電磁彈射不復雜，初中物理能說清

張軍

6 月17 日，是個不平凡的日子。

2022 年6 月17 日，我國完全自主設計制造的第三艘航母福建艦舉行了下水儀式。而此前的1967 年6 月17 日，中國第一顆氫彈爆炸成功；2021 年6 月17 日，神舟十二號載人飛船發(fā)射圓滿成功。這些都是意義非凡的標志性事件。

新聞報道稱，福建艦采用平直通長飛行甲板，配置電磁彈射和阻攔裝置，滿載排水量8萬余噸。那么，電磁彈射是怎么回事呢？今天，我們就用初中物理的相關知識分析一下。

航空母艦是干什么用的

航空母艦比普通的水面艦艇要大很多，能供多架飛機停放、起飛和降落。航母噸位越大，可攜帶的飛機就越多。之所以叫“母艦”，大抵有兩個原因：一是飛機從艦艇飛出去執(zhí)行任務，就像蜜蜂出去采蜜，忙完了還得再飛回來，艦艇就是“蜂巢”；二是航母出動時，還有一大幫提供保護和供給的船只前呼后擁，航母處于核心地位，就像是一群“小雞”當中的“母雞”。我們可以把航母理解為一個移動的飛機場，能在遠離本土的海上執(zhí)行遠程打擊、掩護、反潛、護航等多種任務，是一個國家“拳頭硬不硬”的象征（圖1）。

艦載戰(zhàn)斗機有需要使用跑道的固定翼飛機和垂直起降飛機兩種。垂直起降的戰(zhàn)斗機反應迅速，可以不占用跑道，但是費油（起飛時耗油量驚人）、費錢（維護成本高）、費勁（對駕駛技術要求高，載彈量少，航程短）。為優(yōu)化作戰(zhàn)性能，垂直起降戰(zhàn)斗機一般都采取短距離滑跑助飛。

固定翼飛機的升力主要來自機翼。迎面而來的氣流接觸飛機翅膀時分流，機翼上表面的空氣流速更大，導致氣壓減??；機翼下表面空氣流速相對小一些，導致氣壓比上表面氣壓大。向上與向下的壓力差提供了飛機的“升力”。這就是伯努利原理的推論，流體的流速越大，壓強越小，前面幾期我們聊過相關話題。飛機與空氣之間必須有一定的相對速度，升力才足以讓飛機離開地面。假如空氣靜止，單靠飛機飛行來增大相對速度，跑道的長度就要非常長，所以飛機都是逆風起飛的，這樣可以減少起飛前的加速距離。因此，送親友乘坐客機時，不要祝他“一路順風”。“順風”會減小飛機與空氣間的相對速度，有可能導致飛機失速，從空中掉下來。

我們可以通過簡單的小實驗，來感受一下空氣相對流速對升力的影響。將卡紙裁成長條，模擬飛機機翼，折疊成上凸形狀，放在手指頭、小木桿或者鉛筆尖上，讓其平衡，找到重心所在的豎直線。沿這條豎直線在上、下兩個紙面打孔，讓一小截吸管剛好卡在孔里（圖2）。將竹簽穿過吸管，對著“機翼”吹氣，你會發(fā)現(xiàn)，氣流速度較小時，“機翼”不會上升；只有氣流速度達到一定程度，“機翼”才會上升。繼續(xù)增大吹氣力度，“機翼”甚至會從竹簽上飛走（圖3）?？梢愿淖兇禋獾牧Χ?、角度，探究一下這對升力有何影響。也可以多做幾個上表面凸起程度不同的“機翼”，感受一下形狀對升力的影響。

實際上，不同類型的飛機機翼截面形狀是不同的，要看想獲得怎樣的實際效果。大載重的轟炸機翼型相對厚些，通用飛機翼型則相對較薄。翼型與機型設計是航空航天領域的重大課題。

飛機要達到起飛速度，必須有一個加速距離。在陸地上，我們可以把跑道修建得足夠長。航母上不可能配置很長的跑道，如何讓飛機達到起飛速度呢？

滑躍式起飛與蒸汽彈射

垂直起降的飛機我們就不談了，單獨聊聊需要跑道的飛機。

早期的螺旋槳飛機質量較小，起飛速度不是很大，航母甲板上的平直跑道就能滿足要求。后來，噴氣式飛機成了主流戰(zhàn)機，裝載的武器多，起飛的質量大，要求的起飛速度也隨之增大，航母原有的跑道長度就不夠了。

航母正常情況下是逆風行駛的，這樣可以增大飛機與空氣之間的相對速度，縮短起飛前的“助跑”距離。為了讓跑道更長，人們把航母甲板做得更大，超過艦體之外，成了“外飄”甲板。后來人們又想了一招，把艦首做成上翹的樣子，讓飛機沿著斜坡沖出甲板，形成拋物運動。這樣一來，戰(zhàn)機在離開艦首的瞬間可以離海平面更高，贏得的滯空時間用來繼續(xù)提速，從而達到起飛速度（圖4）。遼寧艦和山東艦采用的就是這種方式。但是，滑躍式起飛費油，輕量級飛機起飛沒問題，重型戰(zhàn)機就不適合了。研究人員就萌發(fā)了彈射起飛的思路。

最先嘗試的是蒸汽彈射。它與早期的蒸汽火車原理類似，簡單點說，就是燒一鍋水，將高溫、高壓的水蒸氣瞬間釋放，快速推動彈射器，帶著飛機高速前行，幾秒內就可以達到起飛速度。由于技術過于復雜，這種起飛方式主要是美國在使用（圖5）。

蒸汽彈射的弊端也很明顯，費空間（鍋爐、管線裝置、彈射器、海水淡化裝置都特別占地方）、費水（要消耗大量蒸汽，且蒸汽僅有百分之幾被利用）、費錢（建造和維護成本雙高）、費機（彈射力度太大，又不能調節(jié)，強度低的飛機會被“撕”碎）、費人（突然加速讓飛行員的體驗很糟糕）。

無論是何種方式彈射，都是能量之間的轉化。橡皮筋彈弓打出彈丸，是彈性勢能向動能和重力勢能的轉化；蒸汽彈射，是燃料的化學能向機械能的轉化。那么，能把電能轉化為飛機的機械能嗎？研究人員把目光投向了電磁彈射。

電磁彈射的基本原理

電磁彈射，簡單點說，就是通過磁場給通電導體施力，將電能轉化為機械能，帶動彈射器，將飛機發(fā)射出去。我們可以在實驗室演示其原理。

將兩根金屬導軌分別接到直流電源的正負極，兩節(jié)干電池串聯(lián)作為電源即可，三節(jié)串聯(lián)效果更好。將一小截銅棒或鋁棒放到強磁鐵上方的支架上，金屬棒下方放上幾粒釹鐵硼強磁鐵提供磁場。當開關閉合，將有電流從金屬棒通過，金屬棒就會向左或向右運動——金屬導體在磁場中受到了力的作用（圖6）。

電流越大，磁場越強，通電導體受到的力就越大。受力方向與磁場方向和電流方面有關，可以用左手定則來判斷：讓磁感線穿過掌心，四指指向電流方向，大拇指所指的方向就是導體受力的方向。

實際上，通電直導線周圍也有磁場，磁場方向可以用安培定則判定。伸開右手，讓大拇指與四指垂直，大拇指對著電流方向，四指環(huán)繞的方向就是磁場方向。也就是說，通電直導線周圍獲得的是環(huán)形磁場。安培定則還有第二條，用來判定通電螺線管周圍的磁場。通電螺線管周圍的磁場與條形磁體相似，右手握住通電螺線管，四指彎向環(huán)繞電流的方向，那么大拇指所指的那一端就是通電螺線管的N 極。上面的實驗中，直導線周圍的磁場與下面釹鐵硼磁鐵的磁場相互排斥，導致直導線受力運動。如果是通電線圈處于磁場中，則會因受力不平衡發(fā)生轉動，這就是直流電動機的工作原理。

在航母上，那兩根金屬導軌就相當于發(fā)射軌道，而那根金屬棒就相當于彈射器的滑塊。

原理簡單明了，但是建造所需的技術難度極高。比如，電磁彈射器在工作時，需要在瞬間釋放巨大的電能，蓄電池是做不到的，必須有儲能大、放電快的綜合電力系統(tǒng)；電流通過導體時會發(fā)熱，巨大的電流有可能燒毀系統(tǒng)；要把幾十噸的飛機加速到每秒幾十米到幾百米，還有很多電學之外的問題需要解決。美國從1982 年啟動研究，到2004 年成品測試，花了22 年時間；由測試到在福特級核動力航母上裝配，又用了十幾年。直到今天，電磁彈射技術也只有美國和中國掌握。

和蒸汽彈射相比，電磁彈射優(yōu)勢甚多，省空間（體積?。?、省錢（運行與維護成本低）、省人（操作人數(shù)比蒸汽彈射減少近1/3）、省心（彈射力度大小可調，能彈射各種機型）。

毫無疑問，電磁彈射會成為未來航母的最佳選擇，但作為全新技術，使用中發(fā)現(xiàn)不足之處也在意料之中，這就需要在使用中不斷加以改進了。

目前，福建艦正在進行舾裝，相信不久的將來就能列裝海軍（圖7）。