福建艦上的電磁彈射技術(shù)是什么？為什么能大幅提升航母戰(zhàn)斗力？

2022年6月17日，中國第三艘航空母艦被正式命名為中國人民解放軍海軍福建艦，中國海軍邁入3航母時(shí)代。

和遼寧艦與山東艦一樣，福建艦依然是常規(guī)動(dòng)力航母，不過，福建艦的滿載排水量已經(jīng)達(dá)到8萬噸，超過了日本在二戰(zhàn)時(shí)期建造的大和號(hào)戰(zhàn)列艦，是有史以來亞洲最大戰(zhàn)艦，也是當(dāng)前在美國以外建造的最先進(jìn)的航空母艦。

中國人民解放軍海軍福建艦

福建艦上有一個(gè)引人注目的地方，那就是它采用了電磁彈射技術(shù)。你知道電磁彈射是什么意思嗎？它對(duì)于航母的作戰(zhàn)能力有多大意義呢？今天，我們就來簡單介紹一下這個(gè)問題。

注：由于許多技術(shù)細(xì)節(jié)是軍事機(jī)密，并沒有公開，所以本視頻只是原理性的介紹，不保證與實(shí)際應(yīng)用技術(shù)完全相同。

一、垂直/短距起飛

我們知道：飛機(jī)要想起飛，就需要具有足夠的速度。在地面上跑道很長，但是航母上跑道長度有限。所以在二戰(zhàn)時(shí)，航母艦載機(jī)一般都比較輕小，而且油量、掛彈量都不能太大。二戰(zhàn)后，航母艦載機(jī)越來越大越來越重，已經(jīng)沒辦法直接在航母上起飛了。于是，人們就想出了各種辦法。比如：英國軍隊(duì)就開發(fā)出了垂直/短距起飛方式。

在戰(zhàn)爭中，如果跑道被敵人毀壞，飛機(jī)就無法起飛了。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，英國人發(fā)明了可以垂直起降的噴氣式飛機(jī)，這種技術(shù)也用在了航母艦載機(jī)上。比如英國海軍的無敵級(jí)航空母艦就是這樣。

英國海軍無敵級(jí)航空母艦

無敵級(jí)航母搭載了著名的鷂式戰(zhàn)斗機(jī)，這是一款噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)，但是噴口可以轉(zhuǎn)向。如果需要垂直起飛，只需要把噴口調(diào)整到向下噴氣就可以了。在空中，鷂式戰(zhàn)斗機(jī)也可以調(diào)整噴口方向，噴口向后時(shí)，它就是一種普通噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)；噴口向下時(shí)，它就可以懸停在空中；噴口向前時(shí)，它甚至還可以在空中后退。

鷂式戰(zhàn)斗機(jī)起飛

鷂式戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)斗力如何？有兩個(gè)著名的故事：

1982年，英阿馬島戰(zhàn)爭時(shí)，亞音速的鷂式戰(zhàn)斗機(jī)擊敗了阿根廷的超音速戰(zhàn)斗機(jī)，擊落敵機(jī)23架，自身毫發(fā)無傷，鷂式戰(zhàn)斗機(jī)一戰(zhàn)成名。

1983年，一架鷂式戰(zhàn)斗機(jī)出現(xiàn)通訊故障，在空中迷路。眼看燃油即將耗盡，飛行員突然發(fā)現(xiàn)海面上有一艘西班牙貨船。飛行員急中生智，利用鷂式戰(zhàn)斗機(jī)能垂直起降的特點(diǎn)，在貨船上安全降落。

鷂式戰(zhàn)斗機(jī)降落在西班牙貨船上

后來，英國政府花了57萬英鎊，才從憤怒的船長手中把鷂式戰(zhàn)斗機(jī)贖回來。

飛行員和他的鷂式戰(zhàn)斗機(jī)

但是，垂直起降的噴氣式飛機(jī)有嚴(yán)重缺陷——事故率太高了。鷂式戰(zhàn)斗機(jī)被引入美國后，事故頻發(fā)，被稱為“寡婦制造者“，蘇聯(lián)研制的雅克141垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)更是如此。主要是因?yàn)榇怪逼鸾碉w機(jī)在地面上向下噴氣時(shí)，很難預(yù)測(cè)湍流走向，極易出現(xiàn)事故。而且，它同樣面臨飛機(jī)重量的問題，限制了燃油和掛彈量。

那么，還有什么別的辦法嗎？

二、滑躍式起飛

飛機(jī)要在航母上起飛，就需要足夠的速度。但是航母甲板長度不夠，飛機(jī)沒有達(dá)到速度就沖出甲板，有可能落入海中。人們?cè)O(shè)計(jì)了一種方案：讓甲板末端翹起十多度，飛機(jī)沖出甲板時(shí)，速度斜上，這樣給飛機(jī)額外提供一點(diǎn)滯空時(shí)間，讓噴氣式飛機(jī)達(dá)到足夠的速度飛起來，這就是滑躍式起飛。

滑躍式起飛

滑躍式起飛結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，世界上許多國家的航母都采用這種起飛方式，比如中國的遼寧艦、山東艦搭載的殲-15戰(zhàn)斗機(jī)，就采用滑躍式起飛的方式。

遼寧艦

山東艦

然而，滑躍式起飛也有它的缺點(diǎn)：它只能用于推重比大的飛機(jī)，即推力強(qiáng)勁、自身重量又不大的飛機(jī)，比如戰(zhàn)斗機(jī)。但是，對(duì)于個(gè)頭大、動(dòng)力不足的運(yùn)輸機(jī)、預(yù)警機(jī)，滑躍式起飛的方式就很困難。

以預(yù)警機(jī)為例。地球是球體，在海平面上，我們很難發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處敵人的艦隊(duì)和飛機(jī)。于是，人們發(fā)明了預(yù)警機(jī)——讓飛機(jī)攜帶雷達(dá)，飛到空中尋找敵人。比如：下圖就是美國的E2C空中預(yù)警機(jī)，它頭上的圓盤就是雷達(dá)。

E2-C空中預(yù)警機(jī)

預(yù)警機(jī)重量大，動(dòng)力沒有戰(zhàn)斗機(jī)強(qiáng)勁，沒辦法使用滑躍式起飛。但是預(yù)警機(jī)又特別重要，因?yàn)樵诤?zhàn)中，盡早發(fā)現(xiàn)敵人是勝利的第一步。所以，中國的航空母艦上，配備的是預(yù)警直升機(jī)。比如下圖是遼寧艦上的直-18J預(yù)警直升機(jī)。它下方的圓柱體就是雷達(dá)。

直-18J（遼寧艦）

預(yù)警機(jī)作為航母的眼睛，直接制約著整個(gè)航母戰(zhàn)斗群的戰(zhàn)斗力。我國的預(yù)警直升機(jī)在飛行速度、雷達(dá)能力上，和美國的大型預(yù)警機(jī)還有一定差距。

三、蒸汽彈射

那么，美國航母上是怎么起飛預(yù)警機(jī)的？他們還有一項(xiàng)技術(shù)：蒸汽彈射。

蒸汽彈射

航母飛機(jī)飛不起來，就是因?yàn)榧装宀粔蜷L，飛機(jī)達(dá)不到足夠速度。如果在飛機(jī)起飛時(shí)，像打彈弓一樣把飛機(jī)彈出去，給飛機(jī)一個(gè)初速度，飛機(jī)不就能飛起來了嗎？這就是彈射起飛的基本思路。

蒸氣彈射的原理是這樣的：在甲板下方有一個(gè)裝滿了高溫高壓蒸氣的氣缸，氣缸連接了彈射軌道下方的氣體管道，管道中有一個(gè)活塞。在彈射時(shí)，把飛機(jī)的起落架掛在活塞上，打開氣缸閥門，讓氣缸中的高壓氣體推動(dòng)活塞快速向前運(yùn)動(dòng)，活塞再拉動(dòng)飛機(jī)起落架，讓飛機(jī)迅速加速。

蒸汽彈射原理

現(xiàn)在，掌握這種技術(shù)的只有美國。美國前一代主力航母尼米茲級(jí)航母，每一艘都配備了4條蒸氣彈射軌道。

尼米茲級(jí)核動(dòng)力航母

在美國之外，法國海軍的旗艦戴高樂號(hào)也有兩條蒸汽彈射軌道，他們的技術(shù)也來源于美國。

法國戴高樂號(hào)航母

利用這種方式，在航母上就能起飛大型預(yù)警機(jī)了?？墒沁@種技術(shù)并非完美無缺。首先，蒸汽彈射裝置復(fù)雜，機(jī)械部件眾多，故障率高。其次，蒸汽彈射占用了很大的艦船空間，而且每次彈射都要消耗成噸的淡水——這些淡水來源于航母淡化的海水。不能直接用海水的原因是：海水會(huì)讓氣缸中留下大量的鹽分，氣缸就壞掉了。

蒸氣彈射還有一個(gè)嚴(yán)重的問題：彈射前，氣缸需要24小時(shí)以上的預(yù)熱時(shí)間，讓氣缸緩慢升溫，這對(duì)于瞬息萬變的戰(zhàn)場(chǎng)，尤其是遭遇戰(zhàn)是非常不利的。

四、電磁彈射技術(shù)

為了解決蒸汽彈射的問題，幾十年前，美國人就開始研究新的彈射技術(shù)——電磁彈射技術(shù)。它與蒸汽彈射的目的相同——給飛機(jī)一個(gè)力，把飛機(jī)彈出去。只不過，它不使用蒸汽動(dòng)力，而是用電磁作用?，F(xiàn)在，世界上只有兩個(gè)國家的海軍裝備了這種裝置，那就是美國最新的福特級(jí)航母和中國的福建艦。

美國福特級(jí)航空母艦

中國福建艦

電磁彈射系統(tǒng)大體可以分為四個(gè)部分：控制系統(tǒng)、電子電力系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和直線電機(jī)。

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行調(diào)控，電子電力系統(tǒng)負(fù)責(zé)電能的發(fā)出和使用。在這方面，中國海軍工程大學(xué)馬偉明院士做出了很大突破。他提出了艦船綜合電力系統(tǒng)的概念，把發(fā)電、推進(jìn)、武器等系統(tǒng)的用電綜合起來，統(tǒng)一調(diào)配。馬偉明是我國國寶級(jí)專家，他有一句名言在網(wǎng)友中廣為流傳——

馬偉明院士

儲(chǔ)能系統(tǒng)是干嘛用的呢？我們可以想象：為了在一瞬間把飛機(jī)彈出去，需要很高的功率。無論是核動(dòng)力航母，還是常規(guī)動(dòng)力航母，發(fā)電的功率都不夠。所以，在彈射之前，必須先利用電子電力系統(tǒng)把大量的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，等到使用時(shí)，再把這些電能一起釋放出來。打一個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋确剑涸隈R桶上有一個(gè)儲(chǔ)水箱，上完廁所按一下按鈕，儲(chǔ)水箱中一下子放出一箱水，才能把馬桶沖干凈。如果沒有儲(chǔ)水箱，直接從水管中放水，那是沖不掉的。

現(xiàn)在比較成熟的儲(chǔ)能技術(shù)是飛輪儲(chǔ)能。即在彈射前，利用電能把一個(gè)數(shù)噸重的飛輪旋轉(zhuǎn)起來，讓它每分鐘達(dá)到數(shù)千轉(zhuǎn)，電能就變成了飛輪中的動(dòng)能，這個(gè)過程大約需要45秒，儲(chǔ)存大約120MJ的能量。

飛輪儲(chǔ)能

彈射時(shí)，利用飛輪的動(dòng)能迅速發(fā)電，在2到3秒的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生數(shù)萬千瓦的電功率，把飛機(jī)彈射出去。

飛輪放電

除了飛輪儲(chǔ)能外，還有超級(jí)電容等儲(chǔ)能方式。由于沒有解密，我們也不清楚福建艦采用了哪種。

能量從儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放出來后，來到了拉動(dòng)飛機(jī)的直線電機(jī)。直線電機(jī)和我們通常使用的電機(jī)并沒有本質(zhì)區(qū)別，只不過平時(shí)的電機(jī)是旋轉(zhuǎn)的：通電后轉(zhuǎn)子在定子中旋轉(zhuǎn)。直線電機(jī)相當(dāng)于把旋轉(zhuǎn)電機(jī)剖開，拉直。通電后，次級(jí)（相當(dāng)于轉(zhuǎn)子）會(huì)在初級(jí)（相當(dāng)于定子）軌道上運(yùn)動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)的類比

具體來講，直線電機(jī)又可以分為幾種形式。例如比較簡單的導(dǎo)軌式直線電機(jī)，與電磁炮的原理相同：在導(dǎo)軌上放一個(gè)導(dǎo)電滑塊，當(dāng)導(dǎo)體通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)又能推動(dòng)導(dǎo)電滑塊運(yùn)動(dòng)。把滑塊和飛機(jī)輪子相連，飛機(jī)就能被彈射出去了。

不過，這種方式相當(dāng)于一個(gè)單匝電機(jī)，要想產(chǎn)生強(qiáng)大推力，需要很大的電流，有可能會(huì)把導(dǎo)軌燒壞。線圈式的直線電機(jī)應(yīng)用更加普遍。通過給軌道上的線圈通電，就能讓軌道變成電磁鐵。如果滑塊是一個(gè)磁鐵，就會(huì)和軌道發(fā)生同性相斥、異性相吸；如果滑塊是一個(gè)導(dǎo)電金屬，就會(huì)和導(dǎo)軌發(fā)生電磁感應(yīng)，從而具有磁性，也能發(fā)生同性相斥、異性相吸?？刂葡到y(tǒng)控制通電的時(shí)間，就能讓滑塊在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)起來。

線圈式直線電機(jī)示意圖

相比于蒸汽彈射，電磁彈射具有多方面的優(yōu)勢(shì)：

從彈射能量看，一次蒸氣彈射釋放能量大約95MJ，而電磁彈射是120MJ，電磁彈射高出大約1/4；而且，蒸汽彈射能量利用率只有6%，電磁彈射可以達(dá)到60%，是蒸汽彈射的十倍。

蒸氣彈射系統(tǒng)復(fù)雜，事故率高，平均事故周期405周；電磁彈射結(jié)構(gòu)簡單，安全性好，平均事故周期1300周。

蒸氣彈射無法直接控制彈射時(shí)的推力變化，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，剛開始的時(shí)候彈射力度大，后來力度逐漸減小，加速度最大值和平均值之比超過200%。而電磁彈射可以實(shí)現(xiàn)人為控制和平穩(wěn)加速，加速度波動(dòng)在5%以內(nèi)，更加安全，對(duì)駕駛員也更友好。

蒸氣彈射之前要對(duì)氣缸進(jìn)行預(yù)熱，時(shí)間超過24h，而電磁彈射準(zhǔn)備時(shí)間只需要15分鐘，這對(duì)于遭遇戰(zhàn)尤為重要：早升空一架戰(zhàn)機(jī)，可能就決定了戰(zhàn)爭的勝敗。

而且，蒸汽彈射對(duì)飛機(jī)的重量有一定要求，太輕了的飛機(jī)用不了，而電磁彈射對(duì)200kg到35噸的飛機(jī)都能用，這就包含了無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)，以及非常重要的空中預(yù)警機(jī)。

中國軍事科學(xué)家跳過了蒸氣彈射，直接實(shí)現(xiàn)了目前世界上最先進(jìn)的電磁彈射技術(shù)，這是我國軍事科技的輝煌成就。當(dāng)然，無論從排水量、武器裝備、艦載機(jī)還是動(dòng)力系統(tǒng)，我國和美海軍還存在很大差距。

也許不久的將來，我國也會(huì)擁有核動(dòng)力航母，那么，你想給未來的核動(dòng)力航母起什么名字呢？

來源：李永樂老師