爆轰推进方式在舰载机弹射装置中的应用初探

引言

周恩来总理曾经在1973年会见外宾时感叹看不到中国拥有自己的航空母舰而不甘心。2012年,中国终于有了第一艘自己的航母"辽宁号"。航空母舰是以舰载机为主要武器的大型水面战斗舰,其中舰载机的起飞弹射器尤为重要。

1现有弹射方式存在的局限

自20世纪20年代以来,各种类型的弹射器相继出现,有火箭式、压缩空气式、内燃式、液压式、电磁式、蒸汽式等。弹射器的起飞系统主要由弹射推车和导轨、弹射汽缸、水刹器和推进活塞等组成,如图1所示。

然而,除蒸汽弹射器和电磁弹射器外,其他类型的弹射器因其安全性或弹射能量限制了舰载飞机的发展和使用而逐渐被淘汰。目前最成熟的舰载机弹射器是蒸汽弹射器,已经被美国买断专利并经过多次实战,技术发展成熟,但是也有很多缺点。根据已公布的数据显示,目前正在服役的航母蒸汽弹射器重量接近500t,每次使用要消耗700kg蒸汽,弹射的最大输出能量可以达到95MJ,最短工作周期为45s,功率浪费严重,可以被利用的蒸汽大约只有6%。为了制造和运输蒸汽,航空母舰需要配备大型锅炉、海水淡化装置和大量管道,每次使用和维护需要300人,因此蒸汽弹射系统的效率很低。此外,蒸汽弹射器由于其能量过大而不能发射无人机,在航母上的使用受到限制。

电磁弹射器的用途要比蒸汽弹射器的用途更广,从小型的靶机到大型的战斗机都可以发射,且只有蒸汽弹射器一半的重量和体积,操作时需要的人员更少,但是有致命缺点,即存在电磁干扰和安全性等问题。最近有报道称:美国总统特朗普指责电磁弹射器用掉过多军费,且技术进展缓慢,认为没有发展潜力,要求美国航母全部使用更加稳定且技术更加成熟的蒸汽弹射器,因为电磁弹射器最早的设计指标是"每弹射4100次允许出现一次故障",但目前就海试期间搜集的数据显示,"福特"号上的电磁弹射器平均每弹射400次就会出一次故障,远远没有达到预期效果。电磁弹射器并没有从根本上消除弹射器起飞方式的4个固有缺陷,如弹射器仍需在航空母舰上占据巨大的空间资源:弹射器仍然需要在航母上进行保障和维护,并为此配备很多人员:弹射器所消耗的巨大能量仍需由航空母舰的动力系统提供。最主要的是,需要长期投入大量的资源用于弹射器的研制和生产,技术风险非常高,阻碍了航母的进一步发展。

2爆轰推进方式在弹射装置中的应用

爆轰发动机是一种基于爆震燃烧的新概念发动机,它主要由进气道、爆轰室、尾喷管、爆轰激励器、燃油供给和喷射系统以及控制系统组成,一般应用于导弹、战斗机、靶机等动力装置,具有结构简单、成本低、热循环效率高、维护方便等特点,被许多科学家称为梦幻动力。连续旋转爆轰发动机的优点主要有:(1）爆轰波传播方向与爆轰发动机的进气方向、排气方向均独立,会被封闭在燃烧室内,避免了爆轰波喷出管外而造成的巨大能量损失,提高了工作效率。(2）由于爆轰波的自压缩性和自维持性,可燃混合物由爆轰波增压到一定压强,可在较低的增压比下产生更大的有效功。最主要的是,爆轰波旋转和传播只需要一个初始爆轰就可以连续下去。综上所述,热循环效率高和维护简单就已经解决了目前蒸汽弹射器和电磁弹射器所面临的问题。

用爆轰发动机代替蒸汽弹射器的蒸汽汽缸,创造出爆轰弹射器,结构方面可以借鉴已经被淘汰很久的内燃弹射器。在20世纪50年代,内燃弹射器因为技术不成熟、成本巨大、维护较为复杂、消耗燃油、汽缸加工困难、汽缸组占据空间大等问题而被淘汰。但是爆轰弹射可以把燃油动力系统换成爆轰发动机,解决当时内燃弹射器存在的问题。

爆轰发动机是在燃烧室内直接利用爆震燃烧产生的爆震波来压缩气体产生动力,燃烧室内的燃料可以是铝粉、汽油、煤油、乙炔等。爆震发动机一般分为脉冲爆震发动机和连续旋转爆震发动机。弹射器可以考虑采用连续旋转爆震发动机,只需一次点火即可连续工作,因此不会中断爆震过程。不同于冲压发动机的体燃烧,连续旋转爆轰发动机是面燃烧,在燃烧室中成燃燃热释放。此外,动态传播方向是与流向垂直的圆周运动,增加了燃燃的稳定性,且鉴于爆轰的特殊性,发动机性能显著提高。

蒸汽弹射器最主要的缺点是总重量过重、结构复杂和效率过低,但连续旋转爆轰发动机则可以弥补这些缺陷。通过具体的实验测量可知,-不安装尾喷管的情况下使用煤油/氧气时,连续旋转爆轰发动机比冲可达到190～200s。波兰华沙工业大学的wolanski教授课题组-不同氧化剂、不同燃燃烧尺寸、不同在料、不同入流总压和不同背压条件下对连续旋转爆轰发动机展开了实验研究,得到了长时间稳定传播的连续旋转爆轰。-实验的推力性能测量室,他们-内直径140mm、外直径150mm的火箭式甲烷/氧连续爆轰发动机燃烧烧内获得了平均250～300N的推力,换算为单位面积推力达1.1×105～1.3×105N/m2。这些实验结果都进一步证明了连续旋转爆轰发动机可以-舰载机弹射装置室使用。

3结语

连续旋转爆轰发动机结构简单、热效率高、节省能源、成本低廉,但也存-一些问题,如安装问题,被具体安装-弹射系统的哪个部位有待研究:工作时的冷却问题,因为爆轰发动机能量很大,每次使用时会产生高温,需要有一个很好的散热方案:震动噪声问题,爆轰发动机依靠爆震波产生能量,会发出巨大的震动和噪声,需要一个减震和除噪装置:起爆时的控制和后续动力的保持问题等,这些问题都需要科研人员继续深入研究加以解决。爆轰发动机之前一直被应用于航空航天领域,-舰载机弹射器上的应用是一个全新尝试,虽然目前还存-许多问题,但相信随着科技的发展,这些问题都可以被解决,我国的军事力量会越来越强大。