,压力已经固定,施与飞机的力是确定已知的,这与蒸汽弹射情况类似,蒸汽弹射时是打开阀门,压缩空气-拉杆系统是松开连接勾,阀门或连接勾一松开,飞机弹射的过程中基本不会出什么问题。电磁弹射系统的可靠性目前还不确定,因为电驱动过程中如果出现问题比如短路,动力突然消失,那么飞机达不到起飞速度,就被推海里去了。

13.由于船头翘起,不会像蒸汽弹射那样,因为海浪造成纵向摇动而不能起飞。

14.由于没有开缝汽缸,没有复杂难造的部件, 加工简单得多,相应制造成本低得多,同时维修也容易得多,制造和维护成本大幅降低。

15. 没大功率电磁辐射,柴油机不发出电磁辐射,电动机电磁辐射可以被限制在机壳内。

本系统结合了美苏弹射和滑跃两个流派同时也超越美苏两个流派。


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