電磁彈射不復(fù)雜，初中物理能說(shuō)清

□文/南京市玄武高級(jí)中學(xué) 張軍

6 月17 日，是個(gè)不平凡的日子。

2022 年6 月17 日，我國(guó)完全自主設(shè)計(jì)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(guó)第一顆氫彈爆炸成功；2021 年6 月17 日，神舟十二號(hào)載人飛船發(fā)射圓滿成功。這些都是意義非凡的標(biāo)志性事件。

新聞報(bào)道稱，福建艦采用平直通長(zhǎng)飛行甲板，配置電磁彈射和阻攔裝置，滿載排水量8萬(wàn)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(guān)知識(shí)分析一下。

圖1 供圖/人民視覺(jué)

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(jī)停放、起飛和降落。航母噸位越大，可攜帶的飛機(jī)就越多。之所以叫“母艦”，大抵有兩個(gè)原因：一是飛機(jī)從艦艇飛出去執(zhí)行任務(wù)，就像蜜蜂出去采蜜，忙完了還得再飛回來(lái)，艦艇就是“蜂巢”；二是航母出動(dòng)時(shí)，還有一大幫提供保護(hù)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(dāng)中的“母雞”。我們可以把航母理解為一個(gè)移動(dòng)的飛機(jī)場(chǎng)，能在遠(yuǎn)離本土的海上執(zhí)行遠(yuǎn)程打擊、掩護(hù)、反潛、護(hù)航等多種任務(wù)，是一個(gè)國(guó)家“拳頭硬不硬”的象征（圖1）。

艦載戰(zhàn)斗機(jī)有需要使用跑道的固定翼飛機(jī)和垂直起降飛機(jī)兩種。垂直起降的戰(zhàn)斗機(jī)反應(yīng)迅速，可以不占用跑道，但是費(fèi)油（起飛時(shí)耗油量驚人）、費(fèi)錢（維護(hù)成本高）、費(fèi)勁（對(duì)駕駛技術(shù)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(jī)一般都采取短距離滑跑助飛。

固定翼飛機(jī)的升力主要來(lái)自機(jī)翼。迎面而來(lái)的氣流接觸飛機(jī)翅膀時(shí)分流，機(jī)翼上表面的空氣流速更大，導(dǎo)致氣壓減??；機(jī)翼下表面空氣流速相對(duì)小一些，導(dǎo)致氣壓比上表面氣壓大。向上與向下的壓力差提供了飛機(jī)的“升力”。這就是伯努利原理的推論，流體的流速越大，壓強(qiáng)越小，前面幾期我們聊過(guò)相關(guān)話題。飛機(jī)與空氣之間必須有一定的相對(duì)速度，升力才足以讓飛機(jī)離開(kāi)地面。假如空氣靜止，單靠飛機(jī)飛行來(lái)增大相對(duì)速度，跑道的長(zhǎng)度就要非常長(zhǎng)，所以飛機(jī)都是逆風(fēng)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(jī)時(shí)，不要祝他“一路順風(fēng)”?！绊橈L(fēng)”會(huì)減小飛機(jī)與空氣間的相對(duì)速度，有可能導(dǎo)致飛機(jī)失速，從空中掉下來(lái)。

我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的小實(shí)驗(yàn)，來(lái)感受一下空氣相對(duì)流速對(duì)升力的影響。將卡紙裁成長(zhǎng)條，模擬飛機(jī)機(jī)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(gè)紙面打孔，讓一小截吸管剛好卡在孔里（圖2）。將竹簽穿過(guò)吸管，對(duì)著“機(jī)翼”吹氣，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，氣流速度較小時(shí)，“機(jī)翼”不會(huì)上升；只有氣流速度達(dá)到一定程度，“機(jī)翼”才會(huì)上升。繼續(xù)增大吹氣力度，“機(jī)翼”甚至?xí)闹窈炆巷w走（圖3）。可以改變吹氣的力度、角度，探究一下這對(duì)升力有何影響。也可以多做幾個(gè)上表面凸起程度不同的“機(jī)翼”，感受一下形狀對(duì)升力的影響。

圖2

圖3

實(shí)際上，不同類型的飛機(jī)機(jī)翼截面形狀是不同的，要看想獲得怎樣的實(shí)際效果。大載重的轟炸機(jī)翼型相對(duì)厚些，通用飛機(jī)翼型則相對(duì)較薄。翼型與機(jī)型設(shè)計(jì)是航空航天領(lǐng)域的重大課題。

飛機(jī)要達(dá)到起飛速度，必須有一個(gè)加速距離。在陸地上，我們可以把跑道修建得足夠長(zhǎng)。航母上不可能配置很長(zhǎng)的跑道，如何讓飛機(jī)達(dá)到起飛速度呢？

滑躍式起飛與蒸汽彈射

垂直起降的飛機(jī)我們就不談了，單獨(dú)聊聊需要跑道的飛機(jī)。

早期的螺旋槳飛機(jī)質(zhì)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(lái)，噴氣式飛機(jī)成了主流戰(zhàn)機(jī)，裝載的武器多，起飛的質(zhì)量大，要求的起飛速度也隨之增大，航母原有的跑道長(zhǎng)度就不夠了。

航母正常情況下是逆風(fēng)行駛的，這樣可以增大飛機(jī)與空氣之間的相對(duì)速度，縮短起飛前的“助跑”距離。為了讓跑道更長(zhǎng)，人們把航母甲板做得更大，超過(guò)艦體之外，成了“外飄”甲板。后來(lái)人們又想了一招，把艦首做成上翹的樣子，讓飛機(jī)沿著斜坡沖出甲板，形成拋物運(yùn)動(dòng)。這樣一來(lái)，戰(zhàn)機(jī)在離開(kāi)艦首的瞬間可以離海平面更高，贏得的滯空時(shí)間用來(lái)繼續(xù)提速，從而達(dá)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(fèi)油，輕量級(jí)飛機(jī)起飛沒(méi)問(wèn)題，重型戰(zhàn)機(jī)就不適合了。研究人員就萌發(fā)了彈射起飛的思路。

圖4

圖5

最先嘗試的是蒸汽彈射。它與早期的蒸汽火車原理類似，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是燒一鍋水，將高溫、高壓的水蒸氣瞬間釋放，快速推動(dòng)彈射器，帶著飛機(jī)高速前行，幾秒內(nèi)就可以達(dá)到起飛速度。由于技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，這種起飛方式主要是美國(guó)在使用（圖5）。

蒸汽彈射的弊端也很明顯，費(fèi)空間（鍋爐、管線裝置、彈射器、海水淡化裝置都特別占地方）、費(fèi)水（要消耗大量蒸汽，且蒸汽僅有百分之幾被利用）、費(fèi)錢（建造和維護(hù)成本雙高）、費(fèi)機(jī)（彈射力度太大，又不能調(diào)節(jié)，強(qiáng)度低的飛機(jī)會(huì)被“撕”碎）、費(fèi)人（突然加速讓飛行員的體驗(yàn)很糟糕）。

無(wú)論是何種方式彈射，都是能量之間的轉(zhuǎn)化。橡皮筋彈弓打出彈丸，是彈性勢(shì)能向動(dòng)能和重力勢(shì)能的轉(zhuǎn)化；蒸汽彈射，是燃料的化學(xué)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。那么，能把電能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的機(jī)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(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是通過(guò)磁場(chǎng)給通電導(dǎo)體施力，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)彈射器，將飛機(jī)發(fā)射出去。我們可以在實(shí)驗(yàn)室演示其原理。

將兩根金屬導(dǎo)軌分別接到直流電源的正負(fù)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(qiáng)磁鐵上方的支架上，金屬棒下方放上幾粒釹鐵硼強(qiáng)磁鐵提供磁場(chǎng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合，將有電流從金屬棒通過(guò)，金屬棒就會(huì)向左或向右運(yùn)動(dòng)——金屬導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到了力的作用（圖6）。

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

實(shí)際上，通電直導(dǎo)線周圍也有磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向可以用安培定則判定。伸開(kāi)右手，讓大拇指與四指垂直，大拇指對(duì)著電流方向，四指環(huán)繞的方向就是磁場(chǎng)方向。也就是說(shuō)，通電直導(dǎo)線周圍獲得的是環(huán)形磁場(chǎng)。安培定則還有第二條，用來(lái)判定通電螺線管周圍的磁場(chǎng)。通電螺線管周圍的磁場(chǎng)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(shí)驗(yàn)中，直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)與下面釹鐵硼磁鐵的磁場(chǎng)相互排斥，導(dǎo)致直導(dǎo)線受力運(yùn)動(dòng)。如果是通電線圈處于磁場(chǎng)中，則會(huì)因受力不平衡發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。

圖6

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

原理簡(jiǎn)單明了，但是建造所需的技術(shù)難度極高。比如，電磁彈射器在工作時(shí)，需要在瞬間釋放巨大的電能，蓄電池是做不到的，必須有儲(chǔ)能大、放電快的綜合電力系統(tǒng)；電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)會(huì)發(fā)熱，巨大的電流有可能燒毀系統(tǒng)；要把幾十噸的飛機(jī)加速到每秒幾十米到幾百米，還有很多電學(xué)之外的問(wèn)題需要解決。美國(guó)從1982 年啟動(dòng)研究，到2004 年成品測(cè)試，花了22 年時(shí)間；由測(cè)試到在福特級(jí)核動(dòng)力航母上裝配，又用了十幾年。直到今天，電磁彈射技術(shù)也只有美國(guó)和中國(guó)掌握。

（圖7）

和蒸汽彈射相比，電磁彈射優(yōu)勢(shì)甚多，省空間（體積?。?、省錢（運(yùn)行與維護(hù)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(diào)，能彈射各種機(jī)型）。

毫無(wú)疑問(wèn)，電磁彈射會(huì)成為未來(lái)航母的最佳選擇，但作為全新技術(shù)，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(jìn)了。

目前，福建艦正在進(jìn)行舾裝，相信不久的將來(lái)就能列裝海軍（圖7）。