據(jù)新華社報(bào)道，2025 年 11 月 5 日福建艦入列，作為全球首艘采用常規(guī)動(dòng)力電磁彈射技術(shù)的航空母艦，福建艦的技術(shù)突破標(biāo)志著中國(guó)航母躋身世界前列。那么電磁彈射到底是什么，與蒸汽彈射相比，又有什么不同呢？今天我們就來(lái)說(shuō)一說(shuō)。

殲-15T艦載戰(zhàn)斗機(jī)在福建艦上電磁彈射起飛，起飛助理做出放飛手勢(shì)（資料照片）新華社發(fā)（李唐 攝）

電磁彈射和電磁炮竟是“親戚”？

其實(shí)電磁彈射，某種程度上說(shuō)，有一點(diǎn)像另一種形式的“電磁炮”，都采用直線電機(jī)，只不過(guò)前者用來(lái)彈射飛機(jī)，后者用來(lái)發(fā)射彈丸。

電磁炮發(fā)射的彈丸一般幾克到幾百克，最大也不過(guò)上千克，根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)，其彈丸最快速度可達(dá)每秒數(shù)千米。而電磁彈射器的速度就要低得多，每秒幾十米到幾百米就可以滿足要求，應(yīng)用范圍是大載荷的短程加速，典型應(yīng)用就是對(duì)航空母艦上艦載機(jī)的彈射起飛。而火箭電磁發(fā)射裝置也與航母電磁彈射器原理接近，同樣具備加速平穩(wěn)、沖擊力小等一系列優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹謱拸V。

航母上的電磁彈射器主要由儲(chǔ)能系統(tǒng)、彈射直線電機(jī)、電力電子變換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分組成，其中彈射直線電機(jī)是核心，通過(guò)控制輸往彈射直線電機(jī)的電流大小，產(chǎn)生相應(yīng)的推力，將艦載機(jī)在短距離內(nèi)加速至起飛速度。電磁炮所發(fā)射的彈丸通常都是在發(fā)射管內(nèi)，而電磁彈射器彈射的飛機(jī)則是“騎”在驅(qū)動(dòng)器上彈射的。

飛機(jī)為什么要用彈射器起飛？

世界上最早的彈射器是由美國(guó)西奧多·埃利森海軍上尉于 1911 年研制成功的。這種彈射器由三條繩索和一塊砝碼組成，但由于設(shè)計(jì)太過(guò)原始，幾乎沒(méi)起到什么作用。后來(lái)，埃利森又研制成功了壓縮空氣式彈射器，于 1912 年 11 月 12 日進(jìn)行了人類史上第一次彈射起飛。

不過(guò)，它的發(fā)明并沒(méi)有引起多少關(guān)注。因?yàn)槟菚r(shí)候的飛機(jī)重量很輕，速度也低，不需要彈射也可從飛行甲板上起飛。這種較輕較慢的艦載機(jī)對(duì)航母的要求也不高，就算在貨船上鋪上木質(zhì)跑道也能飛，這也是以前為什么航母建造速度很快的原因。

后來(lái)隨著噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的出現(xiàn)，飛機(jī)變得更重了，就需要更長(zhǎng)的助跑距離才能達(dá)到起飛速度。彈射器才變得日漸重要起來(lái)。而第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)，航空母艦上所裝備的彈射器都是液壓的，彈射能量極小，根本無(wú)法滿足噴氣式飛機(jī)的需求，可航母的長(zhǎng)度都是有限的，就限制了跑道的長(zhǎng)度。

為達(dá)到縮短起飛距離的要求，這時(shí)候就出現(xiàn)了滑躍甲板的設(shè)計(jì)理念，讓航母的甲板盡頭翹起來(lái)一塊，利用這樣的一個(gè)坡度給飛機(jī)提供一個(gè)向上的升力，像遼寧艦、山東艦和印度的兩艘，還有英國(guó)的兩艘都是這樣，這些航母都源自于第二次世界大戰(zhàn)期間英國(guó)皇家海軍的設(shè)計(jì)。旨在通過(guò)傾斜起飛平臺(tái)幫助重型艦載機(jī)在短距離內(nèi)獲得升力，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維護(hù)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

那么如果是更重的飛機(jī)，例如固定翼預(yù)警機(jī)，滑躍甲板也就無(wú)法滿足起飛需求了。同時(shí)艦載戰(zhàn)斗機(jī)滑躍起飛會(huì)消耗更多動(dòng)能，導(dǎo)致燃油和掛彈量受限，無(wú)法滿油滿彈起飛，制空時(shí)間和戰(zhàn)力都受到了極大的限制，這時(shí)候蒸汽彈射起飛的方式又得到了極大的重視。

蒸汽彈射器如何工作？

彈射飛機(jī)起飛的時(shí)候，你會(huì)看到跑道上的彈射軌道會(huì)冒出一股煙氣，那就是蒸汽彈射了。燒水就會(huì)產(chǎn)生蒸汽，鍋爐是提供蒸汽的設(shè)備，也等于是一個(gè)儲(chǔ)能裝置。蒸汽彈射器是以高壓蒸汽推動(dòng)活塞，進(jìn)而帶動(dòng)彈射軌道上的滑塊，把鏈接其上的艦載機(jī)在 45 米距離內(nèi)加速至 250 千米/小時(shí)以上投射出去。這給了飛機(jī)一個(gè)推力，像彈弓一樣將飛機(jī)發(fā)射出去，這種方式不僅縮短了助跑距離，同時(shí)艦載機(jī)也可以滿油滿彈起飛，大幅提升了留空時(shí)間和戰(zhàn)術(shù)靈活性。

蒸汽彈射器只有一個(gè)彈射活塞是運(yùn)動(dòng)部件，而艦載機(jī)的重量，彈射時(shí)的蒸汽壓力，航母的航速、風(fēng)向等都是事先確定的。決定可靠性的關(guān)鍵時(shí)刻就是彈射開(kāi)始后的 1 秒多時(shí)間內(nèi)，在這樣短的時(shí)間內(nèi)，彈射活塞出問(wèn)題的概率是非常低的。那么蒸汽彈射艦載機(jī)起飛就幾乎相當(dāng)于一個(gè)可控的過(guò)程，它的安全性甚至要比從陸地上起飛還要高一些。

不過(guò)，蒸汽彈射對(duì)淡水有很高的依賴度， 單次彈射大約要消耗近 1 噸淡水（蒸汽）。而產(chǎn)生蒸汽的是航母上的高壓鍋爐，高鹽、高硬度的海水又根本不能進(jìn)入鍋爐，因此海水淡化設(shè)備也成為關(guān)鍵組件。而且，蒸汽彈射器包含大量的系統(tǒng)和分系統(tǒng)，比如蒸汽包、液壓泵、水力剎車(chē)、蓄壓器等等，維護(hù)起來(lái)非常繁瑣。

電磁彈射，又穩(wěn)又快

面對(duì)現(xiàn)代海戰(zhàn)裝備的加速發(fā)展，蒸汽彈射的缺陷也是已經(jīng)越發(fā)凸顯。特別是無(wú)人機(jī)由于重量太輕所需的力量太低，而且輕型無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很難承受蒸汽彈射器工作時(shí)的瞬時(shí)沖擊力，難以安全起飛。

據(jù)估計(jì)，典型蒸汽彈射器的峰平加速比為 1.15~1.2（注：指最大加速度與平均加速度之比，這個(gè)數(shù)字越接近 1 ，表明加速過(guò)程越平滑可控），但有些情況下實(shí)際記錄的值已經(jīng)在 2.0 以上。這導(dǎo)致蒸汽彈射器在相同的設(shè)定條件下，兩次不同的彈射的末速度變異范圍，可能達(dá)到 5~7 節(jié)之多，這都是因?yàn)槿鄙傧耠姶艔椛淠菢拥姆答伜烷]環(huán)控制系統(tǒng)。

此外，蒸汽彈射的啟動(dòng)段雖然爆發(fā)力很強(qiáng)，但隨著活塞運(yùn)動(dòng)的速度和氣缸容積的增加，到了彈射沖程的末端，彈射器的峰值過(guò)載會(huì)迅速衰減，有時(shí)候又會(huì)表現(xiàn)出推力不足。而電磁彈射 的峰平加速比，都要求保持在低于或等于 1.05 的范圍，而末速度變異范圍則限制在 0~3 節(jié)。

此外，電磁彈射的原理決定了它“熱身”更快。由于電磁彈射是利用電能轉(zhuǎn)化為電磁能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能把飛機(jī)彈出去。其中，彈射導(dǎo)軌就是 100 多米長(zhǎng)的直線電動(dòng)機(jī)，軌道旁是一組一組的電磁鐵，每一組都由電腦單獨(dú)控制。給第一組通電后，磁力會(huì)把滑塊吸過(guò)來(lái)，然后要精準(zhǔn)控制它斷電，不然會(huì)被吸回去。接著第二組通電，之后也要精準(zhǔn)控制它斷電，重復(fù)以上的操作就可以把戰(zhàn)機(jī)推出去。

電磁彈射器的制動(dòng)和復(fù)位, 只要通上電就能工作，在完全關(guān)閉的冷態(tài)條件下 15 分鐘內(nèi)就能達(dá)到使用狀態(tài)，也就是說(shuō)電磁彈射具備很高的冷啟動(dòng)效率。而蒸汽彈射則需要始終保持待機(jī)狀態(tài)，要求鍋爐必須始終能夠提供足夠的蒸汽，戰(zhàn)備值班時(shí)，還需要不斷給彈射槽預(yù)熱。而電磁彈射只要保持通電，就可以做到全天候隨時(shí)待命了。此外，比起蒸汽彈射系統(tǒng)，電磁彈射系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上也要簡(jiǎn)單得多，因此電磁彈射系統(tǒng)更便于維護(hù)。

由此可見(jiàn)，電磁彈射器不僅突破了目前蒸汽彈射器彈射性能的極限，也有效拓寬了下一代航空母艦?zāi)軌驈椛涞呐炤d機(jī)噸位及型普范圍，這就為未來(lái)更多的各種功能和類型的航空器提供了上艦彈射的可能。

來(lái)源：科普中國(guó)

編輯：韶音

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)

如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原公眾號(hào)