电磁弹射不复杂，初中物理能说清

□文/南京市玄武高级中学 张军

6 月17 日，是个不平凡的日子。

2022 年6 月17 日，我国完全自主设计制造的第三艘航母福建舰举行了下水仪式。而此前的1967 年6 月17 日，中国第一颗氢弹爆炸成功；2021 年6 月17 日，神舟十二号载人飞船发射圆满成功。这些都是意义非凡的标志性事件。

新闻报道称，福建舰采用平直通长飞行甲板，配置电磁弹射和阻拦装置，满载排水量8万余吨。那么，电磁弹射是怎么回事呢？今天，我们就用初中物理的相关知识分析一下。

图1 供图/人民视觉

航空母舰是干什么用的

航空母舰比普通的水面舰艇要大很多，能供多架飞机停放、起飞和降落。航母吨位越大，可携带的飞机就越多。之所以叫“母舰”，大抵有两个原因：一是飞机从舰艇飞出去执行任务，就像蜜蜂出去采蜜，忙完了还得再飞回来，舰艇就是“蜂巢”；二是航母出动时，还有一大帮提供保护和供给的船只前呼后拥，航母处于核心地位，就像是一群“小鸡”当中的“母鸡”。我们可以把航母理解为一个移动的飞机场，能在远离本土的海上执行远程打击、掩护、反潜、护航等多种任务，是一个国家“拳头硬不硬”的象征（图1）。

舰载战斗机有需要使用跑道的固定翼飞机和垂直起降飞机两种。垂直起降的战斗机反应迅速，可以不占用跑道，但是费油（起飞时耗油量惊人）、费钱（维护成本高）、费劲（对驾驶技术要求高，载弹量少，航程短）。为优化作战性能，垂直起降战斗机一般都采取短距离滑跑助飞。

固定翼飞机的升力主要来自机翼。迎面而来的气流接触飞机翅膀时分流，机翼上表面的空气流速更大，导致气压减小；机翼下表面空气流速相对小一些，导致气压比上表面气压大。向上与向下的压力差提供了飞机的“升力”。这就是伯努利原理的推论，流体的流速越大，压强越小，前面几期我们聊过相关话题。飞机与空气之间必须有一定的相对速度，升力才足以让飞机离开地面。假如空气静止，单靠飞机飞行来增大相对速度，跑道的长度就要非常长，所以飞机都是逆风起飞的，这样可以减少起飞前的加速距离。因此，送亲友乘坐客机时，不要祝他“一路顺风”。“顺风”会减小飞机与空气间的相对速度，有可能导致飞机失速，从空中掉下来。

我们可以通过简单的小实验，来感受一下空气相对流速对升力的影响。将卡纸裁成长条，模拟飞机机翼，折叠成上凸形状，放在手指头、小木杆或者铅笔尖上，让其平衡，找到重心所在的竖直线。沿这条竖直线在上、下两个纸面打孔，让一小截吸管刚好卡在孔里（图2）。将竹签穿过吸管，对着“机翼”吹气，你会发现，气流速度较小时，“机翼”不会上升；只有气流速度达到一定程度，“机翼”才会上升。继续增大吹气力度，“机翼”甚至会从竹签上飞走（图3）。可以改变吹气的力度、角度，探究一下这对升力有何影响。也可以多做几个上表面凸起程度不同的“机翼”，感受一下形状对升力的影响。

图2

图3

实际上，不同类型的飞机机翼截面形状是不同的，要看想获得怎样的实际效果。大载重的轰炸机翼型相对厚些，通用飞机翼型则相对较薄。翼型与机型设计是航空航天领域的重大课题。

飞机要达到起飞速度，必须有一个加速距离。在陆地上，我们可以把跑道修建得足够长。航母上不可能配置很长的跑道，如何让飞机达到起飞速度呢？

滑跃式起飞与蒸汽弹射

垂直起降的飞机我们就不谈了，单独聊聊需要跑道的飞机。

早期的螺旋桨飞机质量较小，起飞速度不是很大，航母甲板上的平直跑道就能满足要求。后来，喷气式飞机成了主流战机，装载的武器多，起飞的质量大，要求的起飞速度也随之增大，航母原有的跑道长度就不够了。

航母正常情况下是逆风行驶的，这样可以增大飞机与空气之间的相对速度，缩短起飞前的“助跑”距离。为了让跑道更长，人们把航母甲板做得更大，超过舰体之外，成了“外飘”甲板。后来人们又想了一招，把舰首做成上翘的样子，让飞机沿着斜坡冲出甲板，形成抛物运动。这样一来，战机在离开舰首的瞬间可以离海平面更高，赢得的滞空时间用来继续提速，从而达到起飞速度（图4）。辽宁舰和山东舰采用的就是这种方式。但是，滑跃式起飞费油，轻量级飞机起飞没问题，重型战机就不适合了。研究人员就萌发了弹射起飞的思路。

图4

图5

最先尝试的是蒸汽弹射。它与早期的蒸汽火车原理类似，简单点说，就是烧一锅水，将高温、高压的水蒸气瞬间释放，快速推动弹射器，带着飞机高速前行，几秒内就可以达到起飞速度。由于技术过于复杂，这种起飞方式主要是美国在使用（图5）。

蒸汽弹射的弊端也很明显，费空间（锅炉、管线装置、弹射器、海水淡化装置都特别占地方）、费水（要消耗大量蒸汽，且蒸汽仅有百分之几被利用）、费钱（建造和维护成本双高）、费机（弹射力度太大，又不能调节，强度低的飞机会被“撕”碎）、费人（突然加速让飞行员的体验很糟糕）。

无论是何种方式弹射，都是能量之间的转化。橡皮筋弹弓打出弹丸，是弹性势能向动能和重力势能的转化；蒸汽弹射，是燃料的化学能向机械能的转化。那么，能把电能转化为飞机的机械能吗？研究人员把目光投向了电磁弹射。

电磁弹射的基本原理

电磁弹射，简单点说，就是通过磁场给通电导体施力，将电能转化为机械能，带动弹射器，将飞机发射出去。我们可以在实验室演示其原理。

将两根金属导轨分别接到直流电源的正负极，两节干电池串联作为电源即可，三节串联效果更好。将一小截铜棒或铝棒放到强磁铁上方的支架上，金属棒下方放上几粒钕铁硼强磁铁提供磁场。当开关闭合，将有电流从金属棒通过，金属棒就会向左或向右运动——金属导体在磁场中受到了力的作用（图6）。

电流越大，磁场越强，通电导体受到的力就越大。受力方向与磁场方向和电流方面有关，可以用左手定则来判断：让磁感线穿过掌心，四指指向电流方向，大拇指所指的方向就是导体受力的方向。

实际上，通电直导线周围也有磁场，磁场方向可以用安培定则判定。伸开右手，让大拇指与四指垂直，大拇指对着电流方向，四指环绕的方向就是磁场方向。也就是说，通电直导线周围获得的是环形磁场。安培定则还有第二条，用来判定通电螺线管周围的磁场。通电螺线管周围的磁场与条形磁体相似，右手握住通电螺线管，四指弯向环绕电流的方向，那么大拇指所指的那一端就是通电螺线管的N 极。上面的实验中，直导线周围的磁场与下面钕铁硼磁铁的磁场相互排斥，导致直导线受力运动。如果是通电线圈处于磁场中，则会因受力不平衡发生转动，这就是直流电动机的工作原理。

图6

在航母上，那两根金属导轨就相当于发射轨道，而那根金属棒就相当于弹射器的滑块。

原理简单明了，但是建造所需的技术难度极高。比如，电磁弹射器在工作时，需要在瞬间释放巨大的电能，蓄电池是做不到的，必须有储能大、放电快的综合电力系统；电流通过导体时会发热，巨大的电流有可能烧毁系统；要把几十吨的飞机加速到每秒几十米到几百米，还有很多电学之外的问题需要解决。美国从1982 年启动研究，到2004 年成品测试，花了22 年时间；由测试到在福特级核动力航母上装配，又用了十几年。直到今天，电磁弹射技术也只有美国和中国掌握。

（图7）

和蒸汽弹射相比，电磁弹射优势甚多，省空间（体积小）、省钱（运行与维护成本低）、省人（操作人数比蒸汽弹射减少近1/3）、省心（弹射力度大小可调，能弹射各种机型）。

毫无疑问，电磁弹射会成为未来航母的最佳选择，但作为全新技术，使用中发现不足之处也在意料之中，这就需要在使用中不断加以改进了。

目前，福建舰正在进行舾装，相信不久的将来就能列装海军（图7）。