美国CVN 21航母与飞机弹射系统概述 转

美国CVN 21航母与飞机弹射系统概
述转
原文地址：美国CVN--21航母与飞机弹射系统概述(转)作者：一见如故
美国CVN-21航母与飞机弹射系统概述
选自[全球军事快讯]
合众国际社报道，标准的美国"尼米兹"级航空母舰每艘的造价约为六十亿美元，美国的下一代航空母舰CVN-21的造价大约是这个数字的两僧。

后面还有战机、舰员培训以及支援和保护航空母舰的其它水面舰只的费用。

从理论上说，中国可能对美国海军在太平洋的传统优势构成挑战。

有人认为，建造航空母舰会使中国的预算无法承受，但是，这种观点不能完全令人信服。

报道认为，如果中国选择这样做，他们可能会得到美国海军的帮助。

基廷上将访华时曾说，如果中国决定这样做，美国将愿意助一臂之力。

美国有一派的观点欢迎中国投巨资建造航空母舰，理由是中国人可能会需要长达二十年的时间才能造出这些舰只和飞机，培训舰上人员，学习操作航空母舰的战术，他们将很难赶上已经有八十年航空母舰经验的美国海军。

另一些人认为，引诱中国建设这样一支海军是一个聪明的财政陷阱，会在未来几十年里使中国的国防预算无法承受并使之扭曲，未来中国的航母对美国占优势的隐形攻击潜艇来说也是巨大的目标。

还有一种观点认为，在隐形潜艇以及快速鱼雷和精密制导武器的时代，大型航空母舰已经过时。

有人认为，建造航空母舰会使中国的预算无法承受，但是，这种观点不能完全令人信服。

基廷指出，美国在这方面的经验领先全球，但美国海军在设计、建造航空
母舰、配备飞机和训练航海船员及飞行人员，仍要花十年以上的时间。

基廷说："如果中国要做这件事，将会是个非常艰难的工程。

"
目前，蒸汽弹射器、阻拦索及大型升降机等关键技术，就算是海军强国也
很难掌握建造航母所有关键领域的技术，法国建造的"戴高乐"号核动力航母，
其蒸汽弹射器也是从美国进口的。

蒸汽弹射器实际就是一台往复式蒸汽机，只不过其动力冲程很长。

蒸汽弹
射器由发射系统、蒸汽系统、拖索张紧系统、润滑及控制系统等部分组成。

工
作时，由锅炉产生高压蒸汽，并把这种高压蒸汽储存在蒸汽室里，弹射前，用
拖索将舰载机钩在往复车上，一旦将高压蒸汽充入汽缸筒，蒸汽的巨大压力推
动活塞，活塞带动往复车，往复车带动舰载机飞速向前滑动，从而将飞机弹射
出去。

如美国的C-13型蒸汽弹射器，可将36.3吨重的舰载机以185节(即339
公里/小时)的高速弹射出去。

目前，美国海军的航空母舰弹射一架飞机仅需30
秒种。

为与发射系统配套，航空母舰的甲板上还设有喷气偏流板。

(就是挡板)这
种安装在弹射台后方的偏流板又称为燃气导流板。

飞机在起飞前，将支起这个
偏流板，用以挡住起飞时马力开得最大的喷气式舰载机向后喷射出的高温燃气流，以防对人员和甲板造成危害。

每个弹射器后面有一组共3块偏流板。

单发
动机的航母舰载机起飞时需支起3块偏流板。

为防止高温燃气烧坏挡板，挡板
还装有供循环冷却水流动的格状水管。

目前美国使用的这种水冷式喷气偏流板，当正在升起时能承受94.4千牛的喷气推力，若完全升起后，能承受400千牛的喷气推力。

该板放下后与飞行甲板齐平，能承受31.572吨重的飞机在中等海况下从上面通过或静止不动地压在板上。

在恶劣情况下，飞机一般不允许压在该
板上。

航母的蒸汽弹射器是一根70米长的钢管。

当然是很多节接起来的。

当它在工作的时候，蒸汽推动活塞在70米的距离上高速运行，把一架40吨质量的重
型舰载机在不到100米的距离上加速到足以升空的250千米每小时的速度，尽
管母舰航行的35节的速度和逆风获得的相速度可以减轻一些蒸汽弹射器的负担，但是毫无疑问，蒸汽弹射器就是一套高速高压长距离的气动活塞系统。

简要叙述一下加工这样一套系统需要哪些技术：高精度的内圆磨床和内孔
磨削技术：在机械加工领域，内孔加工的难度要远远大于外圆加工。

这是常识。

蒸汽弹射器是高压高速系统，汽缸筒不能简单地用一根钢管车削内圆和磨削内圆，汽缸内壁既然承受着剧烈的摩擦和高压，那么，汽缸筒毛坯应当是精密锻件。

然后，内壁表层一定要加工掉，去掉脱碳层。

还可能需要用高速钢丸击打
内壁表面，以强化表层。

材料的冶炼和毛坯的锻造技术目前应当能够掌握。

接着，要对这根钢管进行热处理并且在汽缸内壁进行氮化处理，形成高硬度的保
护层。

我们热处理技术相对落后，这么长的钢管热处理之后的尺寸精度和内部金
相组织都要满足苛刻的技术要求。

估计这是个难点。

我们在这方面缺乏先进技术。

这些设备必定是专用的。

进口像这样关键的专用设备美国一定卡得很紧，
花多少钱都不会卖给我们。

然后要对钢管内壁进行机械加工，先粗车，后精磨，工序一定很多。

尺寸精度要求很严，允许的误差很小。

什么样的机床能高精度
磨削至少7米长的钢管内壁呢?并且这样的尺寸如何检测呢?如果把内壁加工成
类似糖葫芦那样的形状怎么办?钢管两头小中间大或者出现喇叭口形状怎么办?
当然这样的形位误差都是很小的，眼睛是看不出来的。

加工类似于炮筒，但是
不要忘记，高膛压的炮筒寿命不超过10秒钟，蒸汽弹射器可是要长时间工作的。

相对于活塞筒，活塞杆的加工略微简单。

不过两者的配合精度肯定相当高。

现
在假定这样的活塞筒和活塞杆都加工出来了。

安装还是个大问题。

母舰虽然巨大，可还是个柔性结构。

在海上航行，船体结构经受风浪的巨大冲击，不可能
保持刚体。

蒸汽弹射器活塞筒安装在柔性体上，怎样保证活塞筒连接的直线度
保持不变呢?美国佬必然有他们的绝招。

而这都是秘而不宣的看家绝技。

此外还有密封的问题，蒸汽腐蚀的问题，等等。

此外，航母还需要装备高性能的雷达系统和众多电子设备，绝大多数国家
恰恰在资讯产业技术领域处于发展不平衡的状态，像高速巨型电脑这样的关键
设备，世界上只有少数几个国家掌握，而且这种IT行业的"代差"是无法在短时期内消融的。

2006年9月5日，美国海军在华盛顿州的海军基地举行CVN-78航母设计
规格的认证仪式。

由于CVN-78航母是美国下一代航母--CVN-21级的首舰，
CVN-78航母将最早于2014年9月进入美国海军服役。

据报道，兰德公司曾公布一份题为《现代化中的美国航空母舰舰队--加速CVN-21航母的生产》的报告，首次披露了CVN-21的三项全新技术：
1.电磁弹射系统在过去四十年里，美国航母一直沿用蒸汽动力弹射器对舰
载飞机进行弹射助推。

航母弹射系统频繁使用，造成淡水大量损耗和弹射系统
疲劳，影响舰载机起降能力。

现在使用的蒸汽弹射器只能弹射重量不超过七万
磅的飞机，由于弹射动能配置方面的限制，轻型飞机反而更难弹射。

而且不能
够弹射当前美军使用的无人机。

CVN-21级航母上将采用新的飞机弹射技术，这
种技术会让弹射器产生电磁波，电磁波能调节弹射器的长度。

飞机弹射器的往
复轨道上附装一个电枢，通过电枢控制电磁波来调整弹射所必需的动力和速度。

电磁弹射装置与蒸汽弹射器相比，弹射能量更大，效率更高。

可以弹射比现在
更重或者更轻的飞机，无人机也能通过电磁弹射系统起飞执行作战任务。

电磁
飞机弹射系统的研制目标是实现弹射功率达到12.4万千瓦，使飞机端速达到
55~220节，加速度峰值与均值之比为1.05，可用于弹射各种飞机(包括无人机
等轻型飞机)，周期为45秒。

1999年12月20日,美国海军海上系统司令部网站报道，诺斯鲁普"格鲁曼
公司于1999年12月10日签订一项价值61775261美元的成本加奖励的合同，
以便用于电磁飞机弹射系统(EMALS)计划的定义和减少风险阶段。

该阶段计划构成是开发一个全尺度的、缩短长度的全集成的电磁飞机弹射系统的原型，该系
统将代替当前的蒸汽弹射系统用于CVNX航空母舰上。

研究工作在加利福尼亚州的SUNNYVAL完成90%，在新泽西州的贺斯特湖海军航空试验站完成10%，预期
到2003年9月全部完成。

该合同拨款不是在本财政年度结束完成。

该合同进行竞争性采办，以38项建议、7项报价和两项奖励为依据。

美国海军航空作战中心的飞机部作为合同#N68335-00-C-0208的执行者。

另一项合同是同位于加利福尼亚州圣地亚哥的通用原子公司(GeneralAtomics)
签订的，合同价款61775261美元，也是成本加奖励合同。

合同号为#N68335-
00-C-0189。

其它完成日期和运作原则均与前一个合同相同。

美国海军电磁飞机弹射系统计划经过为期4年的计划定义和降风险阶段之后，2004年4月2日，在通用原子公司和诺斯罗普"格鲁曼公司两家企业之间，美国海军空战中心选择了通用原子公司的电磁飞机弹射系统(EMALS)方案。

电磁
飞机弹射系统是为美国海军未来的CVN-21航母而设计的，在新航母上，将用4
具电磁飞机弹射系统代替4具传统的蒸汽弹射装置，用电磁脉冲来将飞机推至
起飞速度。

据称，电磁飞机弹射系统背后的技术和概念在计划定义和降风险阶
段的末期已经得到认可。

全尺寸电磁飞机弹射系统设备，包括储能装置和电力
转换系统，都在雷克胡德海军空战中心建造的半长弹射装置上进行了试验。

蒸
汽弹射装置只能通过简单的阀门来释放蒸汽压力，极不均匀地将飞机快速推至
起飞速度，而电磁飞机弹射系统的能量可以更均匀地以各种方式在弹射过程中
加以控制，减小飞机因此而产生的应力，也缓解了机组人员的紧张程度。

按照
美国海军目前的计划，这种电磁飞机弹射系统正式装舰使用的日期为2014年。

[美国电气与电子工程师(IEEE)学会《SPECTRUM ONLINE网站》2004年11月12
日报道]2004年秋天，美国海军开始测试两套使航空母舰弹射飞机的方式发生
革命性变化的系统。

美国海军的想法是利用直线感应电动机，通过一个先进的
储能系统的能量极高速运动将飞机弹射入空。

电动机的概念类似磁悬浮列车系
统采用的技术。

2004年9月，两个系统的模型交付美海军航空系统司令部在新泽西州的赫
斯勒特湖实验站，在那里，电磁飞机弹射系统(EMALS)正在模拟弹射床上进行试验。

完全是原型系统的功能，但只有半长弹射轨道，与103米长航空母舰上要
求的系统相反，是50米长。

两个竞争的公司是圣地亚哥的通用原子公司和森尼维尔的诺斯罗普船用系统公司，各自竞争成为弹射器的独立合同公司。

获得第
一的要用在未来的CVN-21航空母舰上，这是美海军下一代"全电力和全电子"化舰队的一部分。

即使先进的核动力航空母舰今天还在使用几十年前的老技术--
蒸汽弹射，来加速它们的飞机--典型的有F-14"雄猫"和F/A-18"大黄蜂"，重量达33吨，在2-3秒加速到每小时240千米。

蒸汽弹射器是一个混乱的蒸汽管路、阀和液压系统的迷宫，是属于火车技术的范围。

它的爆发力来自非常大的由蒸
汽驱动的活塞，其弹射机大而笨重，效率很低。

电磁飞机弹射系统具有更好的性能和和弹射控制范围，适合弹射飞机的范
围很广。

它将加速飞机的重量约在4.5~45吨，弹射速度在100~370千米/小时
之间，控制灵敏度灵活，这是蒸汽弹射器不能达到的。

电磁飞机弹射系统的心
脏是103米长的直线感应电动机，它推动与飞机相连接的电枢。

与磁悬浮列车
发展形成对照，磁悬浮列车的运动是漂浮在空气中，而电磁飞机弹射系统是与
滚轮接触，与一个滑架沿弹射器轨道的通道运行。

通用原子公司和诺斯罗普船
用系统公司两家公司的设计中，电枢基本上是一个U形铝块，装在定子的3个
侧面。

电磁飞机弹射系统的直线电机是由旋转储能装置供应电力，该储能装置从
舰艇的配电系统获得电力。

根据美海军电磁飞机弹射系统计划主任里查德"布什威说，初始的电磁飞机弹射系统概念包括飞轮和脉冲盘式发电机，后者避免使
用更传统的发电机转子储存能量系统。

该计划主任又说，能量储存系统是一个
先进的技术成果，但在竞争评估阶段不便于谈论更多的技术细节，以免泄露专
利信息。

由旋转系统的动能变成电能，并由固态电力调节系统向定子提供一个巨大
的2~3秒的电脉冲。

该系统必须每45秒不断地提供这样的电脉冲，以便与当前的蒸汽弹射器的能力匹配。

电力调节系统通过变换器将升高电压和频率的电流输入直线电机。

通过给
马达电磁线圈供电生成一个随电枢运动的运动电磁波。

驱动力来自高功率的可
控硅整流器，它能在高达几千伏的电压作用下产生几万安培的电流。

由定子电
流形成的电磁场加速电枢。

磁场推进的同时，推动电枢和它的支架沿马达的长
度运动，直到被弹射的飞机达到起飞速度为止。

电磁飞机弹射系统具有不断监
视自身的闭路系统，连续调节速度和功率，以便适应每种飞机机型的弹射剖面。

布什维说，电磁飞机弹射器除具有较大控制灵活性之外，其重量和大小只
相当于蒸汽弹射器的一半。

消除了高压、高温蒸汽管路和阀的迷宫将减少值勤
作业和战斗危险。

由于使用电力电子分系统，电磁飞机弹射系统的维修人员将
少30%。

未来电磁飞机弹射系统是模块化的，因此便于维修和改进时不同组件
和分系统的交换。

2.新的推进装置目前，"尼米兹"级航空母舰的核反应堆非常庞大，系统过
于复杂，而且难以为新增的技术装备提供充足的电力。

CVN-21级航母上的新型反应堆产生的辅助电力大约是"尼米兹"级的三倍。

这些充足的动力将满足CVN-21级航母的动力需求，并且支持将一些蒸汽动力的辅助设备转变为电力动力。

新的反应堆系统组件更少但更可靠，所需要的空间
更小。

3.带状电力分配系统
CVN-21级航空母舰的动力分配将依靠一个新的系统--带状电力分配系统。

这种系统不但将电缆减少了六英里，而且还提供了更紧凑的结构体系，把
各种装卸中心集中到一个舰上隔离区域，从而更有效地对全舰进行电力配送。

"尼米兹"级航母作为一个远程打击平台，一直被认为是美国海军的"无价之宝"。

到今天为止，该级航母设计定型已经超过35年了。

首舰"尼米兹"号于
1975年服役。

此后，虽然陆续进行了一些改进，但在舰体、推进装置和电力系
统等方面，都没有改变过。

"尼米兹"当前面临的主要问题，是电力产生能力非常有限，船体的腐蚀老
化程度也在上升，技术装备增多使得航母自重加大，这些都极大地影响了航母
的稳定性。

这些不足使得一些新技术装备在融合到舰体的过程中受到限制。

根据对各方资料的综合评估，CVN-21级航母的首舰"CVN-78"将于2008年
开工，其建造费用预计将超过八十亿美元，远远超过美国海军最新服役的"里根"号航母约45亿美元的建造费用。

兰德公司的专家认为，CVN-78航母将最早于2014年9月进入美国海军服役，以取代美国第一艘核动力航母"企业"号。

诺斯
罗普"格鲁曼公司的CVN21计划副总Mike Shawcross在采访中说，他们为美国
海军设计下一代航母CVN21所拥有的一个重大变革是从岸上看不到的，那就是，它是第一艘完全在虚拟环境中设计的航母。

虚拟模型使人们能够思考如何最好
地装配这艘航母，特别是系统区域，例如，在哪里放置管道，如何在上层甲板
安装之前建造下层甲板等等。

美国《每日防务》2006年3月20日报道，Shawcross将产品模型和计算机辅助虚拟环境(CAVE)比喻成全息摄影机，可以在房间里利用CAVE，将图像投影
在所有的墙面、地板和天花板上，创造一个虚拟环境。

在纽波特纽斯船厂，设
计者利用一种系统将三维图像投影在屏幕上，Shawcross说，图像非常逼真，
人可以穿过某处，伸手"摸"到阀门。

这种设计方法还有助于建造者理解人类工
程学。

Shawcross认为，计算机辅助设计工具证明能够节省费用，例如，法国达
索公司和IBM公司共同提供的CATIA帮助设计者事先发现了设计中的所有问题
和错误，这当然会节省费用。

他说："这在好多方面都很有用，零部件的加工精度将更高，我们已经在'海狼'和'弗吉尼亚'级潜艇上看到了这样的效果，它还
能使我们更好的进行规划，能够提供加工数据，例如下达给弯管机的弯曲指令
或者下达给钢板切割机的指令。

"他说美国海军下一代航母CVN21拥有新的特点，设计上进行了变化，将用更少的人员编制更加高效地运行。

当CVN21于2015年后期服役时，它将配备电磁飞机弹射系统、全新配置且向航母尾部挪动了的"岛"式上层建筑、三部飞机升降机、改进的武器处理系统，航母上的床位将少于4600张。

[美国《每日防务》2006年3月23日报道]由于采用电力并精简人员配置，美国海军下一代航母CVN-21将引导未来航母在运行和生活环境上发生变化。

CVN-21并不是一个全电力航母，其动力系统仍然是蒸汽推进。

最初曾考虑
让CVN-21采用全电力推进，但最后证明全电力推进并不适合CVN-21。

CVN-21
计划的副主任说："我们在'尼米兹'级航母上使用4161伏的(配电)系统，CVN-
21将使用13800伏的配电系统，电压的升高是因为CVN-21将拥有2.5倍于'尼
米兹'级的发电能力。

为了更有效地传输电力，我们想采用更高的电压。

"
CVN-21也称CVN-78，它的任务与其它型号的航母一样，那就是供飞机起飞和降落。

CVN-21将是第一艘配备电磁弹射系统(EMLS)的航母。

四个电磁弹射系
统均靠电力驱动，其所需的电力来源于动力反应堆产生的热能。

它们能在300
英尺的距离内把飞机的速度提高到160节，而需要的维护更少，弹射时作用于
飞机的冲击应力小，并更适合弹射无人机。

电磁弹射的技术是今后美国海军航
母飞机起降的发展方向，这种技术仍在发展中。

除了电诺浼际跬猓珻 VN-21还
将采用先进阻拦装置。

美国海军航空系统司令部正考虑为CVN-21配备新的舰载机。

除了波音公司生产的F/A-18E/F和EA-18G，CVN-21还将搭载洛克希德.马丁公司(LMT)生产的
F-35联合攻击机(JSF)。

CVN-21还能够起降贝尔特克斯特朗直升机公司(TXT)的
V-22"鱼鹰"倾转旋翼飞机。

CVN-21将装备"尼米兹"级所装备的很多自卫武器，目前美国航母上的所有3种防空系统都将装备到CVN-21上，近程武器系统的使命有所变化，主要用于防御给航母造成威胁的小艇，其它的自卫系统还包括用于防御反舰导弹的滚体导弹以及"改进型海麻雀"导弹。

CVN-21还装备了在"尼米兹"级配备的.50英寸口径机枪。

另外，CVN-21是第一艘能够通过高线一次补给12000磅弹药的航母，CVN-21的这一特点将大大减少补给所需要的时间。

发生在CVN-21的另外一个变化是重新设计了舰员铺位，CVN-21上的住舱较小，但是每个住舱都有卫生间。

典型的CVN-21舰员舱住69人，而"尼米兹"级的舰员住舱住207人，因此，CVN-21上的住舱空间更小，也更私人化。

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