美軍最新型“福特”級航母上的電磁彈射系統

宮春科

據中國國防科技信息網報道，通用原子公司獲得為美海軍建造的第二艘“福特”級航母提供電磁彈射系統的合同。“福特”級航母是40多年來美國航母發展歷程上的一個里程碑，從飛行甲板、艦體、艦島、動力單元到航空設施的設計配置，都異于以往航母，引進了眾多突破性新技術，打破了以往延續半個世紀之久的航母設計慣例。全面采用電磁彈射系統取代蒸汽彈射系統就是其重要標志之一。

按部就班的成長歷程

“福特”級第2艘航母“肯尼迪”號設想圖

“福特”級航母的電磁彈射系統由供電系統、控制系統和電磁彈射軌道組成。供電系統由電動機、飛輪儲能裝置和大功率發電機組成。“福特”級航母共有4個彈射器，每個彈射器由2套供電系統和1套電磁彈射軌道組成。電磁彈射系統利用直線感應電機的直線運動，帶動艦載機加速到起飛速度，其工作原理是：直線感應電機的固定部分輸入交流電后，產生交變磁場，磁場在直線感應電機的運動部分產生感應電流，使運動部分變為有感應電流的導體，該部分就會受到電磁驅動力的作用向前運動。電磁驅動力和電流的平方成正比，只要能夠保持電流輸出達到足夠的量，便能產生以平方數量增加的電磁推動力，確保運動部分有感應電流的導體（艦載機或動能彈等）在足夠推力的推動下，達到起飛速度。此原理及作用和電磁炮是相同的。

美軍蒸汽彈射器與飛機鏈接裝置滑梭

電磁彈射系統第一階段的實驗大致完成于2008年9月。通過1萬次的重復實驗驗證了彈射系統的電力、熱力設備的性能及儲能系統的充放電頻率，通過每天近250次高強度模擬實驗，發現并解決了電機振動問題，降低了系統結構損壞風險，增強了系統的可靠性和壽命。2009年7月，電磁彈射系統完成了海上真實環境、電力熱動力滿功率系列實驗，確認了設備在最大熱區間的電動發電機的可操作性，降低了彈射器的系統風險。2009年9月以后，美國還先后進行了高加速壽命實驗、系統功能演示驗證實驗、電磁干擾屏蔽實驗等等，也取得了一定的進展。

美軍日常維護蒸汽彈射器

“槍彈”結合讓電磁彈射進入運用新階段。2010年12月18日，美國海軍成功使用電磁彈射系統彈射成功F/A-18E“超級大黃蜂”戰斗攻擊機，此后又繼續對T-45C艦載教練機、E-2D艦載預警機、EA-18G“咆哮者”電子戰飛機等所有型號現役戰機進行了電磁彈射實驗，均獲得成功。

2009年6月，美國正式決定在“福特”級航母上安裝電磁彈射系統，并授予通用原子公司研制合同。合同規定，該公司于2015年7月交付相關硬件，首艘“福特”級航母預計于2017年交付美國海軍。在即將交付該系統硬件時刻，通用原子公司獲得第二艘“福特”級航母電磁彈射系統建造合同（該航母預計將于2022年交付美國海軍）。這體現了美國政府和軍方對前一階段與通用公司合作研制的電磁彈射系統比較滿意，關于電磁彈射各項研制的進展及性能達到了預期。

全面超越的彈射系統

常規固定翼艦載機在航母上的起飛方式包括滑越式和彈射式兩種。滑越式是蘇聯和其軍事技術主要繼承國俄羅斯采用的起飛方式，即依靠自身滑翔慣性起飛，這種方式要求飛機重量輕，因此效率較低，影響有效載荷和作戰效能。目前較為通用的是彈射方式，借助外部力量實現艦載機起飛。彈射起飛方式以蒸汽彈射為主，但隨著現代戰機性能、質量、速度的提高，蒸汽彈射已難以滿足發展要求，因此美國等軍事強國正在競相研制采用電子和電氣技術的彈射系統，以取代蒸汽彈射系統。電磁彈射系統是一種利用直線電機產生的電磁力將艦載機在航母甲板上加速到起飛速度的彈射裝置。是用蒸汽力還是電磁力來推動艦載機上天是兩種彈射系統最根本的不同所在。形象地說，二者的差如同是弓弦推動箭矢前進與火藥催動彈頭前進的不同那么大，電磁彈射的性能作用較之蒸汽彈射呈幾何級上升，可全面超越取代蒸汽彈射，其優勢主要體現在兩個方面。

“福特”級航母結構示意圖

推力靈活可控。蒸汽彈射系統彈射功率相對固定，調節空間小，無法彈射質量較低的無人機和質量超重的大型航空器。電磁彈射比蒸汽彈射具有更大的輸出調節范圍，彈射重量范圍為200千克～45噸，彈射速度范圍為100～4000千米/時，也就是說，利用蒸汽彈射無法在航母上起飛輕重不一的無人機、大型預警機、運輸機及各種新型飛機，在電磁彈射作用下均可在航母甲板上起降。除此以外，電磁彈射系統將比蒸汽彈射系統讓飛機多載重8%～15%，彈射時平均加速度只有蒸汽彈射的1/3。也就是說，電磁彈射飛機有效載荷更大，起飛時對飛行員的沖擊更小。

效率高成本低。蒸汽彈射系統能量效率只有6%，電磁彈射系統高達60%。蒸汽彈射系統在使用前預熱需十幾個小時甚至24小時，電磁彈射系統從關閉時的冷鐵狀態到發射準備狀態只需15分鐘。蒸汽彈射系統質量為538噸，體積為1133立方米，是“福特”級航母電磁彈射系統預計質量、體積的2倍。蒸汽彈射系統一次彈射作業需消耗614千克蒸汽，耗用航母大量淡水資源和加熱淡水所需要的能源，這對裝載量無法無限增加的航母來說無疑是頑疾，而電磁彈射的彈射功率僅為41.5兆瓦/小時。除此以外，電磁彈射系統還省掉了蒸汽彈射系統數噸的配套設備和排布眾多、占空間極大的蒸汽管線，大大減少了質量、空間，使系統更加簡化，便于維修。蒸汽彈射被稱為“硬彈射”，彈射系統運行時沒有反饋控制，彈射產生的瞬間拖動力易對飛機產生較大損傷，降低了飛機使用壽命。而電磁彈射被稱作“軟彈射”，直流電動機可產生較低的峰值推力和均值推力，從而減少彈射時傳遞給飛機的沖擊載荷，由于飛機所受的應力降低，使用電磁彈射的艦載機使用壽命比蒸汽彈射系統延長31%。

形成戰力還需時日

任何新事物在產生初期都會存在一系列問題，“福特”級航母上的電磁彈射系統也不例外，但新事物都是在克服和解決問題中不斷成長壯大，從而迸發出無以倫比的適應力。就目前掌握的資料來看，“福特”級航母上的電磁彈射系統需要并正在克服的問題主要體現在以下幾個方面。

重量需求超過預期導致航母其他位置重量需重新分配。從理論上看，電磁彈射系統無論從重量還是體積上都遠遠低于傳統的蒸汽彈射系統。然而，整個“福特”級航母除了安裝電磁彈射系統外，還包括升級的核動力裝置，更大的甲板、更先進的攔阻索技術、雙波段雷達、更多的艦載機等，不僅舊的裝置技術有革命性改進，還有新的裝備技術需要上艦，對電磁彈射系統的各種設備的體積、重量提出了新要求。而各種設備的體積、重量均處于未定型狀態。海軍確定的電磁彈射系統需求分離了電磁彈射系統的部件，使整個系統重量遠遠超過最初設計重量，為了保持整個艦體的平衡，其他位置的重量不得不重新分配，這直接影響到其他部位新型設備的設計，可以說牽一發而動全身，與此同時，其他部位設備設計改變與否，也將影響沖擊到彈射系統的設計制作，影響到整個艦體的布局，最終出臺的實施方案可能與初步設想大相徑庭，其性能作用也具有較大的不可預期性。

電磁屏蔽減少人體傷害和電磁干擾問題。如同磁懸浮列車一樣，電磁彈射裝置也會產生強大的脈沖式電磁輻射波，對人體造成一定程度的傷害。航母上的電磁彈射產生的脈沖輻射波不僅會對人體造成傷害，而且會產生強烈的電磁干擾，影響其他電子設備的正常運行。由于產生電磁波的主體是開縫的電磁軌道，更是增加了輻射的強度和屏蔽的難度。如何屏蔽降低輻射，減輕電磁輻射對人體產生的傷害和對其他電磁設備產生的干擾，也是“福特”級航母電磁彈射系統必須面臨并解決的問題。

快速散熱減少彈射間隔期提高彈射效率問題。電磁彈射系統運行過程中，巨大功率施加到電磁模塊后，設備溫度會急劇升高，溫度升高導致彈射所需要的力量源磁場強度不斷下降，只有溫度恢復常態后，才能再次進行艦載機彈射。否則，高溫會損壞產生磁場的導軌。

此外，研制經費超過預期，壓縮撥款是否影響研發進度，制約部分系統預期，以及電磁彈射系統在功能運行過程中產生的震動和擺動對整個艦體平衡影響的不可預期性等問題，都有待進一步解決。這些問題的存在都將注定電磁彈射系統和其他新型裝備與“福特”級航母系統的磨合之路絕不是一帆風順的，必將面臨著新的風險和挑戰。

千里之行，始于足下。電磁彈射系統以及和其一起將在“福特”級航母上列裝的激光炮及電磁炮等新概念武器，即將和“福特”級航母建造、試航、服役一道，用嶄新的理念、先進的技術翻開科技和軍事史上嶄新的一頁。

責任編輯：彭振忠