弹射飞机如炒菜？美国蒸汽弹射器这位“厨子”还得继续炒多少年？
01
核心专利让美国蒸汽弹射器自带“锅气”
上周早读我们提到，在莫德斯托·扎哈尔琴科这位乌克兰（苏联）移民正式成为美国公民的1953年，英国人科林·坎贝尔·米切尔在美国提交了若干技术专利。
这些专利中，尤为核心的一个就是关于蒸汽弹射器C型开缝汽缸顶部的密封结构设计。
在蒸汽弹射器上花费的心血与巧思，让米切尔奠定了在英国的工程大家地位。英国皇家工程学院设立了以其名字命名的奖项，颁发给在过去4年中对英国工程领域发展做出杰出贡献的工程师或工程师团队。
而米切尔在密封结构设计方面的巧思也被美国的蒸汽弹射器所继承。C型开缝汽缸上有汽缸盖板，它是长条状的，截面呈J字型的弯钩状盖板，一端铰接在汽缸开槽—侧的边条并嵌住开槽凸缘，另一端则是钩住在汽缸开槽另一侧的凸缘，同时也压住密封条。
密封条是一根细长、扁平的矩形金属带，两端分别固定在汽缸的前后两端，通过张紧机构拉直，正好堵在汽缸开槽两端的凸缘之间。
这是两份于1953年在美国注册的专利。图示中编号为7的即为倾斜布置的柔性密封条，9为活塞柄，12向外连接的就是弹射滑块。美国蒸汽弹射器后续的发展也没有脱离这一核心技术框架。
在汽缸内的活塞运动过程中，这个柔性密封条会被支起顶开，在活塞（也可以说是弹射滑块）离开之后，密封条又回到原本的位置。这样活塞柄连接的弹射滑块在沿着汽缸开槽移动的同时，又不会造成太多的蒸汽泄漏，保证了汽缸的整体密封性。因此，蒸汽弹射器的每次弹射作业前后，都会有热腾腾的蒸汽溢出。这样的场面，在中文网络里被形象地称之为“锅气”。
汽缸盖板与密封条的工作原理示意图。左为密封状态，右为活塞运动过程中，密封条被顶开时的状态。数字标识分别代表：1，汽缸盖板；2，密封条；3，汽缸；4，活塞柄。
维修状态下，部分汽缸盖板已经移除。在红框内的弹射滑块即C型开缝气缸内的活塞经过处，金属密封条（箭头所指两处）已经被顶开，而画面近处的其余金属条是呈贴合密封的状态。这样的设计保证了C型开缝汽缸的整体密封性。
图为2024年10月，美国诺福克海军造船厂内的CVN-77“布什”号航母上，舰员正在协力将弹射器气缸重新安装回沟槽内。汽缸的开缝特征很明显，即便有巧妙的密封结构设计，也依然会有一定的漏气率。
时至今日，由于美海军未实现电磁弹射五代机，这种“锅气”依旧萦绕在F-35C的周围。
02
不仅有“锅气”，用起来还需要“热锅”
在中国的美食文化中，说一道菜有锅气，无疑是很大的加分项。
如果将航母弹射舰载机视为做菜的话，那么，蒸汽弹射器就可以说是“厨师”手中成就美食的炊具“铁锅”——只不过这具铁锅重达几百吨。与铁锅炒菜类似的地方还有，蒸汽弹射器要进行弹射作业也需要先“热锅”，即在开始弹射工作前首先对气缸进行预热。美国航母上负责这项工作的“厨师”是舰上的最大部门航空部门的V-2分队。
要用好蒸汽弹射器这个“铁锅”，在“炒菜”时少不了宽油。上图为是给弹射滑块加注润滑油，下图可以看出，维护检修人员的衣服手上到处都是油污。
蒸汽弹射器的汽缸，两侧和中部安装有加热用的鳍片管，它能使C型开缝汽缸的整体温度与蓄压罐内的高压蒸汽持平，以避免温度差异导致的非均匀热膨胀，降低汽缸的活塞与汽缸壁间的相互磨损。
同时，热膨胀会使汽缸延伸至适当的运行长度，比如在美国海军相关人员操作手册上就写明了，这两个汽缸之间长度要相差不超过1英寸（2.54厘米），以满足弹射器正常作业要求。以及，这样的“热锅”过程同样不能急躁、不能太赶时间，否则气缸升温速度过快，会因热应力对汽缸结构造成损伤。
美国航母飞行甲板上，蒸汽升腾好似舞台。
当带着锅气的热菜出锅端上桌后，厨师自然少不了刷锅、擦灶台等工作。美国航母蒸汽弹射器的作业也如此。作为包含大量运动部件、结构极其复杂、工作环境恶劣的机械装置，蒸汽弹射器的可靠运行离不开舰上V-2分队人员对每个细节的精心细致的维护检修。
一个典型的例子是，他们要用直径量规测量C型开缝气缸的内径。气缸承受着外部温度变化，长期暴露在高温高压环境下，这不可避免会导致它们出现变形或失去圆度。因此，按照美军航母上作业手册的要求，每弹射2000次就要测量气缸多个点的直径，以确定气缸当前的形状是否精准，是否需要对其进行“敲击”或“锤击”等措施使其恢复原状。
不论是海上任务部署阶段（上图），还是回港后的维护中（下图为美军技术人员对法国航母“戴高乐”号的上门服务），都少不了对气缸内径的精准测量。
03
蒸汽弹射，作业一次要消耗半吨水
在一次次弹射作业中升腾起“锅气”的背后，是蒸汽弹射器身上另一备受关注的话题——一次弹射作业要消耗多少淡水？
较于此前常规动力航母中直接引入主机锅炉的蒸汽，如今美国海军的核动力航母上，是借助蒸汽发生器来将核反应堆的二次冷却循环回路的水加热沸腾，而后高压高温的蒸汽存储在湿式蓄压罐中，等待弹射作业时快速且可控地（通过变速率蒸汽注入阀来控制，这也是核心技术之一）释放，进而变成瞬间功率强劲的弹射能量。
作为高温高压容器，湿式蓄压罐同样是重家伙，示意图可见，其上端通往弹射器的气缸。它的容量为1.6万加仑（作业中会注入一半的液态水一半水蒸气），换算下就是约60余吨的水。蒸汽弹射器整个系统的笨重也由此可见一斑。
对蒸汽动力弹射器每次弹射作业大约需要消耗多少水，即便是在美国海军等官方机构，给出的数字也大小不一，但大体而言是在半吨左右。
见证了美国海军蒸汽弹射器技术演化的莫德斯托·扎哈尔琴科，曾在2015年海军航空系统司令部接受了一次采访。采访中，他谈及电磁弹射的优点时，提及了蒸汽弹射器每次弹射所消耗的淡水量。扎哈尔琴科所给出的数字是超过1200磅（544.31千克），并强调“这些水需要海水淡化和净化”“甚至会影响到舰员的洗澡”。
这张云雾缭绕的照片代表着美国海军在蒸汽弹射时代逐渐逝去的辉煌。天边的云与前面的雾、“大黄蜂”与“雄猫”战机的同框了。
当时，80岁的扎哈尔琴科，作为美国蒸汽弹射技术发展史上的旗帜性人物，在采访中旗帜鲜明地表态积极拥抱电磁弹射时代。2年后的2017年7月，扎哈尔琴科在职业生涯的最后一次随舰出海测试中，也达成心愿——亲身参与了CVN-78“福特”号航母电磁弹射系统（EMALS）、先进阻拦装置（AAG）的海上测试工作。扎哈尔琴科表示：“这里的（电磁）弹射器看起来和蒸汽弹射器一模一样，只是没有声音。和蒸汽弹射器相比，这里安静多了，也不会冒出一丝水雾。”
2014年11月，美国海军航空系统司令部（NAVAIR）为扎哈尔琴科举行了为美国海军服务55周年荣誉仪式。
根据扎哈尔琴科的说法，美国海军耗资62亿美元建造的第十艘也是最后一艘尼米兹级超级航母CVN-77“布什”号，至少将服役至本世纪60年代。届时，从英国蒸汽弹射器技术在美国落地时算起，美国海军航母甲板上那一缕缕“锅气”将整整飘过一个多世纪。
文案：郑宇航
排版：蓝风
编审 | 监制：武晨、王兰