航母電磁彈射 到底牛在哪

近日有軍事專家在接受央視采訪時表示，如果我國建造第二艘國產(chǎn)航母，最好是采用電磁彈射起飛的方式。由于我國第一艘國產(chǎn)航母采用的是“滑躍起飛”，引發(fā)了網(wǎng)友的紛紛熱議。彈射器為何引起專家和軍迷關(guān)注?大洋之上的戰(zhàn)機在航母上起飛究竟需要克服哪些困難?

艦載機起落

高科技下的兩難問題

自從人類發(fā)明航空母艦，這種“大海上的移動機場”就成為了戰(zhàn)略級的強力武器。然而，要在茫茫大海上，讓戰(zhàn)斗機順利起落，相對陸地上要面臨更大的挑戰(zhàn)。除了風浪導(dǎo)致的飛機駕駛難度和航母起伏顛簸外，航母甲板本身的尺寸限制也是一個讓人頭疼的問題。

眾所周知，固定翼飛機是依靠高速行駛，產(chǎn)生空氣升力抵消重力，才能翱翔長空。隨著軍事科技的進步，噴氣式戰(zhàn)斗機加載的各式先進裝備越來越多，重量也就節(jié)節(jié)攀升。要讓這么個大塊頭飛上天，除了優(yōu)化氣動力布局外，一個最根本的手段就是增加速度。現(xiàn)在問題來了。更快的飛行速度，意味著飛機需要在地面行駛更多的時間、更長的距離。在地面上還好說，無非把機場跑道延長，五百米不夠就一千米。然而在海上，航母的甲板不能無限延長，甲板太長，既增加艦體負擔，又容易損壞，目標還大。

二戰(zhàn)時期日本的“零式”戰(zhàn)斗機，其全重不到2.7噸，速度不過500多公里，在頂風起飛時只需要70米的跑道距離;但美軍的四代機F-18，要求的最大起飛重量已為20多噸，最高時速達到1800公里。美國現(xiàn)役航母的主力“尼米茲”級航母，與二戰(zhàn)日本航母“赤城號”的甲板長度差不多，都是200多米。這就意味著，海軍航空兵們必須用差不多長度的甲板，去對付快得多的速度。怎樣讓如此快的飛機在如此短的甲板上順利起飛、降落，成為無數(shù)軍方科學(xué)家絞盡腦汁的問題。

第1類

艦載機垂直起降：只能算權(quán)宜之計

解決航母起飛、降落問題的一種終極思路，就是把艦載機改為“垂直起落”戰(zhàn)斗機，使得它們只需要很短的甲板距離就可以起飛、降落。最典型的當然是直升機。直升機別說航母甲板，就算是巡洋艦、驅(qū)逐艦的甲板也能輕而易舉地起降。然而直升機本身的特性，決定其速度、航程和戰(zhàn)斗力都遠不如固定翼飛機。

更先進的方案便是在固定翼飛機上加裝垂直起降發(fā)動機。起降時，通過垂直發(fā)動機產(chǎn)生直接向下的推力。這樣，無須以太高的水平速度產(chǎn)生升力，就能實現(xiàn)短距離的起飛降落。垂直起降戰(zhàn)斗機的技術(shù)從20世紀50年即開始研發(fā)，目前各大強國都有涉及。

例如，60年代法國的幻影III-V型戰(zhàn)機，在具備垂直起降的同時，其最高速度突破了2倍音速，這至今仍然是垂直起降飛機的紀錄;英國的“鷂式”和“海鷂式”戰(zhàn)斗機，參加過著名的馬島戰(zhàn)爭;美國的AV-8參與過海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭，而新近服役的F-35更是唯一一款具備垂直起降功能的五代機。

不過，垂直起降戰(zhàn)斗機盡管對甲板要求大幅度縮小，卻也存在明顯的弊端。首先是太費油。垂直起降這種模式，生生用向下的推進力來抵消重力，油耗極高，多達三分之一的油料都要用在垂直起飛，這就大大減小了飛機的航程和作戰(zhàn)半徑。

其次，垂直起降能夠承受的重量也有限，為了垂直起降，必須大幅削減戰(zhàn)斗機的載彈量，從而影響戰(zhàn)斗力。還有，垂直起降的操作難度很大，容易發(fā)生事故。英國在馬島戰(zhàn)爭時有5架垂直起降戰(zhàn)斗機就是因為操作失誤墜毀的。而發(fā)動機在全負荷運轉(zhuǎn)的時候，也可能因為細小顆粒被吸入發(fā)動機而發(fā)生事故，維護壓力比普通固定翼飛機要大。因此，垂直起降是以削弱戰(zhàn)機實力來降低甲板要求，只能算權(quán)宜之計。

第2類

蒸汽彈射器：半個世紀的光榮

為了讓艦載機在短短一百多米里達到足夠升力，最基本的思路，就是通過航母自帶的裝置，在飛機發(fā)動機加速的同時，為飛機提供一個額外的推力。這就是所謂的航母彈射器。目前世界范圍內(nèi)使用較為成熟的彈射器是蒸汽彈射器。它也是目前西方航空母艦的主流彈射設(shè)備。

最早的蒸汽彈射，是英國海軍航空兵后備隊司令米切爾在1951年率先研制成功的，裝備在“莫仙座”號航母上。此后，美國海軍購買了這項專利，成為美、英、法等國航母的標準配置。俄羅斯航母研發(fā)較為滯后，但也在1982年開始蒸汽彈射器的研究。計劃在90年代服役的“烏里揚諾夫斯克級”核動力航母就安裝有蒸汽彈射器，可惜這一款航母隨著蘇聯(lián)的解體而夭折。

蒸汽彈射的基本原理和彈弓差不多。在戰(zhàn)機起飛前，用位持器鋼圈“拽住”戰(zhàn)機的尾部，前輪附近的牽引桿則用“滑梭”鉤住。戰(zhàn)機前面的甲板下則有兩個平行圓筒，每個至少長45米，筒中的活塞連接滑梭。蒸汽則由母艦上的鍋爐輸出，在增壓后輸入滑梭。

艦載機起飛時，開足馬力，同時蒸汽彈射器啟動。發(fā)動機加上蒸汽壓力，形成可怕的推力。與此同時，飛機尾部又被鋼圈拽住。這樣相持片刻，當巨大的推力終于拉斷鋼圈的時候，就好像玩彈弓的孩子松開皮筋，飛機以極大的加速度往前猛沖。短短45米內(nèi)，時速能達到250公里，從而彈射起飛。

以上說的是前輪彈射器。目前全世界只有美國具備生產(chǎn)這種彈射器的成熟技術(shù)。另一種是拖索式彈射，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，性能也不好，只有巴西的“圣保羅”號航空母艦使用。

蒸汽彈射器至今使用已經(jīng)超過半個世紀，也存在缺陷。首先是蒸汽彈射器的維護工作量很大，據(jù)報道單純的維護、運轉(zhuǎn)蒸汽彈射器的費用，就占到了整個航母全部設(shè)備維護資金的80%!美軍一艘核動力航母上，需要整整500人來專門維護運轉(zhuǎn)蒸汽彈射器。

蒸汽彈射器的技術(shù)要求很高。核心是高溫高壓材料，各個部分都要頻繁承受蒸汽的沖擊，如何保證各系統(tǒng)在這樣嚴酷的環(huán)境下穩(wěn)定工作是最大的難題。而且，蒸汽彈射機要消耗大量的淡水。美軍航母彈射一架飛機，要消耗一噸淡水。此外，現(xiàn)在美軍的蒸汽彈射器的長度和氣缸容積幾乎達到極限，很難再提高能量，這就無法滿足未來更重的艦載機。

我國遼寧艦的甲板上，也能看到試驗性的彈射裝置。不過，由于最初遼寧艦的前身瓦良格號并未預(yù)留彈射器的空間，故而要在遼寧艦上裝彈射器，改動工程過大，甚至影響整個艦體的穩(wěn)定性。因此，目前遼寧艦還是單純的滑躍起飛模式。

第3類

滑躍起飛：大眾化方案

對于普通艦載機，更普遍的解決方案，是滑躍式起飛。這種起飛采用的甲板稱為“滑躍式甲板”。相比二戰(zhàn)中的平直甲板，“滑躍式甲板”最大的特征是甲板前部有一個向上的坡度，也就是俗稱的“翹頭”。這樣，艦載機在“翹頭”上以向上傾斜的角度起飛。

相對過去的平直甲板起飛，滑躍起飛在兩方面進行了優(yōu)化：首先，滑躍式甲板使戰(zhàn)機本身有個向上的角度，即機翼與水平面形成的仰角更大。這樣實際上可以增大空氣阻力產(chǎn)生的升力，使得飛機更容易獲得足夠的升力騰空;其次，滑躍式甲板使得飛機發(fā)動機產(chǎn)生的速度也有一個向上的分量，等于在離艦的一瞬間是被“斜向上拋出”，這也使得離艦后獲得更多的加速起飛時間。

制作滑躍式甲板的技術(shù)門檻雖然沒有那么高。但是，滑躍起飛卻對戰(zhàn)機提出了更高的要求，需要戰(zhàn)機的發(fā)動機具有很強的推動力，在短時間、短距離內(nèi)推動戰(zhàn)機達到起飛速度。不過這一點對于現(xiàn)代技術(shù)來說較為容易。

滑躍起飛的典型代表，便是前蘇聯(lián)生產(chǎn)的庫茲涅佐夫號航空母艦。庫茲涅佐夫號航空母艦的“姊妹艦”瓦良格號，也就是我國現(xiàn)役航母“遼寧”艦，也是安裝的滑躍式甲板。殲-15在遼寧艦上起飛的矯健身影，想必很多朋友都會印象深刻。滑躍起飛雖然技術(shù)難度較低，卻也存在瓶頸：在戰(zhàn)機滑行距離一定的情況下，由于最終速度有限，單純依靠增加甲板仰角，對升力提升也有限。當戰(zhàn)機重量過大時，憑借現(xiàn)有甲板長度，單靠發(fā)動力加速，難以獲得足夠的升力。因此，目前殲-15在遼寧艦上的起飛，還不能做到全負載，即不能完全滿載武器、彈藥、油量起飛。這對于殲-15在遠洋的實戰(zhàn)是一個制約。

第4類

電磁彈射器：未來大趨勢

由于蒸汽彈射器存在體積龐大、運行維護成本高、消耗大量蒸汽等缺陷，因此軍事領(lǐng)域又盯上了新的彈射器，即電磁彈射器。

所謂電磁彈射器，簡單說就是利用電磁感應(yīng)力進行彈射的裝置。它分為兩種：電磁線圈彈射器及電磁軌道彈射器，分別采用交流直線電機和直流直線電機。

事實上電磁彈射的研究非常早，早在20世紀40年代，美國海軍即進行了相關(guān)研究。然而當時技術(shù)不成熟，研發(fā)成本高，故而很快就被放棄了。到70年代末，隨著艦載機的重量和速度不斷增加，蒸汽彈射器逐漸不能滿足需求，美軍又從1978年重新開始對電磁彈射器進行開發(fā)。2013年，新一代核動力航母“福特”號服役，上面就采用了電磁彈射器。

電磁彈射器包括強迫儲能裝置、大功率電力控制設(shè)備、中央微機工控控制及直線感應(yīng)電機等。其中最核心的是強迫儲能裝置，可將發(fā)電機在一個周期(約45秒)內(nèi)發(fā)出的能量積蓄起來用于一次猛烈的彈射。據(jù)估計，最大的艦載機起飛需要消耗的能量不超過120M焦耳，而功率4M瓦的充電設(shè)備則能在這段時間積蓄140M焦耳(存在消耗)以上的能量。福特級航母擁有四部電磁彈射系統(tǒng)，同時充電時總功率可達16兆瓦，再加上升降機以及未來的電磁軌道炮、激光，航母總功率可能需要60兆瓦以上。

相比蒸汽彈射器，電磁彈射器有許多優(yōu)點：首先能簡化艦上的維修工作，據(jù)估計可以比蒸汽彈射器節(jié)省勞動力成本30%以上。其次，電磁彈射器的精度高，對于彈射力量的控制，僅僅需要通過控制電流大小就能做到，這顯然比改變蒸汽流的強弱要便捷多了，它使航母能方便彈射從輕型到重型飛機。還有，電磁彈射器的重量和體積大約只有蒸汽彈射器的一半。電磁彈射器與未來海軍的“全電力系統(tǒng)”能更好融合，將彈射器的控制對接到全艦的其他動力系統(tǒng)中，便于統(tǒng)一操縱。蒸汽彈射器的極限彈射能量不到100M焦，而電磁彈射器則可以達到122M焦，從而突破了前者的瓶頸。

此外，電磁彈射器能與滑躍式的甲板巧妙融合，這樣，既擁有彈射力，又能享受滑躍式起飛的好處。當然，電磁彈射器也有一些缺點。高功率電磁電動機會產(chǎn)生電子干擾，而高速旋轉(zhuǎn)的機械也對材料的剛性提出更高要求。

其他彈射器

五花八門各有利弊

除了普遍采用的蒸汽彈射器和方興未艾的電磁彈射器，還有其他各種彈射器的概念。由于種種原因，這些概念并未投入使用。

彈簧復(fù)力彈射器：堪稱是最“質(zhì)樸”的彈射器。它直接用一個大號彈簧，在通過電動機壓縮后，再猛然釋放，把飛機彈出去，使之獲得加速。但這種超強彈簧對材質(zhì)的要求太嚴苛了，要實現(xiàn)精準度難度也很大。另一個弊端是，彈簧在最初彈出的那一瞬間，沖力最大，對飛機而言相當于靜止時受到一個猛烈的加速度，對飛機和飛行員都是巨大的考驗。

勢能彈射器：勢能彈射器類似一個斜坡，先通過升降機等將飛機運至坡頂，然后將飛機從坡頂“推”下來，使得其受到重力和發(fā)動機推力的合力，產(chǎn)生更大加速度。這種彈射器技術(shù)成分很低，而且彈力釋放非常均勻。然而為此必須造一個很大的坡面，在航母甲板上高高凸起，影響風阻、隱形和防衛(wèi)等各項指標，而且使用效率較低。

燃氣彈射器：在結(jié)構(gòu)上與蒸汽彈射器相似，只不過推動活塞的不是水蒸氣，而是猛烈燃燒產(chǎn)生的氣體。相比蒸汽彈射器，它不需要消耗大量的淡水，然而燃燒卻對設(shè)備產(chǎn)生了更高的要求，如耐高溫、防氧化、堅固程度等。同時，燃燒這種化學(xué)反應(yīng)比水的汽化更加危險，還要消耗價格昂貴的化學(xué)燃料，故障率高，污染嚴重。最初美國海軍試圖以此作為航母彈射器，但最終還是選擇了蒸汽彈射器。

火箭助推彈射器：就是在艦載機發(fā)動時，用火箭助推器提供額外推力，飛機起飛后，火箭助推器再脫落。該方案的結(jié)構(gòu)非常簡單，然而如何處理助推器卻是大難題。如果采用一次性的，價格太貴;如果采用反復(fù)使用的，那每次起飛都需要把掉入海中的助推器撈起來。此外，助推器本身噴出的高溫射流也會對航母設(shè)施和人員造成威脅。

航母攔阻：

生命的羈絆

相對于起飛的種種難題，飛機降落的技術(shù)方案要簡單一點，就是在航母上設(shè)置一些攔阻設(shè)備，當高速行駛的飛機即將降落時，通過甲板上的攔阻設(shè)備“拖拽”住飛機尾部的鉤子，使得其速度迅速降低。當然，攔阻索不能簡單只是一根鋼筋把飛機攔住就好，這樣會直接把高速降落的飛機拽壞。事實上，攔阻索兩頭連接的是復(fù)雜的阻力產(chǎn)生裝置，在被飛機“絆住”后逐漸產(chǎn)生阻力，最終把飛機拉住。

美國海軍備有4道攔阻索，彼此間隔14米左右，要求飛行員最好在1、2道之間降落。如果4道攔阻索都沒能鉤住飛機，那么飛機可以就勢重新起飛，再來一次。當前，攔阻索的普遍阻攔裝置是水蒸氣，而在福特級航母上，則靠電磁力進行攔阻。