（福建舰舰载机，图源：CCTV）

三航母时代正式到来！ 福建舰正式入列，电磁弹射舰载机引爆热点。这个技术到底有多难？ 只有我国成熟掌握。

其实电磁弹射就是另一种形式的电磁炮，都采用直线电机，只不过前者用来弹射飞机，后者用来发射弹丸。电磁炮发射的弹丸一般几克到几百克，最大也不过上千克。发射速度可达每秒数千米，理论上甚至可以达到每秒上百千米，而电磁弹射器的速度就要低得多，每秒几十米到几百米就可以满足要求，应用范围是大载荷的短程加速，典型应用就是对航空母舰上舰载机的弹射起飞，同样火箭电磁发射装置也与航母电磁弹射器原理接近，同样具备加速平稳，冲击力小等一系列优点，未来的应用领域将十分宽广。

航母上的电磁弹射器主要由储能系统、弹射直线电机、电力电子变换系统和控制系统四部分组成，其中弹射直线电机是核心，通过控制输往弹射直线电机的电流大小，产生相应的推力，将舰载机在短距离内加速至起飞速度。电磁炮所发射的弹丸通常都是在发射管内，而电磁弹射器弹射的飞机则是“骑”在驱动器上弹射的。

世界上最早的弹射器是由美国西奥多·埃利森海军上尉于1911年研制成功的。这种弹射器由三条绳索和一块法码组成，但由于设计太过原始，几乎没起到什么作用。后来，埃利森又研制成功了压缩空气式弹射器，于1912年11月12日进行了人类史上第一次弹射起飞。不过，它的发明并没有引起多少关注。因为那时候的飞机重量很轻，速度也低，不需要弹射也可从飞行甲板上起飞。这种较轻较慢的舰载机对航母的要求也不高，就算在货船上铺上木质跑道也能飞，这也是以前为什么航母建造速度很快的原因。

后来随着喷气式战斗机的出现，飞机变得更重了，就需要更长的助跑距离才能达到起飞速度。弹射器才变得日渐重要起来。而第二次世界大战结束时，航空母舰上所装备的弹射器都是液压的，弹射能量极小，根本无法满足喷气式飞机的需求，可航母的长度都是有限的，就限制了跑道的长度。

那怎么办呢？

为达到缩短起飞距离的要求，这时候就出现了滑跃甲板的设计理念，让航母的甲板尽头翘起来一块，利用这样的一个坡度给飞机提供一个向上的升力，像辽宁舰山东舰和印度的两艘，还有英国的两艘都是这样，这些航母都源自于第二次世界大战期间英国皇家海军的设计。旨在通过倾斜起飞平台帮助重型舰载机在短距离内获得升力同时具有结构简单，容易维护、成本低廉等优点。

那么如果是更重的飞机，例如固定翼预警机，滑跃甲板也就无法满足起飞需求了。同时舰载战斗机滑跃起飞会消耗更多动能，导致燃油和挂弹量受限，无法满油满弹起飞，制空时间和战力都受到了极大的限制！这时候蒸汽弹射起飞的方式又得到了极大的重视。

弹射飞机起飞的时候，你会看到跑道上的弹射轨道会冒出一股烟汽，那就是蒸汽弹射了。如果把飞机换成一辆数吨重的测试用小红车，可以将它抛到2.4公里以外的海面，可见其推力之大。

烧水就会产生蒸汽，锅炉是提供蒸汽的设备也等于是一个储能装置。蒸汽弹射器是以高压蒸汽推动活塞，进而带动弹射轨道上的滑块，把链接其上的舰载机在45米距离内加速至250公里/小时以上投射出去，它可以给飞机一个推力，像弹弓一样给飞机射出去，这种方式不仅缩短了助跑距离，同时舰载机也可以满油满弹起飞，大幅提升了留空时间和战术灵活性。

（蒸汽弹射原理，图源：网络）

蒸汽弹射器只有一个弹射活塞是运动部件，而舰载机的重量，弹射时的蒸汽压力，航母的航速、风向等都是事先确定的。决定可靠性的关键时刻就是弹射开始后的1秒多时间内，在这样短的时间内，弹射活塞出问题的概率是非常低的。那么蒸汽弹射舰载机起飞就几乎相当于一个可控的过程，它的安全性甚至要比从陆地上起飞还要高一些。

但当时的苏联尝试过后为什么放弃了蒸汽弹射，转而采用短板较为明显的滑越起飞方式了呢？

那是因为蒸汽就是水啊，在寒冷的环境中就会冷凝成冰，甲板结冰是很危险的事情，处理不好会出大问题，其领土又多位于高纬度地区，临近海域属于较冷的海洋气候，北部海域甚至直接靠近北极，极寒气候下弹射轨道结冰几乎无可避免。那么蒸汽弹射对于俄罗斯来说就会非常的不实用。

并且蒸汽弹射对淡水有很高的依赖度，单次弹射大约要消耗1吨的淡水。而产生蒸汽的是航母上的高压锅炉，高盐、高硬度的海水又根本不能进入锅炉，因此海水淡化设备也成为关键组件。面对现代海战装备的加速发展，蒸汽弹射的缺陷也是已经越发凸显。特别是无人机由于重量太轻所需的力量太低，蒸汽弹射器力量过大，无法弹射。

蒸汽在释放的时候会猛地一下冲击活塞，轻型无人机的结构强度很难承受这样的冲击。

这个画面中飞机就像坠海了一样，能明显感觉到蒸汽弹射对它施加的推力不够充分，又是什么原因呢？

（蒸汽弹射F35战斗机，图源：网络）

这就不得不提到一个现象，目前的蒸汽弹射器有一个变异很大的峰平加速比。典型蒸汽弹射器的峰平加速比为1.15~1.2，但有些情况下实际记录的值已经在2.0以上。所以当前美海军航空母舰上的蒸汽弹射器在相同的设定条件下，两次不同的弹射的末速度变异范围达到了5~7节之多，这都是因为缺少像电磁弹射那样的反馈和闭环控制系统。此外蒸汽弹射的启动段虽然爆发力很强，但随着活塞运动的速度和气缸容积的增加，到了弹射冲程的末端，弹射器的峰值过载会迅速衰减，有时候就会表现出推力不足。

咱们再看我们的空警600舰载预警机在电磁弹射起飞的时候，还没到跑道尽头就已经飞起来了！不管在任何一次弹射，电磁弹射的峰平加速比，都要求保持在低于或等于1.05的范围；而末速度变异范围则限制在0~3节，这还仅仅只是福建舰电磁弹射器对外公布的设计要求。

由于电磁弹射是利用电能转化为电磁能，进而转化为机械能把飞机弹出去。其中，弹射导轨就是100多米长的直线电动机，轨道旁是一组一组的电磁铁，每一组都由电脑单独控制。给第一组通电后，磁力会把滑块吸过来，然后要精准控制它断电，不然会被吸回去。接着第二组通电，之后也要精准控制它断电，重复以上的操作就可以把战机推出去。

制动和复位, 只要通上电就能工作，在完全关闭的冷态条件下15分钟内就能达到使用状态，也就是说电磁弹射具备很高的冷启动效率。而蒸汽弹射则需要始终保持待机状态，要求锅炉必须始终能够提供足够的蒸汽，战备值班时，还需要不断给弹射槽预热。而电磁弹射只要保持通电，就可以做到全天候随时待命了。

此外咱们的电磁弹射系统在结构上也要简单的多，不像蒸汽弹射器包含大量的系统和分系统，比如蒸汽包、液压泵、水力刹车、蓄压器等等，对比之下就知道两者维护的复杂程度了。

由此可见电磁弹射器不仅突破了目前蒸汽弹射器弹射性能的极限，也有效拓宽了下一代航空母舰能够弹射的舰载机吨位及型普范围，这就为未来更多的各种功能和类型的航空器提供了上舰弹射的可能。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者 | 房广林 科普大V

审核 | 苟秉宸 西北工业大学机电学院教授

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 科普中国创作培育计划

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