1. Пружины или эластичные материалы

Самый простой, очевидный и известный с незапамятных времён (как минимум, со времён изобретения лука) способ накопления энергии – использование потенциальной энергии упругой деформации . А если по-простому – мы растягиваем, сжимаем или скручиваем некий подходящий материал, а при возвращении его в исходное состояние часть энергии, что мы затратили на его деформацию, высвобождается опять в виде кинетической, которая и передаётся объекту, что нам надо ускорить. И что важно – высвобождается быстро .

Катапульта лёгкого БПЛА на обычном резиновом жгуте

Простейший вариант подобных катапульт переживает сейчас второе рождение – это те устройства с обычными резиновыми лентами и «прямым приводом», что используются для запуска лёгких беспилотников самолётного типа, включая так называемые «барражирующие боеприпасы». Однако для тяжёлых летательных аппаратов этот метод по понятным причинам не годится. Даже «Аэродром» Самюэла Лэнгли 1903 года уже весил больше 300 кг, так что для его запуска пришлось придумать нечто посерьёзней.

Для накопления энергии он использовал мощную пружину – утверждается, что от трамвайной подвески. Но тут встал следующий вопрос – а как эту энергию передать? Напрямик от пружины нельзя – хлипкая этажерка просто рассыпалась бы от перегрузки, так что импульс нужно было как-то «растянуть» во времени и пространстве. Поэтому усилие на стартовую тележку передавалось через систему блоков и тросов, «размазывавших» короткий ход пружины на почти 25 метров хода тележки.

2. Гравитационный привод

Братья Райт использовали не менее древний метод накопления энергии. Сначала мы её затрачиваем, поднимая 500 кг груза к верху вышки, потом его отпускаем, а дальше работает гравитация – груз падает и тянет прикреплённый к нему трос. Но и здесь пришлось передавать усилие не напрямик, а тоже задействовать принцип полиспаста, чтобы «размазать» импульс падения груза с пятиметровой высоты на пятнадцать метров того стартового «монорельса».

Подъём груза катапульты братьев Райт, 1904 год

Обе эти системы были предельно просты и достаточно эффективны, но слишком громоздки, чтобы их можно было воткнуть на корабль без серьёзной переделки оного. Не говоря уж о времени, что требовалось для подготовки каждого старта. Поэтому изобретатели вскоре обратились к другим способам накопления энергии.

3. Пневматический привод

Здесь использовалась потенциальная энергия сжатого газа , то есть энергия отталкивания между его молекулами. Сначала мы неторопливо сжимаем атмосферный воздух в неком объёме, а затем через специальный клапан быстро выпускаем его «на свободу», где он расширяется, высвобождая часть энергии, что мы затратили на его сжатие. В сущности, та же пружина. Ну а дальше дело техники: этот газ толкает поршень, и его движение – опять через систему блоков и тросов – передаётся на стартовую тележку.

В результате, наконец, получилась достаточно компактная и надёжная система, так что немудрено, что именно она стала самой используемой – если считать общее количество всех построенных авиационных катапульт, а не только тех, что использовались на авианосцах. Но у этого типа данных устройств был один важный недостаток – сравнительно невысокая мощность. Например, самая мощная из американских пневматических катапульт, типа A Mk IV, могла разогнать до 98 км/ч самолёт с массой не более 2860 кг.

Поплавковая версия торпедоносца «Дуглас» DT-2 на пневматической палубной катапульте авианосца «Лэнгли», 1925 год

Так что использовались они всеми флотами планеты прежде всего для запуска сравнительно лёгких гидросамолётов – разведчиков, корректировщиков или истребителей – с «обычных» кораблей, а на авианосцах практически не применялись. Экспериментальные палубные пневматические катапульты с достаточно большим ходом испытывались лишь на первом американском авианосце «Лэнгли», а немцы и итальянцы только планировали использовать их на своих авианосцах «Граф Цеппелин» и «Аквила», что так и не были достроены.

4. Кинетический привод

Фамилия Норден известна прежде всего благодаря знаменитому бомбовому прицелу, что стоил как пол-истребителя. Но вообще данный конструктор много чем ещё занимался, включая участие в создании первых гирокомпасов и гиростабилизаторов прицелов для кораблей ВМС США. Поэтому неудивительно, что именно ему пришло в голову запасать кинетическую энергию для авиационной катапульты в виде кинетической же энергии, но вращения.

Иными словами – использовать тот же маховик, что является основой любого гироскопа, только очень большой. Сначала раскручиваем шеститонный диск, или, если по-научному, сообщаем ему момент импульса (он же момент количества вращения ), а потом быстро отбираем эту энергию с помощью фрикционного механизма (это как сцепление на автомобиле) и используем её в своих корыстных целях. То бишь, через всё те же блоки и тросы передаём на челнок катапульты.

Трек экспериментальной «маховиковой» катапульты на носу авианосца «Лексингтон», как видно по отлчичающимся планкам палубного настила слева, проектом предусматривалось две, но вторую так и не установили

Эти системы, получившие название F Mk II, изначально установленные на авианосцы типа «Лексингтон» – а также на «Лэнгли» вместо пневматической – могли работать уже с тяжёлыми машинами, гидросамолётами взлётной массой до 4536 кг, но разгоняли их до скорости всего 56 км/ч. Плюс у них имелась куча технических проблем – прежде всего с быстро выгорающими фрикционами (привет танчиколюбам). Так что при первой же модернизации их убрали со всех трёх авианосцев. Не взлетело от слова совсем.

5. Термохимический привод

Фактически, та же пневматика, но используем энергию, уже запасённую матушкой-природой в виде химических связей, что высвобождается в ходе экзотермических реакций окисления. Если по-человечески – очень быстрого горения специфических химических веществ (обычно просто той или иной вариации бездымного пороха) с выделением большого объёма газов, что и создают необходимое давление во всё том же цилиндре. А дальше, как обычно – поршень, тросы, блоки, тележка.

Каких-то принципиальных преимуществ в мощности по сравнению с пневматикой не получилось – самая удачная американская модель P Mk VI обеспечивала разгон до 105 км/ч самолётов массой до 2950 кг. Зато эта система была гораздо более автономна и компактна – нам не нужен ни компрессор для сжатия воздуха (а следовательно и электричество), ни баллон высокого давления для его хранения – достаточно просто засунуть в цилиндр новый пороховой заряд.

Запуск гидросамолёта SOC «Сигалл» с пороховой катапульты P Mk VI тяжёлого крейсера

Поэтому, начиная с середины 1920-х, американцы начали ставить пороховые катапульты на все новые крейсеры и линкоры, а также частично заменять ими пневматические на старых. По проекту первый американский авианосец специальной постройки «Рейнджер» тоже должен был иметь пару более мощных пороховых катапульт, но от них отказались из соображений «денег нет».