锐参考航母电磁弹射到底有多强？

　　（文黄晋一）
　　6月17日上午11时，中国第三艘航空母舰下水命名仪式在中国船舶集团有限公司江南造船厂举行。福建舰的下水无疑是载入史册的一天，官方报道中关于中国首艘弹射型航母和配备电磁弹射和阻拦装置的表述尤其引人注目。众所周知，目前世界上仅有美国拥有配备电磁弹射器和阻拦装置的航母。那么航母的电磁弹射器到底有多强？与传统蒸汽弹射器相比，究竟具有哪些技术优势？对航母本身的战斗力又有多大提升？本文将就此为您解读。
　　蒸汽弹射器性能可靠但存固有缺陷
　　弹射器是对现代航母发展起到决定性促进作用的装备，不仅能令航母舰载机的出动效率成倍提高，还令舰载机每次出动时的载弹量得到保证，堪称航母的战力倍增器。舰载弹射器的发展历史实际是要早于航母的，可以追溯至1912年。最早的海上起飞试验由美海军飞行员西奥多埃利森完成，当时使用的还是压缩空气弹射器。在经过3年的技术完善后，美海军将第一部实用化的压缩空气弹射器安装到北卡罗莱纳号巡洋舰上，该舰也成为历史上首艘安装飞机弹射器的水面战舰。1915年11月5日，美海军中校亨利穆斯廷驾驶一架AB2水上飞机从北卡罗莱纳号上成功弹射起飞，拉开了舰载弹射器时代的帷幕。
　　1915年11月5日，美海军中校亨利穆斯廷驾驶AB2水上飞机从北卡罗莱纳号巡洋舰上弹射起飞。美国海军档案库网站
　　尽管弹射器的概念最早由美国提出，但提出并试用蒸汽弹射器的却是英国。二战后，航母舰载机开始进入喷气战机时代，这些战机的最大起飞重量不断飙升。以20世纪60年代的美海军主力舰载机F4鬼怪为例，其最大起飞重量已超28吨，此前美英航母一直使用的液压式弹射器已不堪重负，这时对现代航母发展有巨大推动作用的蒸汽弹射器横空出世，解决了舰载机重量飙升与弹射器推力之间的矛盾。1950年，英国海军航空兵后备队中校柯林米切尔最先提出了利用航母蒸汽轮机产生的蒸汽联动到弹射器上的想法，蒸汽弹射器随即问世。蒸汽弹射器的原理并不复杂，和烧开水很像，就是利用舰艇锅炉（或核反应堆）产生的高压蒸汽推动弹射导轨里的矛尖状活塞加速，从而带动与活塞连接的舰载机加速起飞，之后再利用水刹车（在弹射器前方的动力气缸同轴安装有水缸，矛尖状活塞插入水缸中后会形成压力）为活塞制动。
　　由英国布朗兄弟公司研发的BXS1型开缝式气缸弹射器成为历史上第一种具备实用性能的弹射器，安装了该弹射器的英国海军英仙座号轻型航母成了世界上首艘安装蒸汽弹射器的航母。该舰在1950至1951年间安装蒸汽弹射器后，频繁进行舰载机试飞，验证了该类弹射器的有效性，英海军随即同布朗兄弟公司签署大批订单，蒸汽弹射器投入批量生产。
　　英国海军英仙座号航母是世界上首艘安装蒸汽弹射器的航母。英国海军档案库网站
　　在看到英海军试验大获成功后，美海军马上从英国购买了BXS1蒸汽弹射器的技术专利并继续将相关技术发展成熟。1953年，美海军选择汉考克号航母作为试验舰进行改装。1954年2月15日，汉考克号完成改装，安装了当时最新的C11型蒸汽弹射器并再次投入服役。当年6月17日，一架S2反潜机从该舰上成功起飞，该机也成为美海军首架利用蒸汽弹射器起飞的舰载机。
　　1969年拍摄的汉考克号。美国海军网站
　　在经过了68年的发展和改进后，美海军现役的10艘尼米兹级核动力航母上使用的C132型已经是美国的第三代蒸汽弹射器。C132型蒸汽弹射器的最大输出功率已非其祖辈C11型可比，它能在2秒内将30吨重的FA18EF舰载战斗机在不到100米的滑跑距离内，从0加速到300千米小时以上的离舰起飞速度。每艘尼米兹级航母配备有4部蒸汽弹射器，每部弹射器白天能每20秒弹射一架舰载机，以此计算，理论上可以在4分钟内将这艘航母搭载的FA18EF战斗机中队（4个中队共48架战机）全部弹射升空。尼米兹级的这种出动效率令采用滑跃起飞方式的英海军伊丽莎白女王级航母感到望尘莫及，后者受起飞方式和飞行甲板空间限制，一次只能放飞一架F35B舰载机，其余舰载机只能依次起飞。
　　关于尼米兹级的实战表现，可参考罗斯福号在1991年海湾战争中的作战记录。在51天的作战行动中，该舰共出动4200架次舰载机对伊拉克境内目标实施空袭，共投弹2160吨，平均下来，该舰的日均出动量约为82架次，日均投弹量约为42吨，创下当时所有参战航母的最高纪录。这有赖于4台蒸汽弹射器的作用。
　　多架F18舰载战斗机准备同时从尼米兹级航母上弹射起飞，一架F14战机已升空。美国海军网站资料图
　　尽管性能出众且十分可靠，但经过近70年的服役时间，美海军发现蒸汽弹射器也存在很多固有缺陷。例如作为蒸汽弹射器核心的高压行程活塞的制造精度要求极高，制造成本也很高，维护十分复杂等。蒸汽弹射器工作时，水刹车还需要消耗大量宝贵的淡水，为此航母还需要配备专用的海水淡化设备。蒸汽弹射器还有一大问题，在工作时无法进行回馈力控制，经常会发生由于蒸汽弹射器拖曳力过大而造成舰载机的机体结构受损，减少机体寿命的情况。此外，由于功率控制困难，导致蒸汽弹射器对舰载机的最小和最大弹射重量都有限制，意味着其无法弹射舰载无人机。
　　由于结构复杂，蒸汽弹射器的维护较为困难。图为尼米兹级航母上的C132型蒸汽弹射器的开槽式气缸资料图。美国海军网站
　　电磁弹射器青出于蓝而胜于蓝
　　针对上述问题，美海军在进入21世纪后，开始将研发重心从蒸汽弹射器转移到电磁弹射器上来。与前者不同，电磁弹射器主要利用交变电磁场中的电磁力驱动弹射梭（相当于蒸汽弹射器的活塞）在导轨上高速运动，从而带动与弹射梭连接的舰载机加速起飞。电磁弹射器的系统核心是直线弹射电动机（又称直线马达）。这种电动机的概念类似磁悬浮列车采用的技术，但不同的是，磁悬浮列车的运动是漂浮在空气中，而电磁电动机带有滚轮，带着一个弹射梭沿弹射器轨道滑行。工作时，电动机得到供电，弹射梭在电磁力的作用下，牵引舰载机沿弹射冲程加速到起飞速度。
　　美海军进行陆基弹射测试时公开的电磁弹射器导轨细节图，可见内部密布的电路。美国海军网站
　　关于蒸汽弹射器和电磁弹射器在技术方面的差别，西方专家曾将两者形象比喻成老式蒸汽火车和现代磁悬浮列车的差别。法国防务宇航网站曾列举过电磁弹射器具有的五大优势。第一是使用范围更广：无论是未来可能出现更重的大型舰载机，还是小而轻的舰载无人机，电磁弹射器都可进行数字化管理和监测，对不同质量的舰载机可灵活调节控制电磁弹射力，还能减轻弹射时对舰载机结构和飞行员的损耗。第二是可靠性大幅提高：当前的蒸汽弹射器的两次重大故障间的平均周期是405周，而电磁弹射器可达到1300周。第三是可大幅减少运行和人员维护费用：只需要90人就可以操作，比蒸汽弹射器节省30人。第四是大幅提高能量利用率：由于结构简单，电磁弹射器的效率可达到蒸汽弹射器的10倍，功率转换效率理论上能达到90，比蒸汽弹射器的5大幅提高，而且电磁弹射器恢复下一次弹射能力的速度更快，还能继续提高舰载机出动效率。根据美海军的测试结果显示，尼米兹级的4部蒸汽弹射器可保证每天最多进行200次弹射起飞，而福特号航母的4部电磁弹射器能将该数字提升到270次。第五是开机启动时间短，电磁弹射器从关闭状态到待用状态的启动时间仅需15分钟，蒸汽弹射器则很难达到这点。
　　2010年12月18日，美海军在位于新泽西州的赫斯特湖海军航空工程站使用新型电磁飞机弹射系统成功弹射起飞一架FA18E舰载战斗机，这也是历史上首架利用电磁弹射器放飞的舰载机。7年后，2017年7月22日，美海军首艘配备有4台电磁弹射器的核动力航母福特号投入服役。尽管福特号自服役以来已进行过大量舰载机起降测试，但由于其采用的中压交流综合电力系统仍不完善，虽然理论上弹射4100次才会出现一次故障，但实际上该舰的无故障弹射周期仅为400架次。由于故障率居高不下，导致福特号服役近5年来仍无法进行实战部署，令美海军十分头疼。
　　福特号下水仪式现场资料图，美海军官网
　　福建舰的问世标志着中国在航母建造技术领域迈上了全新台阶，我们有理由相信，这仅仅是一个开始。