003福建號航母,常規動力能電磁彈射嗎?電磁彈射VS蒸汽彈射,有哪些優點?美國航母為什麼使用電磁彈射?| #探索時分

軍事情報局-探索時分-周子定
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#探索時分 #003福建號 #電磁彈射
航空母艦是令人生畏的海上巨獸,一架又一架的戰鬥機從這裡起飛,呼嘯著掠過藍天。可是有一個問題,現在的噴氣式飛機,在陸地上的起飛,距離動輒就要幾千米以上,F-16需要2,000米起飛,可是整個航母它的長度一般不超過350米。
以美國尼米茲級核動力航母為例,它的長度317米,但是飛行甲板只有不到100米。那麼飛機是如何在不到100米的距離上起飛的呢?
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航空母艦是令人生畏的海上巨獸
在這裡 一架又一架的戰鬥機起飛
呼嘯著略過藍天
可是有一個問題
現在的噴氣式飛機從陸地上起飛
距離動輒就要上千米
像F-16它需要的取飛距離長達兩千米
可是整個航母它的長度一般不超過350米
以美國尼米茲級核動力航母為例
它的長度317米
但是它的起飛甲板只有不到100米
那麼飛機又如何在不到100米的距離上完成起飛呢
最簡單的起飛方式叫華越式起飛
在中共的遼寧號 山東號
以及俄羅斯的庫茲涅佐夫號上
你都能看到
這個軍艦的最前端甲板
向上躍起大概有12到14度這樣一個角度
飛機經過這裡 自然就獲得了一個向上的分離
你再打開後燃加力室
就有足夠的動力完成起飛
但是華越式起飛侷限太大
很難滿載起飛
以中共的殲-15為例
在遼寧號上起飛只能攜帶兩枚中程導彈
和兩枚近程導彈 而且非常耗油
為了保證有足夠的動力
你的飛機不得不提前打開後燃加力室
很明顯 一架飛機依靠自己的動力
是不足以完成航母上的起飛
那怎麼辦呢
那就要藉助外力
目前世界上最為流行的是蒸汽彈射
而最為先進的則是電磁彈射
我們先來看一下蒸汽彈射
蒸汽彈射在50年代就出現了
最早是英國人的發明
被美國人拿來發揚光大
蒸汽彈射顧名思義就是利用高壓蒸汽
將飛機給彈射出去
美國的核動力航母
甲板下面是一個巨大的機械程式
其中的核心是核反應堆和蒸汽輪機
核反應堆無限提供動力
不斷燒鍋爐產生蒸汽驅動蒸汽輪機
帶動螺旋槳提供向前的動力
除此之外 這些高壓蒸汽還有另外一個作用
美國的航母將大量的高溫高壓蒸汽
集中在蒸汽室中
這些蒸汽不是為了別的
就是為了幫助飛機起飛
飛機要起飛時
開到預定位置和彈射器的軌道對齊
前輪固定到一個滑塊上
這個滑塊就是蒸汽彈射器的一部分
如果能夠透視航母
就能看到在飛行甲板的下方
一般會有一個彈射器的管線
滑動的是一個活塞氣缸
活塞的頂端露出甲板
就是我們前面說到的滑塊
它可以直接固定到飛機前輪上
當飛機前輪固定到彈射器上時
飛機就準備好起飛了
在美國的航母上
時常可以見到穿著黃色馬甲的飛行指揮員
這些人負責協調和安排艦載機的起飛
可以被看作是航母上的交通警察
還有一個凸出來的玻璃蓋子
這裡面的人負責操控彈射器
當飛機預備起飛時
連接著蒸汽彈射器的氣缸閥門會打開
大量的高壓蒸汽瞬間湧入到彈射器之中
產生巨大的壓力
但這個時候還不能起飛
因為高壓蒸汽一開始湧入的時候
壓力不足 也不穩定
我們還需要再等一下 蓄積力量
此時活塞是固定住的
使得飛機留在原地
只有當活塞積累了足夠壓力之後
彈射器啟動
飛機被巨大的動力推動瞬間被彈開
美國航母上的蒸汽彈射器
能以750千牛的推力在2萬秒內
將一架20噸的戰鬥機加速到265公里
這個加速度換算過來大概是4-5G
這個G就是重力加速度
這個感覺比你平時去玩過山車還要猛
一般普通的過山車大概是1-2G
一般來說不會超過4G
飛機彈射出去之後
有一個液壓抓抖
再把之前彈射出去的活塞抓回原始的位置
這樣的話 這就是一個完整的發射週期了
聽起來感覺不是很難
你要是飛行員的話
什麼都不需要幹 坐在飛機上就可以了
看起來和過山車差不多
蒸汽彈射聽起來不錯
但是它有很大的缺點
第一 它消耗的是蒸汽
蒸汽是高溫高壓的氣體
你如果連續使用幾次蒸汽彈射
你的壓力就不足了
以美國小英級航母的C-13彈射器為例
每次彈射消耗625公斤的蒸汽
和一噸左右的彈水
連續緊急彈射8架飛機之後
航母鍋爐的蒸汽壓力就會損失20%
整個動力會損失32%
航速下降8節
而且航母儲備蒸汽時間非常久
將大量的水燒開
產生蒸汽時間需要幾個小時
但是電池儲能只需要15分鐘
所以在緊急作戰情況下
蒸汽彈射有很大的劣勢
第二個缺陷就是要消耗大量的彈水
而不是海水
你看美國的視頻
飛機起飛的時候
整個跑道上都在冒煙
那都是彈水蒸汽
為什麼要用彈水呢
因為海水裡面有大量的雜質
像簡單的氯化鈉 鎂 鈉等金屬
形成蒸汽之後
對整個飛機上的精密儀器腐蝕性相當大
所以必須使用彈水或者是蒸餾水
但是我們知道你在海上是沒有彈水的
你攜帶的彈水量是有限的
而對於核動力航母來說
這個問題並不嚴重
因為核動力航母的能源是無限的
我可以採用低壓蒸餾法
直接引進海水加熱蒸餾
然後凝結就可以得到蒸餾水
可是常規動力航母動力有限
這就是為什麼常規動力航母
如果你使用蒸汽彈射的話會比較吃力
因為你沒有那麼多的能源
去保證你的蒸汽和彈水
第三個問題就是蒸汽彈射設備太重了
像蒸汽彈射器需要配備
蒸汽儲罐管線輔助設備
體積重量太過龐大
美國蒸汽彈射器全套體積達到1100立方米
全重接近500噸
可是反觀美國最新的電磁彈射設備
只需要500多立方米
全重325噸 減少了接近一半
蒸汽彈射的第四大缺點
就是蒸汽彈射無法精準的控制能量輸出
如果飛機過重 蒸汽彈射力量不足 無法彈射
可是如果你是小型無人機
蒸汽彈射也沒辦法做到
因為所需的力量太小了
導致我的蒸汽壓力不足
第五點 傳統的蒸汽彈射能量有限
最大隻能達到95兆嬌
而美國設計的電磁彈射
最大輸出能達到122兆嬌
能量多出了29%
能量利用率高達90%
說白了 蒸汽彈射可以把它看成
傳統意義上的內燃機器車
而電磁彈射就是現在流行的電車
既然蒸汽彈射不行
我們就要採用電磁彈射
那麼什麼是電磁彈射呢
要說電磁彈射
我們要從一個簡單的概念說起
叫直線馬達 或者叫直線電機
我們傳統意義上的直流電機
輸入的是電流 輸出的是旋轉的機械能
你要讓旋轉的運動改變為直線運動
在機械設計中最常見的方式
是使用滾珠絲槓
但是後來人們發明瞭一種直線馬達
能夠驅動部件在直線上前進
被廣泛地運用到數控機牀之中
直線馬達這一概念
被廣泛地運用到其他領域
比如像過山車 比如磁懸浮列車
中國在2006年從德國引進磁懸浮技術
其實就是在為電磁彈射做技術儲備
簡單來說 電磁彈射的核心
它是用磁力去彈射
可是磁場是怎麼來的
它是由電流產生磁場
導線通電會產生磁場
如果中間放入鐵芯 磁場會更強
但是出於各種工程上的原因
電磁彈射一般不會使用鐵芯
電磁彈射的導軌中
鋪滿了一個個通電的線圈
每一個大概有10釐米厚
大小和一個吃飯的盤子差不多
它們在軌道中形成一個又一個磁場
而電磁彈射要推動的物體
它就是一塊磁體
在磁場裡因為同性相吸異性相斥的原因
推動滑塊前進
這些導軌中的線圈其實是依次通電的
當滑塊通過第一個線圈的時候
第一個線圈通電產生磁場
吸引滑塊向前運動
當滑塊經過第一個線圈的時候
第一個線圈停止充電
它的磁場就消失了
而下一個線圈開始通電
在下一個位置產生新的磁場
推動滑塊繼續向前運動
也就是說在這100米長的軌道上
形成了一個又一個的動態磁場
這些磁場接力先後推動滑塊在磁場中前進
電磁彈射這個概念其實很早就出現了
大家如果去坐過山車
有的過山車就是利用電磁彈射的原理
推動過山車前進
甚至有的地鐵軌道交通也是採用相似的原理
它本身並不是一個多麼先進的科學技術
但是運用在航母上
運用在這麼大型的工程上
是一個很有挑戰的項目
以美國福特級航母為例
它的電磁彈射軌道長達91米
如何保證在這麼長的長度下
對物體加速以及在海洋環境中
空氣中大量瀰漫的雜質
對磁場可能產生怎樣的影響
都會影響到電磁彈射的效率
最近中共的003航母福建號下水
福建號是一艘常規動力航母
大家可能就會有一個疑問
電磁彈射需要大量的電力
作為常規動力航母福建號
有能力推動電磁彈射嗎
電磁彈射的核心
如果用這麼兩句話總結就是
它的用電量並不大
但是瞬間功率非常大
起飛一架大型艦載機
需要能量超過140兆焦
也就是40度電
用電量大嗎
對於一艘航母來說其實並不大
但問題是
你要在兩秒的時間內釋放40度電
瞬間功率超過7萬千瓦
這個數字就非常可怕了
這麼多的能量無論是常規動力還是核動力
都無法在幾秒的時間內提供
核動力的好處
是我可以無限的持續的大功率的提供能源
但是我也不能在瞬間產生這麼多的電能
那怎麼辦呢
所以無論是常規動力還是核動力
只有一個辦法
就是要在短時間內提供足夠的能量
就要先把這些電能提前儲存好
儲存電能 大家首先想到的是電容
但這在技術上建一個這麼大的電容是無法實現的
所以電磁彈射的儲能裝置選擇的是飛輪
所謂飛輪就是把電能轉化為機械能
在一個高速旋轉的飛輪中儲存著
飛輪的邊緣線速度能達到音速以上
當然為了減少摩擦
飛輪內部都是真空的
飛輪儲能是電磁彈射非常重要的一環
能量事先儲存好
彈射飛機的時候直接拿來用就可以了
所以對於電磁彈射來說
都需要安裝飛輪儲能
至於飛輪的電力來源其實無所謂
常規和核能都一樣
所以從理論上來說
雖然003福建號是常規動力
但在飛輪儲能性能有保障
電力分配高效的基礎上
電磁彈射的效率並不會和核動力相差太多
我們今天和大家簡單介紹了一下
蒸汽彈射和電磁彈射的區別
那麼隨著中共003福建號的下水
這艘航母性能到底如何呢
我們將在下集帶來福建號更詳細的分析
我是子定 我們下集再會
