蒸汽彈射器是一種現(xiàn)代航空母艦中唯一使用的飛機彈射器。它的發(fā)明主要是為了應(yīng)對噴氣式飛機的出現(xiàn)，艦載機重量大幅提升，自力起飛和原先的彈射器設(shè)備已不足以應(yīng)付其需求。1951年，英國柯林·米切爾中校提出了將航母蒸氣輪機的蒸氣連動到彈射器上的想法，并成功發(fā)明了航母用的蒸汽彈射器。蒸汽彈射器的工作原理是利用蒸汽的高壓力將飛機從航母上彈射起飛，使得艦載機可以在短距離內(nèi)獲得足夠的速度和升力，從而實現(xiàn)起飛。蒸汽彈射器的發(fā)明極大地提高了艦載機的起飛效率和安全性，成為現(xiàn)代航母上不可或缺的重要設(shè)備。
發(fā)明過程
彈射器主要有三種：液壓彈射器、蒸汽彈射器和內(nèi)燃彈射器。世界上最早的彈射器是由美國西奧多· 埃利森海軍上尉于1911年研制成功的。這種原始的彈射器由三條繩索和一塊法碼組成，但這種彈射器太原始，幾乎沒起到什么作用。后來，埃利森又對這種原始的彈射器進行改進，研制成功壓縮空氣式彈射器，于1912年11月12日進行了人類史上第一次彈射起飛。
不過，埃利森的發(fā)明并沒有引起人們的注意。因為當(dāng)時的艦載機重量輕、速度低，不需要彈射也可從航空母艦的飛行甲板上起飛。直至噴氣式飛機誕生后，彈射器才變得日漸重要起來。而第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，航空母艦上所裝備的彈射器都是液壓的，彈射能量極小，根本無法滿足噴氣式飛機的需要。1951年，英國海軍航空兵后備隊司令米切爾率先提出研制蒸汽彈射器的設(shè)想，并于當(dāng)年研制成功裝備在海軍“莫仙座”號航空母艦上。后來，美國人又于1960年研制成功了內(nèi)燃彈射器，并將這種彈射器安裝在“企業(yè)”號核動力航空母艦上。不過，這種內(nèi)燃式彈射器至今仍不能令人滿意，所以“企業(yè)”號上除了裝備內(nèi)燃彈射器之外，還裝備有蒸汽彈射器。
用途原理
重型飛機要想從航空母艦上起飛，必須有蒸汽彈射器。在飛機起飛前，由位持器鋼圈把尾部扣在一個堅固點上，飛機前輪附近的牽引桿垂落到一個“滑梭”內(nèi)，滑梭以掛鉤鉤住飛機。滑梭是蒸汽彈射器唯一露在飛行甲板上的零件。飛機前面的甲板下，有兩個平行圓筒，每個至少長45米，筒中的活塞與所有滑梭相連。蒸汽由 母艦上的鍋爐輸出，增壓后輸入滑梭。
飛機起飛時開足馬力，但被位持器扣住。蒸汽彈射器一啟動，飛機引擎的動力加上蒸汽壓力，使鋼圈斷開，飛機前沖，在45米距離內(nèi)達到時速250千米/小時。飛機彈射起飛脫離滑梭后，活塞前端的注管就落入水池，在幾米的距離內(nèi)停頓，滑梭移回原位，推動另一架飛機起飛。母艦上每個蒸汽彈射器每分鐘可推動兩架飛機起飛。
通常常規(guī)動力航母最多裝設(shè)4個蒸汽彈射器。據(jù)已公開資料顯示，在役蒸汽彈射器總重量接近500噸，每次彈射最大輸出能量可達到95兆焦耳，最短工作周期為45秒，平均每次耗用近700公斤蒸汽。
蒸汽彈射器是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了彈射器本身的設(shè)備，還有海水淡化設(shè)備、貯水池、高壓水泵、鍋爐、加熱裝置等諸多附屬設(shè)施。
彈射方式
蒸汽彈射有兩種彈射方式，一種是前輪彈射，由美國海軍于1964年試驗成功，彈射時由滑塊直接拉著飛機前輪起飛。這樣不用8~10人來為飛機掛拖索和減拖索了，彈射時間減短，飛機安全性好。美國現(xiàn)役航母都采用這種方式。只有美國具備生產(chǎn)這種蒸氣彈射器的成熟技術(shù)。
另一種是拖索式彈射，顧名思義，就是用鋼質(zhì)拖索牽引飛機加速起飛，這種彈射方式比較老，各方面都不如前者好，只有巴西的圣保羅號航空母艦（原法國“福煦”號航母）使用。
工作原理
蒸汽彈射器基本工作過程
概念上蒸汽彈射器只是一個大型蒸汽汽缸和一個蒸汽控制系統(tǒng)。將高壓蒸汽能量轉(zhuǎn)化為動能進行彈射。然而由于飛機結(jié)構(gòu)強度上的限制，彈射器不但要有足夠的輸出功率，而且要把輸出功率準確控制在飛機可以接受的程度以內(nèi)。
彈射的時候，蓄壓罐內(nèi)的蒸汽由彈射閥門釋放到彈射汽缸內(nèi)，缸內(nèi)壓力上升推動活塞前進。彈射閥門的另外一個更重要的作用是精確控制蒸汽進入彈射汽缸的流量變化，以此控制推力和彈射的加速度，以保證飛機結(jié)構(gòu)不會超負荷。飛機升空后，蒸汽排放閥打開，讓汽缸內(nèi)蒸汽排出。同時，活塞和飛機牽引器被水剎器減速后停下，然后由歸位系統(tǒng)拉回起跑點。
蒸汽彈射器的主要結(jié)構(gòu)
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看，一臺蒸汽動力彈射器按功能可以分成7個主要系統(tǒng)。
1、起飛系統(tǒng)
2、蒸汽系統(tǒng)
3、歸位系統(tǒng)
4、液壓系統(tǒng)
5、預(yù)力系統(tǒng)
6、潤滑系統(tǒng)
7、控制系統(tǒng)
（注：蒸汽鍋爐和回收蒸汽裝置在結(jié)構(gòu)上屬于船的動力系統(tǒng)，不屬于彈射器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。）
起飛系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生動力和驅(qū)動飛機，這個系統(tǒng)由7個部分組成：
·彈射槽蓋/甲板軌道·動力彈射汽缸·汽缸縫蓋和密封條·飛機牽引器·推進活塞·速度感應(yīng)器·水剎器
推進活塞在進行防銹處理
蒸汽系統(tǒng)的功能是儲存蒸汽，而且控制蒸汽在各管道和汽缸內(nèi)的排入，流動和排放。這個系統(tǒng)主要有6個部分組成：
·蒸汽蓄壓器/儲氣罐·蒸汽注入閥門·彈射閥門·排放閥門·減壓病曲管·蒸汽管道
歸位系統(tǒng)的作用，是為彈射活塞和牽引器歸位提供動力和驅(qū)動。主要的部分有：
·液壓發(fā)動機滑輪鋼纜系統(tǒng)·歸位牽引器
歸位液壓驅(qū)動器
蒸汽彈射器的液壓系統(tǒng)的功能主要是提供控制動力。主要的部件有
·液壓泵 ·排放泵 ·液壓泵·液壓管道和閥門 ·蓄壓器
預(yù)力系留系統(tǒng)位于飛行甲板的起跑點。進行起跑之前，將飛機固定在彈射滑動器上，并且對施加預(yù)應(yīng)力，以避免突然加速受力造成結(jié)構(gòu)過載。這個系統(tǒng)的主要部件有
·張力瓶和活塞 ·電控氣壓閥
潤滑系統(tǒng)分布在整個彈射器結(jié)構(gòu)上，主要部分有
·潤滑油缸 ·潤滑油泵 ·電控油閥·流量感應(yīng)器 ·潤滑器
控制系統(tǒng)是包括所有控制彈射器的運行的部件。主要組成部分為：
·主控制臺·甲板控制臺·飛行控制板·鍋爐狀態(tài)顯示板
彈射器的動力結(jié)構(gòu)
開縫汽缸和活塞直接驅(qū)動裝置是米切爾式蒸汽彈射器的一個比較獨特的結(jié)構(gòu)。通過一些公開的圖片，我們可以看到它們的基本結(jié)構(gòu)。
C-13彈射器的彈射氣缸
彈射氣缸是彈射器最大的一個部件，整個氣缸是分段制造，最后連接而成的。每段氣缸長約4米，接口處有密封槽，整個汽缸是通過底座固定在彈射器槽的氣缸軌上而連成一體。這種多截連接氣缸結(jié)構(gòu)有利于降低生產(chǎn)，運輸和維修的成本，而且可以更靈活地應(yīng)付整體上的熱變形。
汽缸縫蓋和密封條的最重要作用是在氣缸縫外形成密封，另外，密封條和汽缸縫蓋在氣缸縫的外部形成一個完整的鉤型結(jié)構(gòu)，可以夾住汽缸縫以防氣缸內(nèi)部壓力增大的時汽缸縫擴大。
彈射活塞整體上可以分成3部分，第一部分是氣密活塞和活塞環(huán)，第二部分是密封條開閉裝置，第三部分是水剎錐。在活塞前進的時候，活塞同時將密封條推入汽缸蓋和氣缸縫的縫隙中完成密封。當(dāng)活塞到達氣缸末端的時候，水剎錐撞入水剎器后開始減速，最后令活塞停下。
彈射過程的動力控制結(jié)構(gòu)
飛機彈射時加速度要控制在可承受的負荷范圍內(nèi)，這是通過控制蒸汽注入彈射氣缸的流量和流量的變化來實現(xiàn)的。彈射控制閥在這里起到最關(guān)鍵的作用。這個閥門的開關(guān)速度和幅度的精確度會直接影響到彈射加速度的可控性。整個彈射過程對加速度的控制，最后是通過改變閥門的開關(guān)時間和幅度還完成的。在操作上，彈射閥門的控制需要通過一條既定的閥門調(diào)節(jié)曲線來進行。
不同飛機和不同裝備的配搭，都會有不同的彈射重量。要保證足夠的彈射速度和正確的加速度，彈射的時候要根據(jù)不同的重量制定相應(yīng)的閥門調(diào)節(jié)曲線。測定這些曲線的方法，是用一種被稱為空負荷（Deadload）的滑車模仿飛機的起飛重量，在彈射器上反復(fù)彈射測定加速度而獲得彈射閥門的控制數(shù)據(jù)。
隨著飛機的裝備多樣化，飛機和不同裝備的總重量出現(xiàn)更多差異，這就需要進行更多的彈射試驗。可是，如果在航母上進行試驗，滑車落水后要花不少人力進行回收，所以這項試驗大部分都在裝配了彈射器的機場上進行。法國戴高樂號航空母艦裝備的是美國C-13彈射器，法國要將飛機送到美國的海軍測試基地進行試驗才最后獲得了這些控制數(shù)據(jù)。
蒸汽彈射器的現(xiàn)況
蒸汽彈射器這種技術(shù)已經(jīng)在航母上使用了50年，也是唯一經(jīng)過實戰(zhàn)證明的技術(shù)。然而，美海軍在艦艇設(shè)備全面電氣化的大趨勢下，航母將采用電作為推進的主動力。所有動力設(shè)備也將電氣化。所以在80年代末，就開始了對電磁彈射器技術(shù)的開發(fā)，并在費城東部的試驗基地裝備了電磁彈射器進行試驗。在2003年向國會提交的報告中說到，電磁彈射器(EMAL)證實有以下的優(yōu)點：
1、電氣結(jié)構(gòu)，技術(shù)上容易與其他甲板上作戰(zhàn)系統(tǒng)兼容。
2、操作和維修人員編制簡化，而且與其它作戰(zhàn)系統(tǒng)人員兼容。
3、彈射功率提高，有利于裝備大型作戰(zhàn)飛機。
4。可控性和可靠性高，簡化測試。
5、結(jié)構(gòu)簡化，操作復(fù)雜度減低。
此外，降落攔截索系統(tǒng)同樣也將電氣化。這個項目由通用原子公司(GeneralAtomic)承包。
不過，蒸汽彈射器在功能上還是能滿足作戰(zhàn)的需要，而且在運作技術(shù)上相當(dāng)成熟。2003年美海軍在公開的財政預(yù)算書里還提到了一項改良蒸汽彈射器設(shè)施的項目，報告里向國會提出要求撥款提升蒸汽彈射器的試驗設(shè)施的方案，并且提到提升設(shè)備的目的以滿足蒸汽彈射器服役至2050年的需求。截至2025年，中國航母已采用電磁彈射方式，福建艦為典型代表。
參考資料 >
[科普中國]-蒸汽彈射器.科普中國.2024-03-13
航母蒸汽彈射有多難?誕生比航母還早，能造的國家屈指可數(shù).澎湃新聞.2024-03-13