电磁炮的同门兄弟

雪鸮

在军用电磁发射技术中，受人关注的不但有电磁炮，也有近十几年来发展迅速的电磁弹射技术。开发电磁弹射器需要非常深厚的技术储备，而真正能在该技术上有所突破的，也恰好是在舰载电磁炮领域领先的美国。

为什么要搞电磁弹射器

作为使用航空母舰经验最丰富的国家，美国很早就意识到了弹射器对于舰载机战斗力巨大的增幅作用。有了强力的弹射器，舰载机就可以以更短的起飞距离、更大的载荷起飞并进行作战。美国长期在常规动力和核动力航母上普遍采用蒸汽弹射器，因此对蒸汽弹射器不足也有最深刻的認识。

蒸汽弹射器可以把蒸汽的热能转化成的机械能使用。蒸汽集中在压缩气缸内，弹射滑块连接在气缸上，随着膨胀过程开始，飞机迅速加速，最终弹射出去。根据设计原理的限制，蒸汽弹射基本相当于一个在理想状态下的等温膨胀过程，前期加速度过高，越到后期越低，并不是一个匀加速度过程。而弹射初期的过高加速度对飞机结构、飞行员的健康都会带来非常不利的影响。

此外，由于气缸的容量和所允许的蒸汽密度有限，意味着每一次弹射开始瞬间，所产生的力基本上是一个固定值。较轻的飞机可能在这股力的作用下遭受结构损伤；而过重的飞机可能也无法获得足够的速度成功起飞。这一特点多少掣肘了美国海军在舰载机上的选择和改进。为了丰富打击手段，更考虑到未来航母上搭载大量较轻无人机的可能性，美军非常需要一款可以灵活控制弹射力的弹射器技术。

最后则是蒸汽供应和使用中的问题。每弹射一架舰载机需要使用700千克的蒸汽，它们必须由淡水生成（海水含盐更容易腐蚀锅炉、管道）。如果弹射次数较多，将导致舰上的淡水过量消耗，有可能会对舰上官兵的正常生活构成影响。而生成、输送和储存蒸汽的系统是一个庞大的工程，非常占用舰体空间。产生蒸汽的过程还会占用一定比例的舰船推进动力。高温蒸汽经过的管线非常容易被腐蚀，每经过一千次弹射，弹射器的气缸就必须更换，否则会造成严重的安全隐患。

由此可见，尽管蒸汽弹射器能够极大地增强美国舰载机的整体战斗能力，但还是有着不少使用上的缺点，维护成本也很高。如此，在原理上占据优势的电磁弹射技术进入了美国人的视野，然而将原理转化为现实并不是一件容易的事情。

电磁弹射器的优势

本质上电磁弹射器的原理与电磁炮是相同的，只不过这个系统更为庞大、所输出的能量也更大，并且要求在成千上万次的弹射条件下具备相当高的稳定性。

与轨道炮类似，电磁弹射器两侧布置两块超长的直线电动机。它们不仅提供强大的磁场推动滑块加速，同时也约束滑块前进的方向。这也是为什么美国研制舰载电磁炮和电磁弹射器的单位均为通用原子公司的原因之一。因为两者的核心技术太相似了，一者的突破也会使另一者的研发进程加快。

根据美国通用原子公司公开的资料，该公司为福特级航母所研制的电磁弹射样机解决了力量控制、速度控制和不均匀加速的问题。其目标速度范围为28米至103米/秒，最大可以弹射重达45吨的载荷，而最大牵引力和平均牵引力的比值为1.05。也就是说，理论上美国舰载机起飞的加速过程几乎为匀加速，并由计算机控制每时每刻的功率，这可以大大降低起飞过程对飞机寿命的不利影响。以往美军选择主力舰载机时总是将最大起飞重量固定在30-38吨之间，防止过重或过轻。电磁弹射器也使美军在舰载机上的选择余地大了很多。

而根据通用原子公司和波音公司的公开资料显示，由于电磁弹射能提供更为柔和的匀加速过程，可以大幅度降低对飞机结构的伤害，战机寿命平均增加约31%。这对于美国海军减少舰载机采购总成本具有重大的意义。

无论用何种弹射方式，将数十吨的舰载机弹射起飞，所消耗的能量是极为巨大的。如何存储这部分电能是一个不小的挑战。以F-35C为例，起飞弹射的峰值功率大约在130兆瓦至150兆瓦之间。而每四台电磁弹射器的总充电功率大约为16兆瓦左右，因此每一次弹射需要40秒左右的充电时间。这就使得研制一种大容量、大输出功率的储能设备来调配电磁弹射器所使用的电能成为了必须。它也是电磁弹射器和电磁炮的核心技术。

航母电磁弹射器一般采用飞轮储能技术。按照设计，“福特”号上的飞轮能在极短时间内产生超过121亿焦耳的能量。这套系统每45秒能够完成一次充电。当飞轮转速达到弹射的需求时，就可以在2秒至3秒内将存储的能量释放。这就将舰载机的弹射间隔时间控制在了2分钟以内，比传统的蒸汽弹射器快一些。除了軍用的电磁设施之外，这套飞轮储能技术还大量应用于反应堆、大型激光仪器等需要大量瞬间放能的设备上。

经过飞轮，随后电能被输送到两条电动螺线管中产生磁场，并通过高功率变频器更改频率，来实现对不同功率的控制。

福特级最初设计时具有更大的技术野心，由于需要考虑电磁弹射器带来的峰值功率需求，与其部分电气化，倒不如完成全舰的电气化，将推进系统、电磁弹射/阻拦器系统和舰上生活电力系统全部整合在一起。依靠A1B压水反应堆的发电功率提升，使用全舰综合电力系统可以使福特级的电力利用效率显著提高。

电磁阻拦技术

电磁弹射对应的就是电磁阻拦。因为航母甲板可供舰载机起飞降落的甲板也就200米长，要使得着陆时仍然具有200～300千米/小时速度的舰载机停下来，阻拦索的存在就显得尤为重要。目前航母上使用的成熟技术是液压式阻拦系统，比如美国航母普遍采用的MK7液压阻拦系统。以当前常见的液压阻拦系统为例，该系统内包括产生制动力和保证连续阻拦效果的制动器械系统、降低制动初始瞬间过载的液压缓冲系统以及冷却舰载机在阻拦过程中由巨大动能转换成的热能的冷却系统。

电磁拦阻系统的组成与液压阻拦系统类似。不过在制动器械上除了滑轮阻尼装置外，起主要制动效果的是制动电机。整个制动过程相当于发电制动，而制动机是通过控制励磁电流来实现的。

励磁电流的控制是整个电磁阻拦系统的核心。美军现在拟采用的先进阻拦系统（AAG）中关于励磁电流的控制是通过预先程序再加上修正的方案实现的。首先滑轮阻尼器上的拉力传感器把受到的拉力信号传给中央集中控制器，后者根据拉力变化控制并启动励磁电流的控制程序。制动过程中再根据拉力传感器及速度继电器的信号来反馈调节励磁电流大小，进而控制制动效果。

与老式阻拦系统相比，使用电磁阻拦技术的AAG可以拦更轻和更重的舰载机，而且控制励磁电流能减弱阻拦对机体寿命的不利影响，还能有效的降低维护工作量和开支。不过美军的电磁阻拦项目近几年遇到了较大困难，距离实用尚有距离。

当前，我国的电磁阻拦技术攻关较为顺利，马伟明院士曾透露我国用了“1/5的时间就把阻拦做完了”。所以在跨越了常规拦阻和电磁拦阻两道门槛并掌握了电磁弹射的关键技术后，我国的舰载电磁技术可能与美国相差不多。不少分析人士都认为美国还不能将电磁技术应用到弹射和阻拦两个方面，而中国却已经可以了。此外电磁制动技术因无磨耗、反应迅速、制动平稳等特点，也是现代工业中一种理想的自动化执行元件，在汽车辅助制动系统中有着突出的地位。

“福特”号电磁弹射器的窘境

拥有较为健全科研能力的国家，在采购主战装备时会为了考虑到综合性价比，将新技术控制在一定比例。为了量化各种新技术，美军曾制定了技术成熟度标准界定一款技术所达到的成熟度是否可以达到实战化的水平，一般而言一种全新主战装备的主要子系统技术成熟度至少要达到8级。

然而，在福特级进行方案研制的时候，为了再度将航母技术拉开竞争者一个身位，总体和分系统采取了破天荒的“边建造边研发”的模式，不少分系统和子系统都是在设计时新研发的，设计建造和子系统研发甚至产生了一种“赛跑”的关系，这充分显示出当年美国人对自身科研能力的自信。

不过很快，美国人遇到了瓶颈。在福特级首舰建造到一半之时，电磁弹射器和电磁阻拦器等关键设备仍旧处于技术成熟度6级到7级的状态。虽然最后装上了航母，但电磁弹射器的能量转化效率不超过设计指标的60%。而且过程中浪费的能量转变为热能，给系统的冷却带来了麻烦。这套电磁弹射装置的充电时间低于设计指标，使用寿命远没有达到预计的上万次。

目前美军上下普遍认为，福特级虽然技术先进但近几年在战斗力上还无法超过业已成熟的尼米兹级。该级舰需要时间来解决众多子系统的成熟度和可靠性问题。好在“福特”号和二号舰“肯尼迪”号上仍然使用传统技术的主推进模块。这个决定在如今看来是正确的，因为即使像“朱姆沃尔特”级这样的平台，实现全舰电气化的实用性验证也需要时间。

从另一个角度看，“福特”号是海军电磁弹射器型号化的第一次尝试。它的历史价值与实用验证意义仍然是所有海军电磁技术后进者所向往的。