終結于“福特”號航母的蒸汽彈射與電磁彈射之爭

楊王詩劍

“福特”號又遇上麻煩了！近日，特朗普在接受媒體采訪時，對海軍的電磁彈射器提出了強烈批評。他表示，“福特”號（題圖）上的電磁彈射系統(tǒng)問題重重，可能只有愛因斯坦這樣的天才才能解決，所以應該將其拆除，并換成“完完全全”的蒸汽彈射器。一個是成名已久的中堅，另一個是初嘗海味的新人，美國海軍引以為傲的創(chuàng)新并未換來新總統(tǒng)的點贊。不過，在堅持己見和落實指示之間，美國海軍依舊硬氣?；蛟S，持續(xù)數(shù)十年的“蒸電之爭”將由“福特”號劃上句號。

電磁彈射較蒸汽彈射的五個“更”

蒸汽彈射是通過高壓氣缸和控制系統(tǒng)將高溫蒸汽能量轉化為動能推動飛機起飛，而電磁彈射則是利用載流導線在磁場中受力，使磁通量在瞬間發(fā)生巨大的變化而產(chǎn)生的感應電磁斥力，將飛機彈射升空。工作原理上的根本差別，決定了電磁彈射技術較蒸汽彈射技術具有五大顯著優(yōu)勢。

結構更簡單由于需要制造、輸送和儲存大量高溫高壓蒸汽，蒸汽彈射系統(tǒng)包含無數(shù)管路、閥門，并且彈射汽缸必須整體安裝，造成結構非常復雜、體積異常龐大。目前美國海軍列裝的最新型蒸汽彈射器（C-13-2型）總重量超過500噸，體積約1 000立方米左右。相比之下，電磁彈射系統(tǒng)采用模塊化設計，直線電機可以分段安裝和拆卸，各部件之間使用電纜或無線網(wǎng)絡連接，總重量約225噸，體積只有425立方米左右，縮減超過50%。

結構簡化、體積縮減后的優(yōu)勢是顯而易見的。一方面，能夠為航母騰出大片空間，進一步增強了航母的容量。據(jù)美國海軍計算，電磁彈射器較蒸汽彈射器節(jié)約的空間，在合理的設計下，能夠多容納2～3架F/A-18E/F戰(zhàn)斗機。另一方面，維護難度和周期大幅下降。據(jù)媒體報道，一艘“尼米茲”級航母上與彈射系統(tǒng)運維相關的人數(shù)為500人，2次重大故障間的平均周期約405周；而在“福特”號航母上，這兩個數(shù)字分別為350和1 300。

冗余度更高蒸汽彈射器采用“串行”動力傳輸設計，即高溫高壓蒸汽通過數(shù)根首尾相接的管道導入蒸汽儲存裝置內(nèi)，這就造成了一旦傳輸管路任意一處損壞，那么整個彈射裝置都會“停擺”。相較而言，電磁彈射器采用的四能量鏈“并行”設計則要好得多。它由24個相對獨立的直流電機共同發(fā)電做功，如果其中1～2個損壞，只要戰(zhàn)機的裝載量不需滿功率起飛，則可以通過調(diào)高剩余電機的功率來彌補能量損失，待完成彈射任務后再進行檢修。更高的冗余度，不僅能夠有效提升戰(zhàn)機出動率、降低戰(zhàn)機彈射過程中的風險，而且在一定程度上能提高彈射器的生存能力。

能源效率更高由于高溫高壓蒸汽的產(chǎn)生和傳輸步驟繁多，因此能量損耗極大，從核反應堆輸出的能量大約只有6%能夠最終用在彈射上。而電磁彈射器采用直線電機方式，從核能到動能只經(jīng)過一個電能轉化存儲的步驟，因此功率損耗遠小于蒸汽彈射器，能量利用率能夠超過60%。換句話說，彈射同一架艦載機，蒸汽彈射器的輸出功率是電磁彈射器的10倍左右。

可控性更好蒸汽彈射器通過閥門控制注入汽缸的蒸汽，無法精確控制推力，在初始階段彈射力度非常大，最大過載可達6g，隨后快速衰減，尤其是到了彈射后期，往往還沒有飛機自身的發(fā)動機加速得快，整個彈射過程波動很大，但平均加速度只有2g多一點。美海軍艦載機飛行員常常調(diào)侃“蒸汽彈射器前面是推著飛機，后面則是飛機拖著彈射器走”。而電磁彈射器是通過調(diào)節(jié)電流控制彈射力度，因此運行過程精確可控，借助自動化控制程序，可以根據(jù)負載變化、飛機速度實時調(diào)整彈射力度，峰值過載從6g可以降低到3g。

彈射過程全程可控的好處是顯而易見的。一方面，由于沒有爆發(fā)性強力沖擊，不僅能避免艦載機結構受損，使戰(zhàn)機壽命延長約31%，而且對飛行員的身體承受能力也有很大程度改善。另一方面，由于彈射過程中的加速度基本穩(wěn)定，對彈射效率也有一定提升。根據(jù)計算，平均加速度一樣時，電磁彈射器可比蒸汽彈射讓飛機多載重至少8%甚至能15%，這對于“寸地寸金”的艦載機來說無疑意味著作戰(zhàn)能力方面的提升。

能量幅度更寬蒸汽彈射器的推力與彈射器長度和氣缸容量成正比，加速過程越長、瞬間釋放的蒸汽越多，那么彈射器的力度就更大。目前美國海軍裝備的C-13-2型蒸汽彈射器最大輸出能量95兆焦耳，已近極限，很難再有明顯提高，這相當于把艦載機的“背囊”大小給限定死了。同時，氣缸的容量又是一定的，因此，彈射器也有不小的推力下限。綜合來看，蒸汽彈射器對艦載機的重量有非常清晰的適用范圍，太大太重，彈不起來；太小太輕，一彈就碎，極大制約了艦載機的選配及性能。而電磁彈射器就不存在這樣的限制，其推力可從0調(diào)節(jié)到122兆焦耳，幅度更寬，這意味著拉低了艦載機的準入門檻，無論是小型無人機，還是重型戰(zhàn)機，都能找到適合自己的彈射點位。

蒸汽彈射與電磁彈射在成本上的比較

技術和資金是武器裝備發(fā)展永遠繞不過去的兩個坎，任何一款新裝備的產(chǎn)生，都是不斷平衡先進性和經(jīng)濟性的過程，特別是在裝備越來越貴，而國防預算又十分有限的情況下，成本更是成為了發(fā)展新技術新裝備的關鍵詞，即使是財大氣粗的美軍也無法持續(xù)用黃金去購買戰(zhàn)爭的勝利。從成本這個角度來看，電磁彈射技術較蒸汽彈射技術存在較為明顯的優(yōu)勢，但需要注意的是，理論上的優(yōu)勢。

建造成本美軍對彈射器的造價一直守口如瓶，但從美軍公布的一系列相關合同中我們能一窺究竟。

2015年6月，美國海軍授予通用原子公司7.37億美元，為“福特”級二號艦“肯尼迪”號（CVN-79）建造先進攔阻裝置和電磁彈射系統(tǒng)。當時，前航母項目執(zhí)行官、海軍海洋系統(tǒng)司令部指揮官摩爾表示：“大家都知道，我們在航母建造上因為先進攔阻裝置和電磁彈射系統(tǒng)造成了一些重大的成本超支，但是，在CVN-79上我們已經(jīng)控制住了成本?！闭f明電磁彈射系統(tǒng)的造價已經(jīng)下降，并且正在逐步進入正常區(qū)間。

2016年1月，海軍授予了通用原子公司“福特”級三號艦“企業(yè)”號（CVN-80）5.27億美元的電磁彈射系統(tǒng)合同?！案Ｌ亍奔壓侥干鲜褂玫碾姶艔椛淦鳎瑔蝺r大約是1.3億～1.4億美元。這與特朗普在接受采訪時提到的“數(shù)億美元”比較符合。

至于蒸汽彈射器，據(jù)報道，美國賣給法國海軍的兩部C-13型蒸汽彈射器單價約為1 200萬美元，當時捆綁銷售的E-2艦載預警機單價為2.5億美元?？紤]到美軍自用的E-2單價約為1.76億美元，按照這個比例計算，C-13型蒸汽彈射器的單價應在850萬美元左右，相當于電磁彈射器的1/15，難怪特朗普氣得直跺腳。

使用成本雖然造價高，但電磁彈射器在運行、維護上卻體現(xiàn)了巨大的成本優(yōu)勢。上文提到，蒸汽彈射器需要500人的運行維護團隊，這意味著每10名艦員中就有1個是專門用來服侍彈射器的。此外，蒸汽彈射器的U型密封條等零部件壽命非常短，需要經(jīng)常更換，無形中增加了運行成本。據(jù)美國媒體報道，單純的運轉、維護蒸汽彈射器的費用，就占到了整個航母全部設備維護資金的40%。

而電磁彈射器不僅節(jié)約了人工成本，而且理論上由于磨損較少，各零部件的壽命相對要長的多。美國海軍官員表示，使用電磁彈射器系統(tǒng)在未來航母的50年壽命周期當中可為海軍節(jié)約40億美元的維護資金。相比之下，多出了幾億美元造價真的不算什么。當然，這40億美元目前還停留在紙面上。

蒸汽彈射與電磁彈射對平臺需求的區(qū)別

無論是蒸汽彈射還是電磁彈射，都需要從別處攝取能量，以將其轉化為推動飛機起飛的動能。而對艦載機的高出動率要求，決定了航母必須提供足夠的能量供彈射器使用，因此，彈射器對平臺有著特殊的需求。

蒸汽彈射器需要充足的淡水用來轉化為高溫高壓的水蒸氣。公開資料顯示，蒸汽彈射器平均每次彈射要消耗近700千克淡水，需要專門的海水淡化裝置予以保障。

而電磁彈射器則需要充足的電力供應。以“福特”號航母裝備的電磁彈射器為例，每次全功率彈射耗能122兆焦，要求45秒內(nèi)完成充電，充電所需功率約2.7兆瓦。按照60%的系統(tǒng)效率，總功率大約為4.5兆瓦。假設4部彈射器全部工作，同時充電需要大約18兆瓦功率，幾乎占“福特”號A1B核反應堆總發(fā)電功率近20%，占“尼米茲”級采用的A4W反應堆總發(fā)電功率近60%。雖然這是假設中的最大功耗狀態(tài)，但考慮到航母上還有雷達、空調(diào)等耗電大戶，電磁彈射器對電力的需求已經(jīng)非常巨大。

實際上，早在1945年，美國海軍就利用線性電動機研制出早期的電磁彈射系統(tǒng)，并進行了試驗。有消息指出，當時曾經(jīng)成功把4噸重的飛機在200米的距離上加速到時速180千米。但由于當時電機技術和軍艦電力系統(tǒng)尚不成熟，該電磁彈射器的性能與當時的液壓彈射器以及后來的蒸汽彈射器還有較大距離，所以美海軍最終還是優(yōu)先選擇了蒸汽彈射器。

蒸汽彈射與電磁彈射在研制難度上的比較

不難發(fā)現(xiàn)，蒸汽彈射與電磁彈射之間并沒有必然的技術繼承性，從研發(fā)難度上講，兩者都不簡單。

眾所周知，蒸汽彈射器各個部件都要頻繁承受高溫高壓蒸汽的沖擊，如何保證各系統(tǒng)在這樣嚴酷的環(huán)境下穩(wěn)定工作是研制階段的最大難題。簡單來說，蒸汽彈射器的研制難度不在于原理，而在于對零部件較高的制造工藝上。這里面，又以C型開縫氣缸的密封問題難度最大。一方面，氣缸較長，需要非常精密的制造工藝才能生產(chǎn)出符合要求的密封條；另一方面，活塞運動時，活塞柄全程與密封條接觸，如果后者密封力過大，那么磨損就會非常嚴重，反之，則會導致蒸汽的大量泄漏，如何平衡這兩個問題是保證彈射器效率和安全的關鍵。

經(jīng)過半個多世紀發(fā)展，目前美軍使用的C-13-2型蒸汽彈射器已經(jīng)較為成熟，但仍有部分問題沒有解決，這也是美軍下定決心攻克電磁彈射的原因之一。不過，后者的難度有過之而無不及。

一是電能儲存技術。與蒸汽彈射一樣，電磁彈射也要將一次彈射所需的電能提前存儲起來，以保證彈射時能瞬間釋放足夠的功率。這就需要研制一種高密度的儲能裝置，不僅具備較快的充電效率，而且在超大電流反復充放的情況下，能夠保證足夠的使用壽命。最重要的是，必須滿足上艦的體積重量要求，想搬個巨大的電池組上艦是不可能的。對此，“福特”號上的電磁彈射器采用了慣性飛輪強迫儲能裝置解決這一難題。簡單來說，就是飛輪電池的“航母版”，即利用類似飛輪轉動時產(chǎn)生能量的原理來實現(xiàn)自身充放電（飛輪轉速上升時為儲能狀態(tài)，下降時為放電狀態(tài)），當然，無論是材料強度還是精密度都要求極高。

二是直線電機技術。直線電機是電磁彈射器的執(zhí)行部分，其基本結構相當于將旋轉電機的定子縱向剖開，展開成平面相對而立，并固定在直線方向上延長，而原來的轉子改稱為動子，被支撐起來穩(wěn)定保持在兩片定子之間。當定子通過三相交流電時，產(chǎn)生的是直線移動的磁場，動子就會順著定子延展的方向移動，從而拉動飛機加速?！案Ｌ亍碧柹系碾姶艔椛淦魉捎玫闹绷麟姍C，是由288個直線電機模塊構成定子，不僅對這288個模塊加工特別是與動子相對面的平整度要求微米級誤差，而且對動子精度要求更高。為此，所有模塊單元在安裝時也要求十分精準的定位。美軍要求動子與定子面的標準距離為0.3毫米，誤差不得超過0.1毫米。試想一下，100多米長的運動距離，全程左右擺動距離不能超過頭發(fā)絲的直徑，難度可想而知。此外，電磁彈射器還存在防止永磁電機消退磁、屏蔽磁場泄露等技術難點。

在武器裝備領域，優(yōu)勢永遠是與難度成正比的。

特朗普的小心思

蒸汽彈射和電磁彈射孰優(yōu)孰劣？其實，從美國海軍將合同授予通用原子公司的那一刻起，這個爭論許久的問題就已經(jīng)有了答案。作為總統(tǒng)的特朗普，不可能不明白這一點，但為何又“任性”了一次呢？

原因很簡單：施加壓力。近年來，圍繞“福特”級航母發(fā)展的一系列新裝備都面臨巨大的經(jīng)費超支和時間拖延問題。對此，如果是希拉里執(zhí)政，可能會從國家軍事戰(zhàn)略角度來認識這一問題，不會公開提出如此尖銳的批評。但商人出身的特朗普關注的是成本和效益，在沒有看到明顯效益之前，任何超支都是難以接受的。此前他就曾表示，將削減F-35C采購合同，同時增加F/A-18E/F最新升級版的采購數(shù)量，以此來迫使洛馬公司降價。從某種程度上講，這次對電磁彈射器的抨擊，實際上是又一次商業(yè)手腕的政治運用，即通過強硬的姿態(tài)壓迫對手，突破邊界來試探對方的底線，以達到自己的目的。

如今的“福特”號技術狀態(tài)已經(jīng)定型，要拆換彈射器無異于畫蛇添足，費力費時費錢，所以，這種抨擊也只是嚇唬嚇唬手底下的將領們，或者發(fā)發(fā)牢騷。可以肯定的是，“福特”號的最大技術亮點必然會保留。

是起點，也是終點

“福特”號是電磁彈射的起點，會是蒸汽彈射的終點嗎？答案是肯定的。且不提該級二號艦和三號艦的電磁彈射系統(tǒng)的建造合同已經(jīng)授出，電磁彈射的優(yōu)勢毋庸置疑，新航母也能提供足夠的能源予以支撐其高效運轉，無論從哪個角度觀察，喜新厭舊的美軍都不會倒退回蒸汽時代。美國眾議院軍事委員會官員曾表示，“電磁彈射器項目對于航母來講至關重要，如果電磁彈射器不能工作，那么國家就是投資數(shù)十億美元建造了一艘毫無用處的船?！睕r且，隨著首艦入役，電磁彈射器的使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)將開始快速積累，這有助于廠家對相關問題進行改進，進而有效提高進度和降低成本。

實質(zhì)上，電磁彈射是技術大背景下的必然選擇。如今，水面作戰(zhàn)艦艇全面電氣化已是大勢所趨，電磁彈射能夠更好地與平臺上的各類作戰(zhàn)保障系統(tǒng)對接，實現(xiàn)全艦的能量統(tǒng)一調(diào)配，有利于提高艦艇能源使用效率。如果說“福特”號上僅存的電氣化缺口——鍋爐，還能給特朗普或者保守派提供“復辟”蒸汽彈射的幻想，那么，未來實現(xiàn)全電推進后，電磁彈射必將徹底斷絕蒸汽彈射的前途。

需要指出的是，技術發(fā)展的基本規(guī)律就是曲折向前。在和平時期，武器裝備很難有機會得到實戰(zhàn)檢驗，因此，對于耗資巨大、進度緩慢的新軍事技術，很容易產(chǎn)生強烈的質(zhì)疑。但也應認識到，無論是基于舊技術的升級，還是基于科學理論的新發(fā)現(xiàn)，新技術都有著堅實的發(fā)展基礎，客觀上都具有提升現(xiàn)有能力的前景，所以，在現(xiàn)實條件允許的情況下，對于發(fā)展新裝備新技術，態(tài)度必須要堅決。

往大了說，國防建設不是經(jīng)濟建設，投資效益或許很長時間都不會顯現(xiàn)，不能因為看不到眼前的好處就放棄對國家安全的維護，否則，一旦戰(zhàn)火降臨，所有自豪與驕傲都將化為塵土。

對彈射起飛方式的重新審視

電磁彈射器相對于蒸汽彈射器的優(yōu)勢，并沒有消除彈射起飛方式固有的缺陷，例如，對航母空間的搶占、必要的運維人員、對能量的巨大需求等。這些都對航母本身的設計建造起到了負面影響。

從歷史上看，無論是提高艦載機出動率的初衷，還是噴氣式艦載機的出現(xiàn)，彈射器存在的根本原因都是航空技術無法滿足航母的作戰(zhàn)需求。而其中最突出的，就是當前的航空發(fā)動機性能無法滿足艦載機的全負荷起飛要求。因此，決定艦載機起飛方式的根本因素，并非起飛技術的優(yōu)劣，而是航空技術特別是航空動力技術的發(fā)展。從這個角度來講，關于蒸汽彈射還是電磁彈射的糾結，不過是技術發(fā)展過程中的一個節(jié)點而已，這種糾結必然會隨著航空動力理論或技術的發(fā)展而慢慢消散。

關于中國下一艘航母起飛方式的探討

說到航母，就不能不提中國。最近，首艘國產(chǎn)航母順利下水，大家在為祖國點贊的同時，也在關心下一艘國產(chǎn)航母是否會將彈射器搬上大甲板。畢竟，美國海軍航母編隊實在太令人震撼，“美國標準”似乎已經(jīng)成為了先進航母的標準。不過，最貴的不一定是最好的！發(fā)展武器裝備還是要根據(jù)實際情況，量身定做。為此，我們簡要分析下第二艘國產(chǎn)航母可能采用的艦載機起飛方式。

如果延續(xù)滑躍起飛方式，無論是艦體設計還是艦載機設計，技術都非常成熟，能夠以最短的時間快速形成戰(zhàn)斗力，從而與現(xiàn)有兩艘航母一起，形成覆蓋周邊海洋的強大作戰(zhàn)體系。

但滑躍起飛對于艦載機品種、載重和出動率的限制卻是不可回避的問題，特別是對航母編隊偵察預警體系至關重要的固定翼預警機無法上艦。因此，采用滑躍起飛將極大制約航母編隊作戰(zhàn)的能力范圍和?？章?lián)合作戰(zhàn)效能。按美國和法國計算，同樣噸位的航母，采用彈射起飛方式和滑躍起飛方式，作戰(zhàn)能力比大概是3：1到4：1之間。雖只是理論計算，但卻不無道理。如果采用彈射起飛方式，那么蒸汽彈射器的可能性更大。盡管蒸汽和電磁彈射技術我國都在研究，并且目前來看，似乎電磁彈射在研制和試驗進度上還有一定優(yōu)勢，但不可忽視的是，航母設計建造是一個系統(tǒng)工程，最基本的要求就是動力輸出與負載相匹配。電磁彈射需要動力系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)提供足夠的電力，而我國大型艦船的動力系統(tǒng)對此還存在一定的困難。

另一方面，據(jù)悉，我國已經(jīng)研制蒸汽彈射器20余年，此前也曾獲得國外蒸汽彈射器可供參考，無論從研制還是使用角度，相對電磁彈射都要成熟不少。對于中國這個航母俱樂部的新人來說，技術上不必追求一步到位，畢竟連半個多世紀以來都在用航母的美國人，也被電磁彈射回收技術卡住了脖子。因此，在周邊局勢惡化、海外利益亟需維護的戰(zhàn)略背景下，積極穩(wěn)妥地推進航母建設并盡快形成戰(zhàn)斗力，才是當務之急。