
二、起降系统
由于舰艇甲板长度有限,所以舰载飞机需要借助母舰上的弹射器或是采用滑跃、垂直起降等方式起飞。弹射起飞就是利用弹射装置,对舰载机施加外力,使其加速离舰升空。飞行员在得到起飞许可后要加足马力,在得到起飞信号的同时放开刹车,起飞装置启动,将飞机弹出跑道,整个过程约需1.5秒。起飞时,飞机在自身发动机推力和弹射力联合作用下,只要滑跑几十米就能飞离甲板。这项起飞技术具有弹射能量大、加速性好、能在几十米距离内把舰载机的速度由零加速到离舰速度的特点。以往航空母舰使用的是蒸汽弹射器,但这种弹射装置有很多缺陷,如弹射器占据舰艇空间大、建造技术难度大、战时受损难以修复,使用时需要自制大量淡水。与滑跃起飞相比,弹射起飞的舰载机出动架次率最少超出三分之一以上,舰载机载油载弹量将大幅度提升,这就意味着作战效能可以最大限度的实现。
舰载机从空中高速运动状态降落到甲板上静止为零,在舰艇有限的长度内没有特殊装置是无法做到的。这个降落过程必须借助拦阻系统来完成,现代航母普遍使用的是液压式阻拦系统,它由制动器械、液压缓冲系统以及冷却系统组成。其中,制动器械包括:产生制动力的阻拦机构、保持制动缸压力的控制阀、保证阻拦飞机后能够迅速回位的蓄压器;液压缓冲系统,主要用于降低制动初始瞬间的过载,延长系统寿命;冷却系统,则用来冷却舰载机在阻拦过程中由巨大动能转换成的热能。当舰载机尾钩挂上阻拦索后,阻拦索一边通过滑轮阻尼器减缓飞机速度,一边不断把动能传递到压缩空气罐。此时,隐藏在甲板以下的整个阻拦系统同时工作,将冲击带来的巨大动能转化为液压油的热能和压缩空气的势能,使得飞机受到缓冲并实现制动。
福特级航母在起降系统上实现了革命性的飞跃,首次装备了电磁弹射系统(EMALS)和先进拦阻系统(AAG)。电磁弹射器主要由储能系统、电力电子变换系统、弹射直线电机和控制系统4部分组成,其中弹射直线电机是核心,其工作原理是载流导线在磁场中受力,利用磁通量巨大的瞬间变化而产生的感应电磁斥力将飞机弹射升空。与现在航母装备的蒸汽弹射装置相比,电磁弹射器的优势是:
体积小,易于布置。相比蒸汽弹射器庞大、复杂的系统,电磁弹射器的构成则简单得多,体积可望比蒸汽弹射器减少一半。现用蒸汽弹射器的体积约1132.8立方米,电磁弹射器的体积则可能小于425立方米。这种较为简洁、轻便的系统在航母上布置更加灵活,不仅在布置位置上没有限制,而且便于优化航母设计,有效利用舰上空间。
可靠性好、便于维护、能量使用效率高。蒸汽弹射器工作时,机械磨损相对严重,需要经常检修。而电磁弹射器用直线电机对舰载机加速,结构简单,其电力电子变换系统、控制系统都在民用成熟技术基础上发展而来,具有很高的可靠性。蒸汽弹射器的平均无临界故障间隔为405个周期,而电磁弹射器的目标间隔达到1300个周期。
电磁弹射器不仅结构简单,而且装备有自动监控检测设备,提供故障和维护信息,对操控和维修保养人员的需求量大大减少(比蒸汽弹射器减少30%左右),将降低20%的全寿期费用。
在能量利用方面,蒸汽弹射器一次弹射作业通常要消耗614千克蒸汽,每次弹射结束都要排出大量蒸汽,浪费大量能量,其效率一般在4%-6%之间。电磁弹射器的效率可达到60%甚至更高,弹射作业时对能量的需求大为降低。
能量幅度宽,易于控制和调节,可弹射舰载机的范围广。蒸汽弹射器的弹射能力能够满足现役固定翼飞机的弹射需要,但限制了未来舰载机的起飞性能,同时缺乏精确的控制能力,无法满足轻型飞机特别是无人机的低能量弹射需求。而电磁弹射器能弹射更重和起飞速度更高的飞机升空,并可通过调节电流等措施,对弹射力进行大幅度调节,满足轻型舰载机(如较轻的无人机)的弹射需要。
弹射性能稳定,对舰载机的作用力均衡,延长舰载机使用寿命。现役蒸汽弹射器由于缺乏反馈/闭环控制系统,对舰载机机身的作用力极不均衡。电磁弹射器在整个弹射过程中可在几百微秒内不断修正推力偏差,对舰载机的作用力均衡,可延长舰载机使用寿命。