電磁彈射有多難？難在哪？美軍福特號航母有多強，45秒放飛一架艦載機

2019年6月時任美國總統特朗普表示 由於對電磁彈射花費巨資感到不滿 他將頒佈命令將福特號航母上的電磁彈射器改爲蒸汽彈射器 如今我們都知道這項決議並沒有落實 但特朗普身爲一國總統可不能說一拍腦門就講出這麼荒誕的決定 背後那一定是經過一番深思熟慮的 那麼爲什麼特朗普如此鍾愛蒸汽彈射而不是更先進的電磁彈射呢 他們究竟孰優孰劣 今天我們就來聊一聊航母的電磁彈射是提升還是積累 所謂的飛機彈射器 即是一種起飛的輔助設備 用來爲固定翼飛機提供自身航空發動機以外的額外加速度 以便飛機在有限的跑道距離內獲得足夠生力併成功起飛 主要呢還是在航空母艦上使用 是彈射輔助起飛攔阻回收系統的關鍵 特別是在冷戰時期主流的斜角甲板上配備的是蒸汽彈射器 以蒸汽的高壓動力作爲驅動力 主要用於彈射起飛噴氣式戰鬥機 攻擊機和預警機 二次世界大戰後呢 英國皇家海軍正在爲其航空母艦艦隊開發一種新型彈射系統 米切爾推薦使用開槽氣缸的蒸汽系統作爲發射下一代海軍飛機的手段 20世紀50年代中期 海軍引進了蒸汽彈射器 能夠發射較重型的噴氣式戰鬥機 火藥驅動彈射器也被考慮在內 並且威力足夠大 但是呢 也會給機身帶來更大的壓力 並且可能不適合長期使用 發射時 隨着蒸汽壓力的增加 釋放杆將飛機固定到位 然後釋放活塞以沿甲板高速拉動飛機 在大約2-4秒內 彈射器作用的飛機速度加上表觀風速 也就是傳速加上或減去自然風 就足以讓飛機飛走了 而進入到21世紀後 彈射器由蒸汽推動方式演變爲電磁推動的方式 也稱爲EMALS 是艦載機發射系統的一種 該系統通過採用 線性感應電機 而不是傳統的蒸汽活塞的彈射器 來發射艦載飛機 目前 全世界所有已經服役的航母中 僅有美國的福特號裝備了這項技術 而採用電磁彈射的優點也很明顯 由於飛機加速度更加均勻 並且可以根據飛機的重量進行修改 配置不同的速度 從而大大減少機身上的壓力 還能適配各種各樣的飛機 提高飛機的安全性和耐用性 並且降低了維護成本 電磁系統的重量相比傳統的蒸汽活塞彈射器更輕 需要的維護也更少 並且可以發射比蒸汽彈射器更重和更輕的飛機 他們在駕駛艙下方佔用的空間也更少 並且不需要淡水來運行 從而減少了對能源密集型海水淡化的需求 而艦載機作爲是航母戰鬥力的核心 在作戰中負責對海面 地面以及空中目標進行打擊 所以 艦載機的起飛能力和效率很大程度上是決定了航母編隊的作戰能力 目前 艦載機一般採用的起飛方式 包括彈射起飛 滑躍起飛以及垂直起飛這三種方式 其中的彈射起飛 利用彈射器助推可以使飛機獲得更高的加速度 具備在短距離內放飛重型戰機的能力 是艦載機起飛的主流方式 而最早的彈射器呢則是由英國人發明的 上世紀50年代 蒸汽彈射器代替液壓彈射器開始在海軍中服役 所謂的蒸汽彈射器呢 就是以高壓蒸汽推動活塞 帶動彈射軌道上的滑塊把艦載機投射出去 彈射器一般由動力系統 網覆車以及導向滑軌等構成 彈射起飛時 駕駛員操縱飛機加大功率 在彈射器動力系統的強力作用下 網覆車拉着飛機沿導向滑軌做加速運動 在經過一段的滑跑距離 飛機達到升空速度起飛 雖然目前的蒸汽彈射器技術已經相當成熟了 但仍然存在一些侷限 首先呢 蒸汽彈射器需要配備蒸汽杵罐 管線和輔助設備 因此體積和重量過於龐大 美國最新的蒸汽彈射器全套體積達到了1100立方米 全重接近500噸 其次呢 蒸汽彈射器工作時需要消耗大量的蒸汽 如果以最小間隔每分鐘兩架的速度進行彈射 16分鐘後便會因爲蒸汽壓力過低而無法繼續彈射 而且會消耗鍋爐20%的蒸汽 導致航母的航速降低 最後呢 蒸汽彈射的彈射力量調節範圍小 無法彈射較輕的無人機 另外 瞬間爆發的巨大推力也會讓艦載飛行員非常不適 因此呢 鑑於上述這些問題 各國開始發展電磁彈射技術 電磁彈射器呢 是將電能轉化爲磁能 再進一步轉化爲動能 推動物體達到一定速度 其系統通過輸入強大電流 使線圈產生磁場 往浮車開始加速 最終推動戰機成功起飛 相比蒸汽彈射呢 電磁彈射優勢就明顯許多了 首先 電磁彈射系統要比傳統的蒸汽彈射輕得多 一套完整的電磁彈射設備體積僅500多立方米 全重325噸 其次 電磁彈射比蒸汽彈射最大能量幅度高20% 可以放飛更重的飛機 而且電磁彈射功率可調 通過調整輸出電流 起飛重量可以在2噸到70噸之間調整 終端速度可以在50節到200節之間任意設定 加速度曲線也十分平滑 能夠極大改善飛行員的身體負擔和飛機的結構壽命 配有電磁彈射系統的美國福特號航母日出動艦載機達到300餘架次 相比尼米茲級提高了25% 那麼既然提升如此明顯 爲什麼各國不全面換裝電磁彈射系統呢 然而實際情況啊 並不是不想 而是沒有那個能力 作爲海軍最尖端的彈射技術 目前世界各國的海軍都在進行這方面的研究 事實上 電磁彈射的原理其實很簡單 採用電磁作用原理產生的電磁推力使物體加速 由於電磁驅動力與電流平方成正比 因此只需要保證足夠的電流輸入 就能夠使發射裝置內產生足夠大的推力 進而使被彈射物體達到更高的速度 所以電磁彈射器的主要部件呢 就只有一套直線電動機 電流通過線圈包裹着弦鐵嵌在彈射軌道的內側 產生強大的磁場 進而併發出巨大的推力 能在幾秒內釋放出驚人的電能 從原理呢 我們不難得出一個結論呢 就是想成功研發電磁彈射 就需要解決它的電能問題 美國在福特號航母上裝備的電磁彈射系統 據說呢 是能在極短時間內產生超過121億焦耳的能量 並且這套系統可以每45秒就完成一次充電 這就意味着它可以45秒就彈射一架飛機 雖然聽起來十分強悍 但是由於技術不夠成熟 問題也是接踵而至 儘管美國的電磁彈射裝置已經實驗多次 但美軍在實際應用中顯然碰到了各種預料之外的麻煩 2018年2月 美國海軍證實福特號航母安裝的電磁彈射系統 在設計與建造上存在重大問題 在海上實驗中 美軍發現頻繁使用電磁彈射系統比蒸汽彈射器更不可靠 且需要更多人力 在戰鬥中 出現一個彈射器無法使用 有可能需要關閉全部四個彈射器才能夠進行維修 即使是已經研製成功電磁彈射技術的美國 也依舊沒有完全搞定這項技術 仍然在進行不斷的完善和修補 而之所以會發生這些問題 其實呢並不難理解 首先 電磁彈射需要解決的是電力的問題 電磁彈射可以在兩到三秒內把飛機彈射出去 需要峯值功率達到幾百兆瓦 如此大的電力 常規航母是很難達到的 這就需要核動力的加持 如果在常規動力航母上使用的話 事先肯定需要先儲存足夠的能量 但如何提前把所需要的能量安全高效的儲存 是一件非常複雜和燒腦的問題 在需要使用的時候 在通過大功率電力調節技術釋放出去 電能在不斷提高的同時 電壓也在加大 如何控制這麼大的電流和電壓 又是另外一個難點 解決了上述幾個難點之後呢 還有一個難點 就是彈射控制技術的問題 要在兩到三秒的時間內 把噸位不同的飛機加速到需要起飛的初速度 這對控制系統的要求非常高 需要反應非常迅速 控制也要精準 此外 也需要解決電磁輻射的問題 以防止會影響航母以及飛機電子設備的正常運行 在歷史上 美國因爲技術過分先進 造價過分高昂 軍事戰略調整等原因 也曾拋棄過諸如十字軍戰士自行榴彈炮 科曼奇武裝直升機等重要的創新項目 但並不意味着物美價高的電磁彈射系統也在被拋棄的行列 因爲與上述裝備相比呢 電磁彈射系統對航母戰鬥力提升是巨大的 哪怕技術需要進一步調整 並且造價高昂也應該繼續堅持 其中一個主要原因呢 就是電磁彈射系統已經經歷過大量的實驗 儘管技術呢 在海上實際運行中存在一些瑕疵 但已經沒有不可克服的技術障礙 通過後期的使用逐步完善優化是可以進一步提升和穩定性能的 正如美軍的魚鷹偏轉旋翼機和F35戰鬥機一樣 前期呢也是大小毛病不斷 在修修補補中呢 終於成爲了美軍不可或缺的裝備 其次 電磁彈射系統迎合了未來航母發展的趨勢 從長遠視角來看 無人機航母已經是未來的發展方向了 與現在大多數20多噸的載人戰鬥機相比 未來的艦載無人機型號呢會更加多樣 分工會更加精細 噸位也會更加多元 如果使用蒸汽彈射裝置 並不能很好的適配各種噸位的無人機 而電磁彈射系統則能夠完美的解決這個問題 所以從這一趨勢來看呢 電磁彈射系統的發展前景是光明的 其他國家哪怕是遇到同類困難 也要咬牙堅持走下去 只有徹底掌握了這一關鍵技術 在未來的海上競爭中才能佔據主動權 總的來說呢 相較於傳統的彈射器 電磁彈射器的重量更輕 只有20噸左右 而且佔用的空間更小 運作需要的人力也更少 可靠性也更高 一臺傳統蒸汽彈射器彈射一次就要將耗掉614公斤的蒸汽 並且呢 要在航母甲板下安裝龐大的機械 氣動和液壓系統 相對於電磁彈射器不消耗蒸汽 而且使用來自航母產生的電能 在航母上的安裝也更爲簡易 而且將大量的水燒開產生蒸汽 儲備需要十幾個小時 電磁的充能呢只需要數分鐘 這種緊急應戰能力是最大優勢 電磁彈射器其加速度可以精確的控制 針對重型的戰鬥機和小型無人機可調節不同能量輸出 以適應其不同起飛速度的要求 美國的電磁彈射器彈射速度的範圍是每秒28到103米 中間呢爲五檔段 但傳統蒸汽結構呢只有幾個較粗的檔段 飛機設計重量只能落在特定的幾種重量 過輕或者過重都不行 電磁彈射器的最大彈射輸出功能達到了122兆膠 而傳統的蒸汽彈射器只有95兆膠 相較之下呢 電磁彈射器的能量輸出多了29% 其次呢電磁彈射器能量利用率高達90% 雖然目前電磁彈射技術呢還有或多或少的小毛病 但是經過長期的使用和完善 電磁彈射所帶來的提升將是巨大的 對此 各位還有什麼看法 歡迎在評論區留言討論 我是大兵 我們下期再見