福建舰上的电磁弹射技术是什么？为什么能大幅提升航母战斗力？

2022年6月17日，中国第三艘航空母舰被正式命名为中国人民解放军海军福建舰，中国海军迈入3航母时代。

和辽宁舰与山东舰一样，福建舰依然是常规动力航母，不过，福建舰的满载排水量已经达到8万吨，超过了日本在二战时期建造的大和号战列舰，是有史以来亚洲最大战舰，也是当前在美国以外建造的最先进的航空母舰。

中国人民解放军海军福建舰

福建舰上有一个引人注目的地方，那就是它采用了电磁弹射技术。你知道电磁弹射是什么意思吗？它对于航母的作战能力有多大意义呢？今天，我们就来简单介绍一下这个问题。

注：由于许多技术细节是军事机密，并没有公开，所以本视频只是原理性的介绍，不保证与实际应用技术完全相同。

一、垂直/短距起飞

我们知道：飞机要想起飞，就需要具有足够的速度。在地面上跑道很长，但是航母上跑道长度有限。所以在二战时，航母舰载机一般都比较轻小，而且油量、挂弹量都不能太大。二战后，航母舰载机越来越大越来越重，已经没办法直接在航母上起飞了。于是，人们就想出了各种办法。比如：英国军队就开发出了垂直/短距起飞方式。

在战争中，如果跑道被敌人毁坏，飞机就无法起飞了。为了克服这个缺点，英国人发明了可以垂直起降的喷气式飞机，这种技术也用在了航母舰载机上。比如英国海军的无敌级航空母舰就是这样。

英国海军无敌级航空母舰

无敌级航母搭载了著名的鹞式战斗机，这是一款喷气式战斗机，但是喷口可以转向。如果需要垂直起飞，只需要把喷口调整到向下喷气就可以了。在空中，鹞式战斗机也可以调整喷口方向，喷口向后时，它就是一种普通喷气式战斗机；喷口向下时，它就可以悬停在空中；喷口向前时，它甚至还可以在空中后退。

鹞式战斗机起飞

鹞式战斗机的战斗力如何？有两个著名的故事：

1982年，英阿马岛战争时，亚音速的鹞式战斗机击败了阿根廷的超音速战斗机，击落敌机23架，自身毫发无伤，鹞式战斗机一战成名。

1983年，一架鹞式战斗机出现通讯故障，在空中迷路。眼看燃油即将耗尽，飞行员突然发现海面上有一艘西班牙货船。飞行员急中生智，利用鹞式战斗机能垂直起降的特点，在货船上安全降落。

鹞式战斗机降落在西班牙货船上

后来，英国政府花了57万英镑，才从愤怒的船长手中把鹞式战斗机赎回来。

飞行员和他的鹞式战斗机

但是，垂直起降的喷气式飞机有严重缺陷——事故率太高了。鹞式战斗机被引入美国后，事故频发，被称为“寡妇制造者“，苏联研制的雅克141垂直起降战斗机更是如此。主要是因为垂直起降飞机在地面上向下喷气时，很难预测湍流走向，极易出现事故。而且，它同样面临飞机重量的问题，限制了燃油和挂弹量。

那么，还有什么别的办法吗？

二、滑跃式起飞

飞机要在航母上起飞，就需要足够的速度。但是航母甲板长度不够，飞机没有达到速度就冲出甲板，有可能落入海中。人们设计了一种方案：让甲板末端翘起十多度，飞机冲出甲板时，速度斜上，这样给飞机额外提供一点滞空时间，让喷气式飞机达到足够的速度飞起来，这就是滑跃式起飞。

滑跃式起飞

滑跃式起飞结构简单，操作容易，世界上许多国家的航母都采用这种起飞方式，比如中国的辽宁舰、山东舰搭载的歼-15战斗机，就采用滑跃式起飞的方式。

辽宁舰

山东舰

然而，滑跃式起飞也有它的缺点：它只能用于推重比大的飞机，即推力强劲、自身重量又不大的飞机，比如战斗机。但是，对于个头大、动力不足的运输机、预警机，滑跃式起飞的方式就很困难。

以预警机为例。地球是球体，在海平面上，我们很难发现远处敌人的舰队和飞机。于是，人们发明了预警机——让飞机携带雷达，飞到空中寻找敌人。比如：下图就是美国的E2C空中预警机，它头上的圆盘就是雷达。

E2-C空中预警机

预警机重量大，动力没有战斗机强劲，没办法使用滑跃式起飞。但是预警机又特别重要，因为在海战中，尽早发现敌人是胜利的第一步。所以，中国的航空母舰上，配备的是预警直升机。比如下图是辽宁舰上的直-18J预警直升机。它下方的圆柱体就是雷达。

直-18J（辽宁舰）

预警机作为航母的眼睛，直接制约着整个航母战斗群的战斗力。我国的预警直升机在飞行速度、雷达能力上，和美国的大型预警机还有一定差距。

三、蒸汽弹射

那么，美国航母上是怎么起飞预警机的？他们还有一项技术：蒸汽弹射。

蒸汽弹射

航母飞机飞不起来，就是因为甲板不够长，飞机达不到足够速度。如果在飞机起飞时，像打弹弓一样把飞机弹出去，给飞机一个初速度，飞机不就能飞起来了吗？这就是弹射起飞的基本思路。

蒸气弹射的原理是这样的：在甲板下方有一个装满了高温高压蒸气的气缸，气缸连接了弹射轨道下方的气体管道，管道中有一个活塞。在弹射时，把飞机的起落架挂在活塞上，打开气缸阀门，让气缸中的高压气体推动活塞快速向前运动，活塞再拉动飞机起落架，让飞机迅速加速。

蒸汽弹射原理

现在，掌握这种技术的只有美国。美国前一代主力航母尼米兹级航母，每一艘都配备了4条蒸气弹射轨道。

尼米兹级核动力航母

在美国之外，法国海军的旗舰戴高乐号也有两条蒸汽弹射轨道，他们的技术也来源于美国。

法国戴高乐号航母

利用这种方式，在航母上就能起飞大型预警机了。可是这种技术并非完美无缺。首先，蒸汽弹射装置复杂，机械部件众多，故障率高。其次，蒸汽弹射占用了很大的舰船空间，而且每次弹射都要消耗成吨的淡水——这些淡水来源于航母淡化的海水。不能直接用海水的原因是：海水会让气缸中留下大量的盐分，气缸就坏掉了。

蒸气弹射还有一个严重的问题：弹射前，气缸需要24小时以上的预热时间，让气缸缓慢升温，这对于瞬息万变的战场，尤其是遭遇战是非常不利的。

四、电磁弹射技术

为了解决蒸汽弹射的问题，几十年前，美国人就开始研究新的弹射技术——电磁弹射技术。它与蒸汽弹射的目的相同——给飞机一个力，把飞机弹出去。只不过，它不使用蒸汽动力，而是用电磁作用。现在，世界上只有两个国家的海军装备了这种装置，那就是美国最新的福特级航母和中国的福建舰。

美国福特级航空母舰

中国福建舰

电磁弹射系统大体可以分为四个部分：控制系统、电子电力系统、储能系统和直线电机。

控制系统负责对整个流程进行调控，电子电力系统负责电能的发出和使用。在这方面，中国海军工程大学马伟明院士做出了很大突破。他提出了舰船综合电力系统的概念，把发电、推进、武器等系统的用电综合起来，统一调配。马伟明是我国国宝级专家，他有一句名言在网友中广为流传——

马伟明院士

储能系统是干嘛用的呢？我们可以想象：为了在一瞬间把飞机弹出去，需要很高的功率。无论是核动力航母，还是常规动力航母，发电的功率都不够。所以，在弹射之前，必须先利用电子电力系统把大量的电能储存在储能系统中，等到使用时，再把这些电能一起释放出来。打一个不太恰当的比方：在马桶上有一个储水箱，上完厕所按一下按钮，储水箱中一下子放出一箱水，才能把马桶冲干净。如果没有储水箱，直接从水管中放水，那是冲不掉的。

现在比较成熟的储能技术是飞轮储能。即在弹射前，利用电能把一个数吨重的飞轮旋转起来，让它每分钟达到数千转，电能就变成了飞轮中的动能，这个过程大约需要45秒，储存大约120MJ的能量。

飞轮储能

弹射时，利用飞轮的动能迅速发电，在2到3秒的时间内，产生数万千瓦的电功率，把飞机弹射出去。

飞轮放电

除了飞轮储能外，还有超级电容等储能方式。由于没有解密，我们也不清楚福建舰采用了哪种。

能量从储能系统释放出来后，来到了拉动飞机的直线电机。直线电机和我们通常使用的电机并没有本质区别，只不过平时的电机是旋转的：通电后转子在定子中旋转。直线电机相当于把旋转电机剖开，拉直。通电后，次级（相当于转子）会在初级（相当于定子）轨道上运动。

旋转电机和直线电机的类比

具体来讲，直线电机又可以分为几种形式。例如比较简单的导轨式直线电机，与电磁炮的原理相同：在导轨上放一个导电滑块，当导体通电时会产生磁场，磁场又能推动导电滑块运动。把滑块和飞机轮子相连，飞机就能被弹射出去了。

不过，这种方式相当于一个单匝电机，要想产生强大推力，需要很大的电流，有可能会把导轨烧坏。线圈式的直线电机应用更加普遍。通过给轨道上的线圈通电，就能让轨道变成电磁铁。如果滑块是一个磁铁，就会和轨道发生同性相斥、异性相吸；如果滑块是一个导电金属，就会和导轨发生电磁感应，从而具有磁性，也能发生同性相斥、异性相吸。控制系统控制通电的时间，就能让滑块在导轨上运动起来。

线圈式直线电机示意图

相比于蒸汽弹射，电磁弹射具有多方面的优势：

从弹射能量看，一次蒸气弹射释放能量大约95MJ，而电磁弹射是120MJ，电磁弹射高出大约1/4；而且，蒸汽弹射能量利用率只有6%，电磁弹射可以达到60%，是蒸汽弹射的十倍。

蒸气弹射系统复杂，事故率高，平均事故周期405周；电磁弹射结构简单，安全性好，平均事故周期1300周。

蒸气弹射无法直接控制弹射时的推力变化，根据气体状态方程，刚开始的时候弹射力度大，后来力度逐渐减小，加速度最大值和平均值之比超过200%。而电磁弹射可以实现人为控制和平稳加速，加速度波动在5%以内，更加安全，对驾驶员也更友好。

蒸气弹射之前要对气缸进行预热，时间超过24h，而电磁弹射准备时间只需要15分钟，这对于遭遇战尤为重要：早升空一架战机，可能就决定了战争的胜败。

而且，蒸汽弹射对飞机的重量有一定要求，太轻了的飞机用不了，而电磁弹射对200kg到35吨的飞机都能用，这就包含了无人机、战斗机、运输机，以及非常重要的空中预警机。

中国军事科学家跳过了蒸气弹射，直接实现了目前世界上最先进的电磁弹射技术，这是我国军事科技的辉煌成就。当然，无论从排水量、武器装备、舰载机还是动力系统，我国和美海军还存在很大差距。

也许不久的将来，我国也会拥有核动力航母，那么，你想给未来的核动力航母起什么名字呢？

来源：李永乐老师

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