美军最新型“福特”级航母上的电磁弹射系统

宫春科

据中国国防科技信息网报道，通用原子公司获得为美海军建造的第二艘“福特”级航母提供电磁弹射系统的合同。“福特”级航母是40多年来美国航母发展历程上的一个里程碑，从飞行甲板、舰体、舰岛、动力单元到航空设施的设计配置，都异于以往航母，引进了众多突破性新技术，打破了以往延续半个世纪之久的航母设计惯例。全面采用电磁弹射系统取代蒸汽弹射系统就是其重要标志之一。

按部就班的成长历程

“福特”级第2艘航母“肯尼迪”号设想图

“福特”级航母的电磁弹射系统由供电系统、控制系统和电磁弹射轨道组成。供电系统由电动机、飞轮储能装置和大功率发电机组成。“福特”级航母共有4个弹射器，每个弹射器由2套供电系统和1套电磁弹射轨道组成。电磁弹射系统利用直线感应电机的直线运动，带动舰载机加速到起飞速度，其工作原理是：直线感应电机的固定部分输入交流电后，产生交变磁场，磁场在直线感应电机的运动部分产生感应电流，使运动部分变为有感应电流的导体，该部分就会受到电磁驱动力的作用向前运动。电磁驱动力和电流的平方成正比，只要能够保持电流输出达到足够的量，便能产生以平方数量增加的电磁推动力，确保运动部分有感应电流的导体（舰载机或动能弹等）在足够推力的推动下，达到起飞速度。此原理及作用和电磁炮是相同的。

美军蒸汽弹射器与飞机链接装置滑梭

电磁弹射系统第一阶段的实验大致完成于2008年9月。通过1万次的重复实验验证了弹射系统的电力、热力设备的性能及储能系统的充放电频率，通过每天近250次高强度模拟实验，发现并解决了电机振动问题，降低了系统结构损坏风险，增强了系统的可靠性和寿命。2009年7月，电磁弹射系统完成了海上真实环境、电力热动力满功率系列实验，确认了设备在最大热区间的电动发电机的可操作性，降低了弹射器的系统风险。2009年9月以后，美国还先后进行了高加速寿命实验、系统功能演示验证实验、电磁干扰屏蔽实验等等，也取得了一定的进展。

美军日常维护蒸汽弹射器

“枪弹”结合让电磁弹射进入运用新阶段。2010年12月18日，美国海军成功使用电磁弹射系统弹射成功F/A-18E“超级大黄蜂”战斗攻击机，此后又继续对T-45C舰载教练机、E-2D舰载预警机、EA-18G“咆哮者”电子战飞机等所有型号现役战机进行了电磁弹射实验，均获得成功。

2009年6月，美国正式决定在“福特”级航母上安装电磁弹射系统，并授予通用原子公司研制合同。合同规定，该公司于2015年7月交付相关硬件，首艘“福特”级航母预计于2017年交付美国海军。在即将交付该系统硬件时刻，通用原子公司获得第二艘“福特”级航母电磁弹射系统建造合同（该航母预计将于2022年交付美国海军）。这体现了美国政府和军方对前一阶段与通用公司合作研制的电磁弹射系统比较满意，关于电磁弹射各项研制的进展及性能达到了预期。

全面超越的弹射系统

常规固定翼舰载机在航母上的起飞方式包括滑越式和弹射式两种。滑越式是苏联和其军事技术主要继承国俄罗斯采用的起飞方式，即依靠自身滑翔惯性起飞，这种方式要求飞机重量轻，因此效率较低，影响有效载荷和作战效能。目前较为通用的是弹射方式，借助外部力量实现舰载机起飞。弹射起飞方式以蒸汽弹射为主，但随着现代战机性能、质量、速度的提高，蒸汽弹射已难以满足发展要求，因此美国等军事强国正在竞相研制采用电子和电气技术的弹射系统，以取代蒸汽弹射系统。电磁弹射系统是一种利用直线电机产生的电磁力将舰载机在航母甲板上加速到起飞速度的弹射装置。是用蒸汽力还是电磁力来推动舰载机上天是两种弹射系统最根本的不同所在。形象地说，二者的差如同是弓弦推动箭矢前进与火药催动弹头前进的不同那么大，电磁弹射的性能作用较之蒸汽弹射呈几何级上升，可全面超越取代蒸汽弹射，其优势主要体现在两个方面。

“福特”级航母结构示意图

推力灵活可控。蒸汽弹射系统弹射功率相对固定，调节空间小，无法弹射质量较低的无人机和质量超重的大型航空器。电磁弹射比蒸汽弹射具有更大的输出调节范围，弹射重量范围为200千克～45吨，弹射速度范围为100～4000千米/时，也就是说，利用蒸汽弹射无法在航母上起飞轻重不一的无人机、大型预警机、运输机及各种新型飞机，在电磁弹射作用下均可在航母甲板上起降。除此以外，电磁弹射系统将比蒸汽弹射系统让飞机多载重8%～15%，弹射时平均加速度只有蒸汽弹射的1/3。也就是说，电磁弹射飞机有效载荷更大，起飞时对飞行员的冲击更小。

效率高成本低。蒸汽弹射系统能量效率只有6%，电磁弹射系统高达60%。蒸汽弹射系统在使用前预热需十几个小时甚至24小时，电磁弹射系统从关闭时的冷铁状态到发射准备状态只需15分钟。蒸汽弹射系统质量为538吨，体积为1133立方米，是“福特”级航母电磁弹射系统预计质量、体积的2倍。蒸汽弹射系统一次弹射作业需消耗614千克蒸汽，耗用航母大量淡水资源和加热淡水所需要的能源，这对装载量无法无限增加的航母来说无疑是顽疾，而电磁弹射的弹射功率仅为41.5兆瓦/小时。除此以外，电磁弹射系统还省掉了蒸汽弹射系统数吨的配套设备和排布众多、占空间极大的蒸汽管线，大大减少了质量、空间，使系统更加简化，便于维修。蒸汽弹射被称为“硬弹射”，弹射系统运行时没有反馈控制，弹射产生的瞬间拖动力易对飞机产生较大损伤，降低了飞机使用寿命。而电磁弹射被称作“软弹射”，直流电动机可产生较低的峰值推力和均值推力，从而减少弹射时传递给飞机的冲击载荷，由于飞机所受的应力降低，使用电磁弹射的舰载机使用寿命比蒸汽弹射系统延长31%。

形成战力还需时日

任何新事物在产生初期都会存在一系列问题，“福特”级航母上的电磁弹射系统也不例外，但新事物都是在克服和解决问题中不断成长壮大，从而迸发出无以伦比的适应力。就目前掌握的资料来看，“福特”级航母上的电磁弹射系统需要并正在克服的问题主要体现在以下几个方面。

重量需求超过预期导致航母其他位置重量需重新分配。从理论上看，电磁弹射系统无论从重量还是体积上都远远低于传统的蒸汽弹射系统。然而，整个“福特”级航母除了安装电磁弹射系统外，还包括升级的核动力装置，更大的甲板、更先进的拦阻索技术、双波段雷达、更多的舰载机等，不仅旧的装置技术有革命性改进，还有新的装备技术需要上舰，对电磁弹射系统的各种设备的体积、重量提出了新要求。而各种设备的体积、重量均处于未定型状态。海军确定的电磁弹射系统需求分离了电磁弹射系统的部件，使整个系统重量远远超过最初设计重量，为了保持整个舰体的平衡，其他位置的重量不得不重新分配，这直接影响到其他部位新型设备的设计，可以说牵一发而动全身，与此同时，其他部位设备设计改变与否，也将影响冲击到弹射系统的设计制作，影响到整个舰体的布局，最终出台的实施方案可能与初步设想大相径庭，其性能作用也具有较大的不可预期性。

电磁屏蔽减少人体伤害和电磁干扰问题。如同磁悬浮列车一样，电磁弹射装置也会产生强大的脉冲式电磁辐射波，对人体造成一定程度的伤害。航母上的电磁弹射产生的脉冲辐射波不仅会对人体造成伤害，而且会产生强烈的电磁干扰，影响其他电子设备的正常运行。由于产生电磁波的主体是开缝的电磁轨道，更是增加了辐射的强度和屏蔽的难度。如何屏蔽降低辐射，减轻电磁辐射对人体产生的伤害和对其他电磁设备产生的干扰，也是“福特”级航母电磁弹射系统必须面临并解决的问题。

快速散热减少弹射间隔期提高弹射效率问题。电磁弹射系统运行过程中，巨大功率施加到电磁模块后，设备温度会急剧升高，温度升高导致弹射所需要的力量源磁场强度不断下降，只有温度恢复常态后，才能再次进行舰载机弹射。否则，高温会损坏产生磁场的导轨。

此外，研制经费超过预期，压缩拨款是否影响研发进度，制约部分系统预期，以及电磁弹射系统在功能运行过程中产生的震动和摆动对整个舰体平衡影响的不可预期性等问题，都有待进一步解决。这些问题的存在都将注定电磁弹射系统和其他新型装备与“福特”级航母系统的磨合之路绝不是一帆风顺的，必将面临着新的风险和挑战。

千里之行，始于足下。电磁弹射系统以及和其一起将在“福特”级航母上列装的激光炮及电磁炮等新概念武器，即将和“福特”级航母建造、试航、服役一道，用崭新的理念、先进的技术翻开科技和军事史上崭新的一页。

责任编辑：彭振忠