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什么是电磁弹射起飞(电磁弹射技术到底难在哪里,为什么只有两个国家完全掌握?)

航母作为现代海军的进攻利器,主要是通过其上装备的舰载机来实现的。从某种意义上讲,一艘航母搭载的舰载机的数量,以及为其提供的起降效率,决定了这艘航母的作战潜力和战略威慑力。

电磁弹射技术到底难在哪里,为什么只有两个国家完全掌握?

航母不仅要为舰载机提供停靠平台,还要提供其着舰跑道。在陆地上,战斗机的跑道是根据其滑行距离量身定做的,长度通常在3000米以上。无论是战斗机还是普通飞机,从地面起飞都需要达到一定的速度,所以需要利用起降跑道来帮助其滑行和加速。如果跑道太短,飞机达不到起飞速度,那么就无法起飞。

然而,在航母上,一切都变得不一样了。虽然航母被称为海上巨无霸,但与陆地机场相比还是相形见绌。航母整体长度只有300米左右,能为舰载机提供的滑行道长度只有一两百米。对于舰载机来说,滑行距离一下子缩短了90%以上,这是一个很难攻克的难题。

电磁弹射技术到底难在哪里,为什么只有两个国家完全掌握?

当然,一切皆有可能。垂直起降技术的诞生,完美解决了航母跑道过短的问题。但是垂直起降要求尽量减轻飞机本身的重量。舰载机要实现垂直起降,必须牺牲其载油量和载弹量,这将大大降低舰载机的作战半径和火力。所以垂直起降显然不是最好的解决方案。

舰载机克服不了的问题,只能靠舰载机来解决。舰载机起飞有两种方案:一种是滑跃起飞,一种是弹射起飞。

滑跃起飞是借助滑跃摇杆帮助飞机缩短起飞距离的一种起飞方式。起飞的原理是舰载机首先在平坦的甲板上滑行加速,然后通过倾斜12~15度的跷跷板改变滑行方向向上飞。离开航母甲板后,在发动机的推力和惯性作用下,仍以高抛物线状态向上滑行。在这个滑翔过程中,不断增加速度和高度,直到达到预定的高度和速度,完成起飞。

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由于舰载机加速到起飞速度的最后阶段是在空中滑翔的过程中完成的,大大缩短了在舰载机上的滑翔距离,从而解决了舰载机起飞跑道过短的问题。

世界上大多数航母都是采用滑跃起飞的方式为其舰载机提供起飞跑道,包括我们辽宁舰和山东舰。

然而,跳台滑雪和起飞的缺点是显而易见的。首先,采用滑跃起飞的舰载机发动机推重比大,会消耗大量燃油(可达最大容量的1/3),降低其作战半径。其次,在高海况条件下,滑跃甲板的紊流可能导致舰载机滑行时难以控制,可能出现偏航。最后,由于舰首上翘甲板的存在,舰载机无法停在舰首,起飞时占用更多甲板空间。

因此,早在20世纪50年代,人们就开始研发一种新的技术,——弹射起飞技术,来代替跳台滑雪。弹射分为蒸汽弹射技术和电磁弹射技术。

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蒸汽弹射技术是一项成熟的技术,主要通过蒸汽弹射器来实现。舰载机起飞前,尾翼被护圈钢圈扣在一个牢固的点上,舰载机牵引杆下降成“梭子”,梭子用钩子钩住舰载机。蒸汽从航母上的锅炉输出,加压后输入航天飞机。舰载机起飞时全功率起步,却被护圈扣住了。蒸汽弹射器一启动,舰载机发动机的动力和蒸汽压力使钢圈断裂,舰载机向前冲刺,在45m的距离内达到250km/h的速度,实现短距起飞。

蒸汽弹射器虽然比滑跃起飞进步了不少,但还是比不上电磁弹射器。电磁弹射器可以简化舰上的维护工作,比蒸汽弹射器节省30%以上的人力成本;可以最大程度地高精度控制喷射和回收;它可以节省飞机上宝贵的空间和重量

还可以弹射无人机、预警机等。更重要的是,电磁弹射器的热转化效率能够达到60%以上,是蒸汽弹射器的十倍以上。

电磁弹射器的工作原理也非常简单,早在200年前的法拉第时代就已经解决。通电导体在磁场中会受到洛伦兹力的作用,电磁弹射就是利用强电流通过电磁铁产生强磁场,作用于连接舰载机的牵引器上,带动舰载机达到起飞速度。

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尽管电磁弹射器的原理并不复杂,但是真正制作起来却极其困难。要想让二三十吨重的舰载机在短短几十米的距离上达到起飞所需的速度,电磁弹射器的瞬间功率必须达到几万千瓦,这远远超出了普通蓄电池所能承受的放电能力。

电磁弹射器采用飞轮储能装置作为主要的储能系统,它的核心部件是一个重达上百吨的巨大飞轮。航母的电力系统驱动牵引电机带动飞轮加速转动,飞轮以动能的形式把能量储存起来。一般情况下,电磁弹射器的储能系统能够在45秒内充满所需的能量,并在2到3秒内释放高达480兆焦的能量,从而将舰载机弹射升空。

电磁弹射技术到底难在哪里,为什么只有两个国家完全掌握?

除此之外,想要成功制造一台电磁弹射器,还必须配备弹射导轨、脉冲发生器、冷却系统、预加动力装置、减速缓冲与刹车装置等。这每一套装置都是一项极为复杂的系统工程。

正是因为面临诸多工程性难题,美国人用了七十多年的时间才完全攻克电磁弹射技术。从20世纪40年代开始,美国海军就开始研究电磁弹射技术,后来由于成本太高,研发工作被无限期搁置。到70年代,美国海军又重新开始对电磁弹射器进行开发。直到2017年,美国海军才将第一部电磁弹射器装备到“福特”号航母上,这也是世界上第一艘装备电磁弹射器的航母。

电磁弹射技术到底难在哪里,为什么只有两个国家完全掌握?

而现在,我们的003号航母——福建舰已经官宣下水了。这艘排水量达80000多吨的国产航母配备了我们自主研发制造的电磁弹射器,你知道这意味着什么吗?

这意味着我们只用了十几年的时间就实现了弯道超车,成为世界上第二个装备电磁弹射器的国家。这意味着我们的国产航母直接从滑跃起飞跨越到电磁弹射,而省去了蒸汽弹射这一步。这也意味着我们完全掌握了制造现代航空母舰的所有关键技术,以前从零摸索需要很长时间,今后复制粘贴就跟下饺子一样。

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