引言

周恩來總理曾經(jīng)在1973年會見外賓時感嘆看不到中國擁有自己的航空母艦而不甘心。2012年,中國終于有了第一艘自己的航母"遼寧號"。航空母艦是以艦載機為主要武器的大型水面戰(zhàn)斗艦,其中艦載機的起飛彈射器尤為重要。

1現(xiàn)有彈射方式存在的局限

自20世紀20年代以來,各種類型的彈射器相繼出現(xiàn),有火箭式、壓縮空氣式、內(nèi)燃式、液壓式、電磁式、蒸汽式等。彈射器的起飛系統(tǒng)主要由彈射推車和導(dǎo)軌、彈射汽缸、水剎器和推進活塞等組成,如圖1所示。

然而,除蒸汽彈射器和電磁彈射器外,其他類型的彈射器因其安全性或彈射能量限制了艦載飛機的發(fā)展和使用而逐漸被淘汰。目前最成熟的艦載機彈射器是蒸汽彈射器,已經(jīng)被美國買斷專利并經(jīng)過多次實戰(zhàn),技術(shù)發(fā)展成熟,但是也有很多缺點。根據(jù)已公布的數(shù)據(jù)顯示,目前正在服役的航母蒸汽彈射器重量接近500t,每次使用要消耗700kg蒸汽,彈射的最大輸出能量可以達到95MJ,最短工作周期為45s,功率浪費嚴重,可以被利用的蒸汽大約只有6%。為了制造和運輸蒸汽,航空母艦需要配備大型鍋爐、海水淡化裝置和大量管道,每次使用和維護需要300人,因此蒸汽彈射系統(tǒng)的效率很低。此外,蒸汽彈射器由于其能量過大而不能發(fā)射無人機,在航母上的使用受到限制。

電磁彈射器的用途要比蒸汽彈射器的用途更廣,從小型的靶機到大型的戰(zhàn)斗機都可以發(fā)射,且只有蒸汽彈射器一半的重量和體積,操作時需要的人員更少,但是有致命缺點,即存在電磁干擾和安全性等問題。最近有報道稱:美國總統(tǒng)特朗普指責電磁彈射器用掉過多軍費,且技術(shù)進展緩慢,認為沒有發(fā)展?jié)摿?要求美國航母全部使用更加穩(wěn)定且技術(shù)更加成熟的蒸汽彈射器,因為電磁彈射器最早的設(shè)計指標是"每彈射4100次允許出現(xiàn)一次故障",但目前就海試期間搜集的數(shù)據(jù)顯示,"福特"號上的電磁彈射器平均每彈射400次就會出一次故障,遠遠沒有達到預(yù)期效果。電磁彈射器并沒有從根本上消除彈射器起飛方式的4個固有缺陷,如彈射器仍需在航空母艦上占據(jù)巨大的空間資源:彈射器仍然需要在航母上進行保障和維護,并為此配備很多人員:彈射器所消耗的巨大能量仍需由航空母艦的動力系統(tǒng)提供。最主要的是,需要長期投入大量的資源用于彈射器的研制和生產(chǎn),技術(shù)風險非常高,阻礙了航母的進一步發(fā)展。

2爆轟推進方式在彈射裝置中的應(yīng)用

爆轟發(fā)動機是一種基于爆震燃燒的新概念發(fā)動機,它主要由進氣道、爆轟室、尾噴管、爆轟激勵器、燃油供給和噴射系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成,一般應(yīng)用于導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機、靶機等動力裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、熱循環(huán)效率高、維護方便等特點,被許多科學(xué)家稱為夢幻動力。連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機的優(yōu)點主要有:(1）爆轟波傳播方向與爆轟發(fā)動機的進氣方向、排氣方向均獨立,會被封閉在燃燒室內(nèi),避免了爆轟波噴出管外而造成的巨大能量損失,提高了工作效率。(2）由于爆轟波的自壓縮性和自維持性,可燃混合物由爆轟波增壓到一定壓強,可在較低的增壓比下產(chǎn)生更大的有效功。最主要的是,爆轟波旋轉(zhuǎn)和傳播只需要一個初始爆轟就可以連續(xù)下去。綜上所述,熱循環(huán)效率高和維護簡單就已經(jīng)解決了目前蒸汽彈射器和電磁彈射器所面臨的問題。

用爆轟發(fā)動機代替蒸汽彈射器的蒸汽汽缸,創(chuàng)造出爆轟彈射器,結(jié)構(gòu)方面可以借鑒已經(jīng)被淘汰很久的內(nèi)燃彈射器。在20世紀50年代,內(nèi)燃彈射器因為技術(shù)不成熟、成本巨大、維護較為復(fù)雜、消耗燃油、汽缸加工困難、汽缸組占據(jù)空間大等問題而被淘汰。但是爆轟彈射可以把燃油動力系統(tǒng)換成爆轟發(fā)動機,解決當時內(nèi)燃彈射器存在的問題。

爆轟發(fā)動機是在燃燒室內(nèi)直接利用爆震燃燒產(chǎn)生的爆震波來壓縮氣體產(chǎn)生動力,燃燒室內(nèi)的燃料可以是鋁粉、汽油、煤油、乙炔等。爆震發(fā)動機一般分為脈沖爆震發(fā)動機和連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機。彈射器可以考慮采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機,只需一次點火即可連續(xù)工作,因此不會中斷爆震過程。不同于沖壓發(fā)動機的體燃燒,連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機是面燃燒,在燃燒室中成燃燃熱釋放。此外,動態(tài)傳播方向是與流向垂直的圓周運動,增加了燃燃的穩(wěn)定性,且鑒于爆轟的特殊性,發(fā)動機性能顯著提高。

蒸汽彈射器最主要的缺點是總重量過重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和效率過低,但連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機則可以彌補這些缺陷。通過具體的實驗測量可知,-不安裝尾噴管的情況下使用煤油/氧氣時,連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機比沖可達到190～200s。波蘭華沙工業(yè)大學(xué)的wolanski教授課題組-不同氧化劑、不同燃燃燒尺寸、不同在料、不同入流總壓和不同背壓條件下對連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機展開了實驗研究,得到了長時間穩(wěn)定傳播的連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟。-實驗的推力性能測量室,他們-內(nèi)直徑140mm、外直徑150mm的火箭式甲烷/氧連續(xù)爆轟發(fā)動機燃燒燒內(nèi)獲得了平均250～300N的推力,換算為單位面積推力達1.1×105～1.3×105N/m2。這些實驗結(jié)果都進一步證明了連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機可以-艦載機彈射裝置室使用。

3結(jié)語

連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、熱效率高、節(jié)省能源、成本低廉,但也存-一些問題,如安裝問題,被具體安裝-彈射系統(tǒng)的哪個部位有待研究:工作時的冷卻問題,因為爆轟發(fā)動機能量很大,每次使用時會產(chǎn)生高溫,需要有一個很好的散熱方案:震動噪聲問題,爆轟發(fā)動機依靠爆震波產(chǎn)生能量,會發(fā)出巨大的震動和噪聲,需要一個減震和除噪裝置:起爆時的控制和后續(xù)動力的保持問題等,這些問題都需要科研人員繼續(xù)深入研究加以解決。爆轟發(fā)動機之前一直被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,-艦載機彈射器上的應(yīng)用是一個全新嘗試,雖然目前還存-許多問題,但相信隨著科技的發(fā)展,這些問題都可以被解決,我國的軍事力量會越來越強大。