電磁炮的同門兄弟

雪鸮

在軍用電磁發(fā)射技術(shù)中，受人關(guān)注的不但有電磁炮，也有近十幾年來(lái)發(fā)展迅速的電磁彈射技術(shù)。開(kāi)發(fā)電磁彈射器需要非常深厚的技術(shù)儲(chǔ)備，而真正能在該技術(shù)上有所突破的，也恰好是在艦載電磁炮領(lǐng)域領(lǐng)先的美國(guó)。

為什么要搞電磁彈射器

作為使用航空母艦經(jīng)驗(yàn)最豐富的國(guó)家，美國(guó)很早就意識(shí)到了彈射器對(duì)于艦載機(jī)戰(zhàn)斗力巨大的增幅作用。有了強(qiáng)力的彈射器，艦載機(jī)就可以以更短的起飛距離、更大的載荷起飛并進(jìn)行作戰(zhàn)。美國(guó)長(zhǎng)期在常規(guī)動(dòng)力和核動(dòng)力航母上普遍采用蒸汽彈射器，因此對(duì)蒸汽彈射器不足也有最深刻的認(rèn)識(shí)。

蒸汽彈射器可以把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化成的機(jī)械能使用。蒸汽集中在壓縮氣缸內(nèi)，彈射滑塊連接在氣缸上，隨著膨脹過(guò)程開(kāi)始，飛機(jī)迅速加速，最終彈射出去。根據(jù)設(shè)計(jì)原理的限制，蒸汽彈射基本相當(dāng)于一個(gè)在理想狀態(tài)下的等溫膨脹過(guò)程，前期加速度過(guò)高，越到后期越低，并不是一個(gè)勻加速度過(guò)程。而彈射初期的過(guò)高加速度對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)、飛行員的健康都會(huì)帶來(lái)非常不利的影響。

此外，由于氣缸的容量和所允許的蒸汽密度有限，意味著每一次彈射開(kāi)始瞬間，所產(chǎn)生的力基本上是一個(gè)固定值。較輕的飛機(jī)可能在這股力的作用下遭受結(jié)構(gòu)損傷；而過(guò)重的飛機(jī)可能也無(wú)法獲得足夠的速度成功起飛。這一特點(diǎn)多少掣肘了美國(guó)海軍在艦載機(jī)上的選擇和改進(jìn)。為了豐富打擊手段，更考慮到未來(lái)航母上搭載大量較輕無(wú)人機(jī)的可能性，美軍非常需要一款可以靈活控制彈射力的彈射器技術(shù)。

最后則是蒸汽供應(yīng)和使用中的問(wèn)題。每彈射一架艦載機(jī)需要使用700千克的蒸汽，它們必須由淡水生成（海水含鹽更容易腐蝕鍋爐、管道）。如果彈射次數(shù)較多，將導(dǎo)致艦上的淡水過(guò)量消耗，有可能會(huì)對(duì)艦上官兵的正常生活構(gòu)成影響。而生成、輸送和儲(chǔ)存蒸汽的系統(tǒng)是一個(gè)龐大的工程，非常占用艦體空間。產(chǎn)生蒸汽的過(guò)程還會(huì)占用一定比例的艦船推進(jìn)動(dòng)力。高溫蒸汽經(jīng)過(guò)的管線非常容易被腐蝕，每經(jīng)過(guò)一千次彈射，彈射器的氣缸就必須更換，否則會(huì)造成嚴(yán)重的安全隱患。

由此可見(jiàn)，盡管蒸汽彈射器能夠極大地增強(qiáng)美國(guó)艦載機(jī)的整體戰(zhàn)斗能力，但還是有著不少使用上的缺點(diǎn)，維護(hù)成本也很高。如此，在原理上占據(jù)優(yōu)勢(shì)的電磁彈射技術(shù)進(jìn)入了美國(guó)人的視野，然而將原理轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)并不是一件容易的事情。

電磁彈射器的優(yōu)勢(shì)

本質(zhì)上電磁彈射器的原理與電磁炮是相同的，只不過(guò)這個(gè)系統(tǒng)更為龐大、所輸出的能量也更大，并且要求在成千上萬(wàn)次的彈射條件下具備相當(dāng)高的穩(wěn)定性。

與軌道炮類似，電磁彈射器兩側(cè)布置兩塊超長(zhǎng)的直線電動(dòng)機(jī)。它們不僅提供強(qiáng)大的磁場(chǎng)推動(dòng)滑塊加速，同時(shí)也約束滑塊前進(jìn)的方向。這也是為什么美國(guó)研制艦載電磁炮和電磁彈射器的單位均為通用原子公司的原因之一。因?yàn)閮烧叩暮诵募夹g(shù)太相似了，一者的突破也會(huì)使另一者的研發(fā)進(jìn)程加快。

根據(jù)美國(guó)通用原子公司公開(kāi)的資料，該公司為福特級(jí)航母所研制的電磁彈射樣機(jī)解決了力量控制、速度控制和不均勻加速的問(wèn)題。其目標(biāo)速度范圍為28米至103米/秒，最大可以彈射重達(dá)45噸的載荷，而最大牽引力和平均牽引力的比值為1.05。也就是說(shuō)，理論上美國(guó)艦載機(jī)起飛的加速過(guò)程幾乎為勻加速，并由計(jì)算機(jī)控制每時(shí)每刻的功率，這可以大大降低起飛過(guò)程對(duì)飛機(jī)壽命的不利影響。以往美軍選擇主力艦載機(jī)時(shí)總是將最大起飛重量固定在30-38噸之間，防止過(guò)重或過(guò)輕。電磁彈射器也使美軍在艦載機(jī)上的選擇余地大了很多。

而根據(jù)通用原子公司和波音公司的公開(kāi)資料顯示，由于電磁彈射能提供更為柔和的勻加速過(guò)程，可以大幅度降低對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的傷害，戰(zhàn)機(jī)壽命平均增加約31%。這對(duì)于美國(guó)海軍減少艦載機(jī)采購(gòu)總成本具有重大的意義。

無(wú)論用何種彈射方式，將數(shù)十噸的艦載機(jī)彈射起飛，所消耗的能量是極為巨大的。如何存儲(chǔ)這部分電能是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。以F-35C為例，起飛彈射的峰值功率大約在130兆瓦至150兆瓦之間。而每四臺(tái)電磁彈射器的總充電功率大約為16兆瓦左右，因此每一次彈射需要40秒左右的充電時(shí)間。這就使得研制一種大容量、大輸出功率的儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)調(diào)配電磁彈射器所使用的電能成為了必須。它也是電磁彈射器和電磁炮的核心技術(shù)。

航母電磁彈射器一般采用飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。按照設(shè)計(jì)，“福特”號(hào)上的飛輪能在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生超過(guò)121億焦耳的能量。這套系統(tǒng)每45秒能夠完成一次充電。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到彈射的需求時(shí)，就可以在2秒至3秒內(nèi)將存儲(chǔ)的能量釋放。這就將艦載機(jī)的彈射間隔時(shí)間控制在了2分鐘以內(nèi)，比傳統(tǒng)的蒸汽彈射器快一些。除了軍用的電磁設(shè)施之外，這套飛輪儲(chǔ)能技術(shù)還大量應(yīng)用于反應(yīng)堆、大型激光儀器等需要大量瞬間放能的設(shè)備上。

經(jīng)過(guò)飛輪，隨后電能被輸送到兩條電動(dòng)螺線管中產(chǎn)生磁場(chǎng)，并通過(guò)高功率變頻器更改頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同功率的控制。

福特級(jí)最初設(shè)計(jì)時(shí)具有更大的技術(shù)野心，由于需要考慮電磁彈射器帶來(lái)的峰值功率需求，與其部分電氣化，倒不如完成全艦的電氣化，將推進(jìn)系統(tǒng)、電磁彈射/阻攔器系統(tǒng)和艦上生活電力系統(tǒng)全部整合在一起。依靠A1B壓水反應(yīng)堆的發(fā)電功率提升，使用全艦綜合電力系統(tǒng)可以使福特級(jí)的電力利用效率顯著提高。

電磁阻攔技術(shù)

電磁彈射對(duì)應(yīng)的就是電磁阻攔。因?yàn)楹侥讣装蹇晒┡炤d機(jī)起飛降落的甲板也就200米長(zhǎng)，要使得著陸時(shí)仍然具有200～300千米/小時(shí)速度的艦載機(jī)停下來(lái)，阻攔索的存在就顯得尤為重要。目前航母上使用的成熟技術(shù)是液壓式阻攔系統(tǒng)，比如美國(guó)航母普遍采用的MK7液壓阻攔系統(tǒng)。以當(dāng)前常見(jiàn)的液壓阻攔系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)內(nèi)包括產(chǎn)生制動(dòng)力和保證連續(xù)阻攔效果的制動(dòng)器械系統(tǒng)、降低制動(dòng)初始瞬間過(guò)載的液壓緩沖系統(tǒng)以及冷卻艦載機(jī)在阻攔過(guò)程中由巨大動(dòng)能轉(zhuǎn)換成的熱能的冷卻系統(tǒng)。

電磁攔阻系統(tǒng)的組成與液壓阻攔系統(tǒng)類似。不過(guò)在制動(dòng)器械上除了滑輪阻尼裝置外，起主要制動(dòng)效果的是制動(dòng)電機(jī)。整個(gè)制動(dòng)過(guò)程相當(dāng)于發(fā)電制動(dòng)，而制動(dòng)機(jī)是通過(guò)控制勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

勵(lì)磁電流的控制是整個(gè)電磁阻攔系統(tǒng)的核心。美軍現(xiàn)在擬采用的先進(jìn)阻攔系統(tǒng)（AAG）中關(guān)于勵(lì)磁電流的控制是通過(guò)預(yù)先程序再加上修正的方案實(shí)現(xiàn)的。首先滑輪阻尼器上的拉力傳感器把受到的拉力信號(hào)傳給中央集中控制器，后者根據(jù)拉力變化控制并啟動(dòng)勵(lì)磁電流的控制程序。制動(dòng)過(guò)程中再根據(jù)拉力傳感器及速度繼電器的信號(hào)來(lái)反饋調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小，進(jìn)而控制制動(dòng)效果。

與老式阻攔系統(tǒng)相比，使用電磁阻攔技術(shù)的AAG可以攔更輕和更重的艦載機(jī)，而且控制勵(lì)磁電流能減弱阻攔對(duì)機(jī)體壽命的不利影響，還能有效的降低維護(hù)工作量和開(kāi)支。不過(guò)美軍的電磁阻攔項(xiàng)目近幾年遇到了較大困難，距離實(shí)用尚有距離。

當(dāng)前，我國(guó)的電磁阻攔技術(shù)攻關(guān)較為順利，馬偉明院士曾透露我國(guó)用了“1/5的時(shí)間就把阻攔做完了”。所以在跨越了常規(guī)攔阻和電磁攔阻兩道門檻并掌握了電磁彈射的關(guān)鍵技術(shù)后，我國(guó)的艦載電磁技術(shù)可能與美國(guó)相差不多。不少分析人士都認(rèn)為美國(guó)還不能將電磁技術(shù)應(yīng)用到彈射和阻攔兩個(gè)方面，而中國(guó)卻已經(jīng)可以了。此外電磁制動(dòng)技術(shù)因無(wú)磨耗、反應(yīng)迅速、制動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，也是現(xiàn)代工業(yè)中一種理想的自動(dòng)化執(zhí)行元件，在汽車輔助制動(dòng)系統(tǒng)中有著突出的地位。

“福特”號(hào)電磁彈射器的窘境

擁有較為健全科研能力的國(guó)家，在采購(gòu)主戰(zhàn)裝備時(shí)會(huì)為了考慮到綜合性價(jià)比，將新技術(shù)控制在一定比例。為了量化各種新技術(shù)，美軍曾制定了技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)界定一款技術(shù)所達(dá)到的成熟度是否可以達(dá)到實(shí)戰(zhàn)化的水平，一般而言一種全新主戰(zhàn)裝備的主要子系統(tǒng)技術(shù)成熟度至少要達(dá)到8級(jí)。

然而，在福特級(jí)進(jìn)行方案研制的時(shí)候，為了再度將航母技術(shù)拉開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)者一個(gè)身位，總體和分系統(tǒng)采取了破天荒的“邊建造邊研發(fā)”的模式，不少分系統(tǒng)和子系統(tǒng)都是在設(shè)計(jì)時(shí)新研發(fā)的，設(shè)計(jì)建造和子系統(tǒng)研發(fā)甚至產(chǎn)生了一種“賽跑”的關(guān)系，這充分顯示出當(dāng)年美國(guó)人對(duì)自身科研能力的自信。

不過(guò)很快，美國(guó)人遇到了瓶頸。在福特級(jí)首艦建造到一半之時(shí)，電磁彈射器和電磁阻攔器等關(guān)鍵設(shè)備仍舊處于技術(shù)成熟度6級(jí)到7級(jí)的狀態(tài)。雖然最后裝上了航母，但電磁彈射器的能量轉(zhuǎn)化效率不超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)的60%。而且過(guò)程中浪費(fèi)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，給系統(tǒng)的冷卻帶來(lái)了麻煩。這套電磁彈射裝置的充電時(shí)間低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，使用壽命遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到預(yù)計(jì)的上萬(wàn)次。

目前美軍上下普遍認(rèn)為，福特級(jí)雖然技術(shù)先進(jìn)但近幾年在戰(zhàn)斗力上還無(wú)法超過(guò)業(yè)已成熟的尼米茲級(jí)。該級(jí)艦需要時(shí)間來(lái)解決眾多子系統(tǒng)的成熟度和可靠性問(wèn)題。好在“福特”號(hào)和二號(hào)艦“肯尼迪”號(hào)上仍然使用傳統(tǒng)技術(shù)的主推進(jìn)模塊。這個(gè)決定在如今看來(lái)是正確的，因?yàn)榧词瓜瘛爸炷肺譅柼亍奔?jí)這樣的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全艦電氣化的實(shí)用性驗(yàn)證也需要時(shí)間。

從另一個(gè)角度看，“福特”號(hào)是海軍電磁彈射器型號(hào)化的第一次嘗試。它的歷史價(jià)值與實(shí)用驗(yàn)證意義仍然是所有海軍電磁技術(shù)后進(jìn)者所向往的。