终结于“福特”号航母的蒸汽弹射与电磁弹射之争

杨王诗剑

“福特”号又遇上麻烦了！近日，特朗普在接受媒体采访时，对海军的电磁弹射器提出了强烈批评。他表示，“福特”号（题图）上的电磁弹射系统问题重重，可能只有爱因斯坦这样的天才才能解决，所以应该将其拆除，并换成“完完全全”的蒸汽弹射器。一个是成名已久的中坚，另一个是初尝海味的新人，美国海军引以为傲的创新并未换来新总统的点赞。不过，在坚持己见和落实指示之间，美国海军依旧硬气。或许，持续数十年的“蒸电之争”将由“福特”号划上句号。

电磁弹射较蒸汽弹射的五个“更”

蒸汽弹射是通过高压气缸和控制系统将高温蒸汽能量转化为动能推动飞机起飞，而电磁弹射则是利用载流导线在磁场中受力，使磁通量在瞬间发生巨大的变化而产生的感应电磁斥力，将飞机弹射升空。工作原理上的根本差别，决定了电磁弹射技术较蒸汽弹射技术具有五大显著优势。

结构更简单由于需要制造、输送和储存大量高温高压蒸汽，蒸汽弹射系统包含无数管路、阀门，并且弹射汽缸必须整体安装，造成结构非常复杂、体积异常庞大。目前美国海军列装的最新型蒸汽弹射器（C-13-2型）总重量超过500吨，体积约1 000立方米左右。相比之下，电磁弹射系统采用模块化设计，直线电机可以分段安装和拆卸，各部件之间使用电缆或无线网络连接，总重量约225吨，体积只有425立方米左右，缩减超过50%。

结构简化、体积缩减后的优势是显而易见的。一方面，能够为航母腾出大片空间，进一步增强了航母的容量。据美国海军计算，电磁弹射器较蒸汽弹射器节约的空间，在合理的设计下，能够多容纳2～3架F/A-18E/F战斗机。另一方面，维护难度和周期大幅下降。据媒体报道，一艘“尼米兹”级航母上与弹射系统运维相关的人数为500人，2次重大故障间的平均周期约405周；而在“福特”号航母上，这两个数字分别为350和1 300。

冗余度更高蒸汽弹射器采用“串行”动力传输设计，即高温高压蒸汽通过数根首尾相接的管道导入蒸汽储存装置内，这就造成了一旦传输管路任意一處损坏，那么整个弹射装置都会“停摆”。相较而言，电磁弹射器采用的四能量链“并行”设计则要好得多。它由24个相对独立的直流电机共同发电做功，如果其中1～2个损坏，只要战机的装载量不需满功率起飞，则可以通过调高剩余电机的功率来弥补能量损失，待完成弹射任务后再进行检修。更高的冗余度，不仅能够有效提升战机出动率、降低战机弹射过程中的风险，而且在一定程度上能提高弹射器的生存能力。

能源效率更高由于高温高压蒸汽的产生和传输步骤繁多，因此能量损耗极大，从核反应堆输出的能量大约只有6%能够最终用在弹射上。而电磁弹射器采用直线电机方式，从核能到动能只经过一个电能转化存储的步骤，因此功率损耗远小于蒸汽弹射器，能量利用率能够超过60%。换句话说，弹射同一架舰载机，蒸汽弹射器的输出功率是电磁弹射器的10倍左右。

可控性更好蒸汽弹射器通过阀门控制注入汽缸的蒸汽，无法精确控制推力，在初始阶段弹射力度非常大，最大过载可达6g，随后快速衰减，尤其是到了弹射后期，往往还没有飞机自身的发动机加速得快，整个弹射过程波动很大，但平均加速度只有2g多一点。美海军舰载机飞行员常常调侃“蒸汽弹射器前面是推着飞机，后面则是飞机拖着弹射器走”。而电磁弹射器是通过调节电流控制弹射力度，因此运行过程精确可控，借助自动化控制程序，可以根据负载变化、飞机速度实时调整弹射力度，峰值过载从6g可以降低到3g。

弹射过程全程可控的好处是显而易见的。一方面，由于没有爆发性强力冲击，不仅能避免舰载机结构受损，使战机寿命延长约31%，而且对飞行员的身体承受能力也有很大程度改善。另一方面，由于弹射过程中的加速度基本稳定，对弹射效率也有一定提升。根据计算，平均加速度一样时，电磁弹射器可比蒸汽弹射让飞机多载重至少8%甚至能15%，这对于“寸地寸金”的舰载机来说无疑意味着作战能力方面的提升。

能量幅度更宽蒸汽弹射器的推力与弹射器长度和气缸容量成正比，加速过程越长、瞬间释放的蒸汽越多，那么弹射器的力度就更大。目前美国海军装备的C-13-2型蒸汽弹射器最大输出能量95兆焦耳，已近极限，很难再有明显提高，这相当于把舰载机的“背囊”大小给限定死了。同时，气缸的容量又是一定的，因此，弹射器也有不小的推力下限。综合来看，蒸汽弹射器对舰载机的重量有非常清晰的适用范围，太大太重，弹不起来；太小太轻，一弹就碎，极大制约了舰载机的选配及性能。而电磁弹射器就不存在这样的限制，其推力可从0调节到122兆焦耳，幅度更宽，这意味着拉低了舰载机的准入门槛，无论是小型无人机，还是重型战机，都能找到适合自己的弹射点位。

蒸汽弹射与电磁弹射在成本上的比较

技术和资金是武器装备发展永远绕不过去的两个坎，任何一款新装备的产生，都是不断平衡先进性和经济性的过程，特别是在装备越来越贵，而国防预算又十分有限的情况下，成本更是成为了发展新技术新装备的关键词，即使是财大气粗的美军也无法持续用黄金去购买战争的胜利。从成本这个角度来看，电磁弹射技术较蒸汽弹射技术存在较为明显的优势，但需要注意的是，理论上的优势。

建造成本美军对弹射器的造价一直守口如瓶，但从美军公布的一系列相关合同中我们能一窥究竟。

2015年6月，美国海军授予通用原子公司7.37亿美元，为“福特”级二号舰“肯尼迪”号（CVN-79）建造先进拦阻装置和电磁弹射系统。当时，前航母项目执行官、海军海洋系统司令部指挥官摩尔表示：“大家都知道，我们在航母建造上因为先进拦阻装置和电磁弹射系统造成了一些重大的成本超支，但是，在CVN-79上我们已经控制住了成本。”说明电磁弹射系统的造价已经下降，并且正在逐步进入正常区间。

2016年1月，海军授予了通用原子公司“福特”级三号舰“企业”号（CVN-80）5.27亿美元的电磁弹射系统合同。“福特”级航母上使用的电磁弹射器，单价大约是1.3亿～1.4亿美元。这与特朗普在接受采访时提到的“数亿美元”比较符合。

至于蒸汽弹射器，据报道，美国卖给法国海军的两部C-13型蒸汽弹射器单价约为1 200万美元，当时捆绑销售的E-2舰载预警机单价为2.5亿美元。考虑到美军自用的E-2单价约为1.76亿美元，按照这个比例计算，C-13型蒸汽弹射器的单价应在850万美元左右，相当于电磁弹射器的1/15，难怪特朗普气得直跺脚。

使用成本虽然造价高，但电磁弹射器在运行、维护上却体现了巨大的成本优势。上文提到，蒸汽弹射器需要500人的运行维护团队，这意味着每10名舰员中就有1个是专门用来服侍弹射器的。此外，蒸汽弹射器的U型密封条等零部件寿命非常短，需要经常更换，无形中增加了运行成本。据美国媒体报道，单纯的运转、维护蒸汽弹射器的费用，就占到了整个航母全部设备维护资金的40%。

而电磁弹射器不仅节约了人工成本，而且理论上由于磨损较少，各零部件的寿命相对要长的多。美国海军官员表示，使用电磁弹射器系统在未来航母的50年寿命周期当中可为海军节约40亿美元的维护资金。相比之下，多出了几亿美元造价真的不算什么。当然，这40亿美元目前还停留在纸面上。

蒸汽弹射与电磁弹射对平台需求的区别

无论是蒸汽弹射还是电磁弹射，都需要从别处摄取能量，以将其转化为推动飞机起飞的动能。而对舰载机的高出动率要求，决定了航母必须提供足够的能量供弹射器使用，因此，弹射器对平台有著特殊的需求。

蒸汽弹射器需要充足的淡水用来转化为高温高压的水蒸气。公开资料显示，蒸汽弹射器平均每次弹射要消耗近700千克淡水，需要专门的海水淡化装置予以保障。

而电磁弹射器则需要充足的电力供应。以“福特”号航母装备的电磁弹射器为例，每次全功率弹射耗能122兆焦，要求45秒内完成充电，充电所需功率约2.7兆瓦。按照60%的系统效率，总功率大约为4.5兆瓦。假设4部弹射器全部工作，同时充电需要大约18兆瓦功率，几乎占“福特”号A1B核反应堆总发电功率近20%，占“尼米兹”级采用的A4W反应堆总发电功率近60%。虽然这是假设中的最大功耗状态，但考虑到航母上还有雷达、空调等耗电大户，电磁弹射器对电力的需求已经非常巨大。

实际上，早在1945年，美国海军就利用线性电动机研制出早期的电磁弹射系统，并进行了试验。有消息指出，当时曾经成功把4吨重的飞机在200米的距离上加速到时速180千米。但由于当时电机技术和军舰电力系统尚不成熟，该电磁弹射器的性能与当时的液压弹射器以及后来的蒸汽弹射器还有较大距离，所以美海军最终还是优先选择了蒸汽弹射器。

蒸汽弹射与电磁弹射在研制难度上的比较

不难发现，蒸汽弹射与电磁弹射之间并没有必然的技术继承性，从研发难度上讲，两者都不简单。

众所周知，蒸汽弹射器各个部件都要频繁承受高温高压蒸汽的冲击，如何保证各系统在这样严酷的环境下稳定工作是研制阶段的最大难题。简单来说，蒸汽弹射器的研制难度不在于原理，而在于对零部件较高的制造工艺上。这里面，又以C型开缝气缸的密封问题难度最大。一方面，气缸较长，需要非常精密的制造工艺才能生产出符合要求的密封条；另一方面，活塞运动时，活塞柄全程与密封条接触，如果后者密封力过大，那么磨损就会非常严重，反之，则会导致蒸汽的大量泄漏，如何平衡这两个问题是保证弹射器效率和安全的关键。

经过半个多世纪发展，目前美军使用的C-13-2型蒸汽弹射器已经较为成熟，但仍有部分问题没有解决，这也是美军下定决心攻克电磁弹射的原因之一。不过，后者的难度有过之而无不及。

一是电能储存技术。与蒸汽弹射一样，电磁弹射也要将一次弹射所需的电能提前存储起来，以保证弹射时能瞬间释放足够的功率。这就需要研制一种高密度的储能装置，不仅具备较快的充电效率，而且在超大电流反复充放的情况下，能够保证足够的使用寿命。最重要的是，必须满足上舰的体积重量要求，想搬个巨大的电池组上舰是不可能的。对此，“福特”号上的电磁弹射器采用了惯性飞轮强迫储能装置解决这一难题。简单来说，就是飞轮电池的“航母版”，即利用类似飞轮转动时产生能量的原理来实现自身充放电（飞轮转速上升时为储能状态，下降时为放电状态），当然，无论是材料强度还是精密度都要求极高。

二是直线电机技术。直线电机是电磁弹射器的执行部分，其基本结构相当于将旋转电机的定子纵向剖开，展开成平面相对而立，并固定在直线方向上延长，而原来的转子改称为动子，被支撑起来稳定保持在两片定子之间。当定子通过三相交流电时，产生的是直线移动的磁场，动子就会顺着定子延展的方向移动，从而拉动飞机加速。“福特”号上的电磁弹射器所采用的直流电机，是由288个直线电机模块构成定子，不仅对这288个模块加工特别是与动子相对面的平整度要求微米级误差，而且对动子精度要求更高。为此，所有模块单元在安装时也要求十分精准的定位。美军要求动子与定子面的标准距离为0.3毫米，误差不得超过0.1毫米。试想一下，100多米长的运动距离，全程左右摆动距离不能超过头发丝的直径，难度可想而知。此外，电磁弹射器还存在防止永磁电机消退磁、屏蔽磁场泄露等技术难点。

在武器装备领域，优势永远是与难度成正比的。

特朗普的小心思

蒸汽弹射和电磁弹射孰优孰劣？其实，从美国海军将合同授予通用原子公司的那一刻起，这个争论许久的问题就已经有了答案。作為总统的特朗普，不可能不明白这一点，但为何又“任性”了一次呢？

原因很简单：施加压力。近年来，围绕“福特”级航母发展的一系列新装备都面临巨大的经费超支和时间拖延问题。对此，如果是希拉里执政，可能会从国家军事战略角度来认识这一问题，不会公开提出如此尖锐的批评。但商人出身的特朗普关注的是成本和效益，在没有看到明显效益之前，任何超支都是难以接受的。此前他就曾表示，将削减F-35C采购合同，同时增加F/A-18E/F最新升级版的采购数量，以此来迫使洛马公司降价。从某种程度上讲，这次对电磁弹射器的抨击，实际上是又一次商业手腕的政治运用，即通过强硬的姿态压迫对手，突破边界来试探对方的底线，以达到自己的目的。

如今的“福特”号技术状态已经定型，要拆换弹射器无异于画蛇添足，费力费时费钱，所以，这种抨击也只是吓唬吓唬手底下的将领们，或者发发牢骚。可以肯定的是，“福特”号的最大技术亮点必然会保留。

是起点，也是终点

“福特”号是电磁弹射的起点，会是蒸汽弹射的终点吗？答案是肯定的。且不提该级二号舰和三号舰的电磁弹射系统的建造合同已经授出，电磁弹射的优势毋庸置疑，新航母也能提供足够的能源予以支撑其高效运转，无论从哪个角度观察，喜新厌旧的美军都不会倒退回蒸汽时代。美国众议院军事委员会官员曾表示，“电磁弹射器项目对于航母来讲至关重要，如果电磁弹射器不能工作，那么国家就是投资数十亿美元建造了一艘毫无用处的船。”况且，随着首舰入役，电磁弹射器的使用经验和数据将开始快速积累，这有助于厂家对相关问题进行改进，进而有效提高进度和降低成本。

实质上，电磁弹射是技术大背景下的必然选择。如今，水面作战舰艇全面电气化已是大势所趋，电磁弹射能够更好地与平台上的各类作战保障系统对接，实现全舰的能量统一调配，有利于提高舰艇能源使用效率。如果说“福特”号上仅存的电气化缺口——锅炉，还能给特朗普或者保守派提供“复辟”蒸汽弹射的幻想，那么，未来实现全电推进后，电磁弹射必将彻底断绝蒸汽弹射的前途。

需要指出的是，技术发展的基本规律就是曲折向前。在和平时期，武器装备很难有机会得到实战检验，因此，对于耗资巨大、进度缓慢的新军事技术，很容易产生强烈的质疑。但也应认识到，无论是基于旧技术的升级，还是基于科学理论的新发现，新技术都有着坚实的发展基础，客观上都具有提升现有能力的前景，所以，在现实条件允许的情况下，对于发展新装备新技术，态度必须要坚决。

往大了说，国防建设不是经济建设，投资效益或许很长时间都不会显现，不能因为看不到眼前的好处就放弃对国家安全的维护，否则，一旦战火降临，所有自豪与骄傲都将化为尘土。

对弹射起飞方式的重新审视

电磁弹射器相对于蒸汽弹射器的优势，并没有消除弹射起飞方式固有的缺陷，例如，对航母空间的抢占、必要的运维人员、对能量的巨大需求等。这些都对航母本身的设计建造起到了负面影响。

从历史上看，无论是提高舰载机出动率的初衷，还是喷气式舰载机的出现，弹射器存在的根本原因都是航空技术无法满足航母的作战需求。而其中最突出的，就是当前的航空发动机性能无法满足舰载机的全负荷起飞要求。因此，决定舰载机起飞方式的根本因素，并非起飞技术的优劣，而是航空技术特别是航空动力技术的发展。从这个角度来讲，关于蒸汽弹射还是电磁弹射的纠结，不过是技术发展过程中的一个节点而已，这种纠结必然会随着航空动力理论或技术的发展而慢慢消散。

关于中国下一艘航母起飞方式的探讨

说到航母，就不能不提中国。最近，首艘国产航母顺利下水，大家在为祖国点赞的同时，也在关心下一艘国产航母是否会将弹射器搬上大甲板。毕竟，美国海军航母编队实在太令人震撼，“美国标准”似乎已经成为了先进航母的标准。不过，最贵的不一定是最好的！发展武器装备还是要根据实际情况，量身定做。为此，我们简要分析下第二艘国产航母可能采用的舰载机起飞方式。

如果延续滑跃起飞方式，无论是舰体设计还是舰载机设计，技术都非常成熟，能够以最短的时间快速形成战斗力，从而与现有两艘航母一起，形成覆盖周边海洋的强大作战体系。

但滑跃起飞对于舰载机品种、载重和出动率的限制却是不可回避的问题，特别是对航母编队侦察预警体系至关重要的固定翼预警机无法上舰。因此，采用滑跃起飞将极大制约航母编队作战的能力范围和海空联合作战效能。按美国和法国计算，同样吨位的航母，采用弹射起飞方式和滑跃起飞方式，作战能力比大概是3：1到4：1之间。虽只是理论计算，但却不无道理。如果采用弹射起飞方式，那么蒸汽弹射器的可能性更大。尽管蒸汽和电磁弹射技术我国都在研究，并且目前来看，似乎电磁弹射在研制和试验进度上还有一定优势，但不可忽视的是，航母设计建造是一个系统工程，最基本的要求就是动力输出与负载相匹配。电磁弹射需要动力系统和能源管理系统提供足够的电力，而我国大型舰船的动力系统对此还存在一定的困难。

另一方面，据悉，我国已经研制蒸汽弹射器20余年，此前也曾获得国外蒸汽弹射器可供参考，无论从研制还是使用角度，相对电磁弹射都要成熟不少。对于中国这个航母俱乐部的新人来说，技术上不必追求一步到位，毕竟连半个多世纪以来都在用航母的美国人，也被电磁弹射回收技术卡住了脖子。因此，在周边局势恶化、海外利益亟需维护的战略背景下，积极稳妥地推进航母建设并尽快形成战斗力，才是当务之急。