航母弹射飞机起飞

航母弹射飞机起飞
目前，航母弹射飞机起飞的装置，使用最多的还是蒸汽弹射装置。

考虑弹射问题，做了一点点初步的估算。

这仅仅是一个粗线条的概算，有关结果，可能提供参考。

1，弹射过程加速度估算：
弹射末速度80 米/ 秒，相当时速288公里（160节），假设弹射加速长度100米（美国C—13—2弹射器），
按照V = (2aS)EXP0.5公式计算，
80 米/ 秒＝（2a100米）EXP0.5
加速度 a ＝32 米/ 秒2＝3.26 g （此处的g代表重力加速度，g ＝9.8米/ 秒2）
2，弹射运动时间估算：
S = 0.5at2
S = 100米，a = 32 米/ 秒2 ，t = 2.6 秒
3，弹射过程功率估算：
30吨飞机，加速度为1g情况下需要30吨即30000公斤弹射力，100米弹射距离，做功3000000公斤米。

弹射时间粗略视为3秒，则功率1000000公斤米/ 秒＝13300马力（9790千瓦）。

实际上弹射需要的加速度超过3g（按照前面1的估算），相应的功率约为3万千瓦。

一艘航母配备两条到四条弹射道，2－4个弹射器，最紧张时，四个弹射器都要投入工作。

4，弹射力估算：
弹射加速度a = 32 米/ 秒2 ，被弹射飞机起飞重量30吨情况下，由于弹射加速度a = 32 米/ 秒2 = 3.27 g，弹射力为30吨X 3.27 = 98吨。

5，美国C—13—2弹射器，轨道长度324英尺（99米），冲程306英尺（93米），气缸直径21英寸，冲程容积1527立方英尺，活塞与牵引器重量6350磅，里根号航母装备四套。

蒸汽弹射
器每次弹射最大输出能量可达到95兆焦耳（95兆瓦秒，若弹
射在3秒内完成，则功率为32000千瓦，此数值与前面3的估
算结果接近），弹射器最短工作周期为45秒，平均每次弹射
耗用近700公斤蒸汽。

6，弹射气缸蒸汽压力估算：
设弹射力为98 吨，弹射气缸活塞直径为21 英寸（美国C—13
—2弹射器情况），换算为公制，活塞直径为21 X 2.54 = 53.3
厘米，活塞面积为2231 厘米2，使用双气缸，活塞面积加倍，
弹射蒸汽压强应当是22 公斤/ 厘米2，按照过去习惯的单位
就是22 大气压。

工程上，22 大气压的参数，对于航母弹射装
置所需要的锅炉以及气缸，从技术层面来看是能够实现的。

下面是弹射器剖面示意图和实际结构照片。

弹射气缸的密封装置很巧妙，原理参见下图。

7，用视频素材做些文章
找到了F—18大黄蜂战斗机在林肯号航母上弹射起飞的视频记录的FLV文件。

粗略观察，弹射起飞过程经历的时间大约是3秒钟。

F－18在林肯号航母起飞，注意第33秒到36秒弹射起飞过程（此照片原来链接了视频素材，这里已经将链接撤销。

）
F－18在航母上起飞，注意第23秒到26秒弹射起飞过程（此照片原来链接了视频素材，这里已经将链接撤销）。

进一步仔细处理，先将FLV格式的文件转化为豪杰解霸能够解读的MPEG格式，然后利用豪杰解霸的连续截图功能将弹射起飞的视频记录还原成为每秒25帧的连续照片。

在这些连续截图照片中找到弹射开始以及弹射结束的照片，按照相邻两帧照片之间的时间间隔为0.04秒计算，可以更仔细地判断弹射过程的时间。

观看两个照片文件夹。

第一个文件夹是从第一个视频记录得到的一组连续截图，照片的编号是从1024到1110。

其中可以观察到，1026照片是弹射开始，1101照片是弹射结束。

两张照片之间有75帧照片，其间的时间间隔应该是正好3秒钟。

下面四张照片是1024、1025、1026与1027。

可以判断，1026是弹射开始。

仔细观看人员与飞机前起落架的相对间隔，可以判断1026是弹射开始。

再下面四张照片1108、1109、1110和1101，用来判断弹射过程的结束。

仔细观察后面的1100与1101两张照片，1101照片上可以看到前机轮已经离开甲板，弹射器活塞后面泄漏的蒸汽已经显著减少。

据此判断1101照片是弹射过程的结束。

1101照片与1026照片之间的间隔是75帧，对应的时间间隔是正好3秒，这就是弹射过程的持续时间。

同样方法，从第二个视频记录中连续截取了编号为2156到2230的74帧照片，其中2160为弹射开始，2228为弹射结束。

相应的弹射过程的持续时间为2.72 秒。

8，在广泛采用传统的、成熟的蒸汽弹射装置的同时，很多人也将注意力转移到电磁力驱动的弹射装置。

电磁弹射装置具有效率高，调节控制性能好以及绿色环保等优点，所以受到众多科学技术人员的青睐。

谈到效率，众所周知，蒸汽机车使用的锅炉与活塞往复蒸气机的热销率只有8％左右。

其中机车锅炉的效率甚至只有50％，蒸气机效率高的达到15％，两者乘积接近8％。

采用奥托热力循环的汽油活
塞发动机，效率可以达到25％左右。

采用狄赛尔热力循环的柴油活塞发动机，由于显著提高了压缩比，热效率更高一些，可能达到36％左右。

采用高温高压（600℃、360大气压过热蒸汽）的现代火力发电系统，锅炉的效率甚至可以达到95％，大膨胀比的蒸汽涡轮的效率也很高，锅炉与蒸汽轮机发电机组的效率可能达到45％，有报道说国外的先进大型机组的效率甚至达到48。

燃气轮机，由于燃烧室效率更高，采用40以上的压缩比，效率可能达到46％或更高一些。

得到电能以后，将电能转化为机械能的效率是很高的，很容易超过90％，甚至超过95％。

总之，采用电力驱动，即便考虑从热能转化为电能过程中的有限的热效率，仍然比蒸汽弹射的效率高很多。

电磁驱动的调节与控制的方便可靠，与传统的蒸汽弹射相比较，显然更吸引人。

采用电驱动，尤其是大功率驱动，过去遇到的一个困难就是体积大、重量多。

过去，采用电动机驱动的飞机很难上天，发动机太重了，六十年前有人试验带着电缆又地面供电让电动机驱动的直升机起飞离地，成功了，但是非常勉强。

现在不同了，电动的模型飞机越来越多，而且比过去那些使用内燃活塞发动机的航模飞机方便、好用。

发生这样显著变化，科学技术上得益于三个重要进步，第一个是稀土强磁材料的出现，大大提高了电机的功率密度，包括重量功率密度和体积功率密度。

第二个是超导，特别是高温超导材料的出现，使得传递电流得以极大提高。

第三个是高效、高密度电能存储器件的出现。

如
果将电力驱动引入航母弹射，特别需要注意引进和采用稀土强磁、高温超导以及新型电能存储器件这三个方面的新技术。

关于第三个技术进步，电能存储器件的进步。

在大家熟悉的电化学蓄电器件之外，还可以考虑超级电容这种物理蓄电器件。

超级电容蓄电装置对于航母特别有益的两个特点是它的充电时间非常短，放电功率特别高。

充电过程可以在几秒、几十秒时间内完成，上海世博会使用的超级电容公交车，利用乘客上下车的几十秒时间即可完成充电。

35克的Dia.30*46超级电容放电电流可以达到27（额定），120（峰值）安培，功率比锂离子电池高百倍。

对于航母上使用的峰值功率非常大的电磁飞机弹射起飞装置，，上述三个技术进步非常适用。

9，还有一些细节，例如F—18飞机两台发动机最大的加力推力总共大约20吨左右，占3g加速度弹射需要的98吨的20%左右。

但是加速运动的不仅是飞机，还有活塞等结构，这些结构的重量也有若干吨，相当重。