蒸汽动力 从飞机到航母上的弹射器(2)
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史料记载，公元前400年左右，享有“世界机械工业之父”美誉的古希腊数学家和哲学家阿契塔斯(公元前400～前350年)曾仿照飞鸟设计和制造出了一款以压缩蒸汽为动力的飞行器，能够飞行数百米之遥。
最近，根据蒸汽飞机的原理，笔者的研究团队对阿契塔斯的蒸汽动力飞机进行了复原。团队首先使用大型CAD软件对这款古希腊蒸汽飞机进行了三维建模。在该古希腊飞机的CAD模型中，主机翼采用椭圆形状平直翼，选上下对称翼型。机身为流线型，内部中空，尾部设计有尾喷口。水平尾翼为后掠翼，后掠角为45°。该飞机的蒸汽动力端为一空心球，内部加装自来水，空心球下方有三个外撇的支撑杆。飞机尾喷口通过一蒸汽阀与蒸汽动力空心球衔接，发射姿态角约为45°。
三维CAD建模工作完成后，团队将其转存为3D打印机通用的STL文件格式，以便通过3D打印机对整个古希腊蒸汽飞机系统进行3D打印。本次古希腊蒸汽飞机的3D打印模型总高为10厘米，长12厘米，宽8厘米，为一个1：10的塑料实体模型。打印材料为PLA聚乳酸塑料。
之后，团队使用前期复原的1900年莱特兄弟的风洞测试了该款古希腊飞机的气动性能。风洞试验所使用的最大风速约为8米/秒，数据由高精度风速仪获得；吹风的飞机为1：3缩比轻木板模型。风洞测试飞机升力、阻力特性。
有了蒸汽飞机的升力、阻力数据，假设出蒸汽动力端的蒸汽初始压强，再结合飞机的重心、重量等数据，便可预测和仿真古希腊飞机的运动特性。
紧接着，研究团队对该飞机的内部结构、蒸汽发射端、外形、飞机与发射端接口等一一进行精心设计，并制作出了一架1：1的古希腊蒸汽飞机。
复原后的古希腊蒸汽飞机翼展为0.6米，机体由PE泡沫板切削胶结制成，总重量1.3千克，内部设有2.5升的蒸汽内腔；一对主机翼和一对后掠尾翼为实心泡沫。该飞机尾部通过一个蒸汽控制阀门与蒸汽动力端相连接。蒸汽动力端由一个直径约为0.4米的不锈钢蒸汽加热空心球和三个支架组成。空心球体积约为33升，壁厚1毫米，底部通过大功率电磁炉进行加热，可产生约2.5个大气压力提供给蒸汽飞机作为动力。
经过抛投，多轮“失败、改进、再失败、再改进”后，古希腊蒸汽飞机终于一飞冲天，发射成功。
航母舰载机的蒸汽弹射
因为效率与重量等原因，蒸汽作为飞机动力已无用武之地；但是，作为航母上舰载机的一种重要短距离起飞方式，蒸汽弹射仍是一项重要技术。
蒸汽弹射器是航母舰载机的起飞装置，可用于舰载机蒸汽弹射起飞，它使用水平甲板作为飞机跑道。起飞时一般通过核动力装置产生的热能得到蒸汽，之后，蒸汽驱动弹射装置带动飞机在数秒钟内达到起飞速度。蒸汽弹射器是一个极其复杂的系统工程，需要克服诸多重大技术难题，以至于我国的“辽宁”号和正在建造中的新航母均未敢贸然使用。
蒸汽弹射有两种弹射方式：一种是前轮弹射，由美国于20世纪60年代试验成功，弹射时由滑块直接拉动飞机前轮起飞。这种弹射方式具有弹射时间短、飞机安全性好等优点，美国现役的大多数航母都采用这种方式，现在也只有美国具备生产这种蒸汽弹射器的成熟技术。另一种是拖索式弹射，顾名思义，就是用钢质拖索牵引飞机加速起飞。这种弹射方式比较老旧，目前只有巴西的“圣保罗”号航母还在使用。
目前，我国正在建造中的新航母延续了此前“辽宁”号的滑跃起飞加拦阻着舰方式。这意味着，我国航母加装蒸汽弹射器的时机尚不成熟。
诚然，蒸汽弹射器的原理很简单，构造上也并不复杂；但在平淡无奇的背后，设计上是高难度和高度保密的，特别在制造上对冶金、加工和装配等工业系统的整体水平要求极为严苛。譬如说，蒸汽弹射器的核心——两条平行排列的开缝气缸，在承受将舰载机弹射出去的巨大蒸汽压力的同时，还要在气缸上有狭长的开缝。那么，开缝密封条的密封性就是一个技术难题。
另外，由于蒸汽弹射器的部件与其他产品的通用性不高，乃至气缸、活塞、蓄压罐，密封条、种类繁多的阀门等的制造材料都或多或少需要专门研制；加之目前除美国外，其他国家都没有批量生产蒸汽弹射器的需求；在这些因素的影响下，随之而来的問题就是弹射器的生产成本居高不下。
当前，我国的工业化水平不断提升，在高强度材料、高精度加工领域不断突破，蒸汽弹射器对于我国而言已不再是不可逾越的技术难题。应该说，国产蒸汽弹射器早已获得技术突破，并已趋于成熟。正在建造中的国产新航母之所以未能配备蒸汽弹射器，其实不在于技术，而是基于航母这一庞大的水面舰艇系统的技术成熟度和建造成本等方面的因素。
不过，令人欣慰的是，种种迹象表明，舰载机的蒸汽弹射器将在我国第三艘国产航母上列装。此消息是否属实，让我们拭目以待。
【责任编辑】赵 菲 (沈玉清 沈海军)