楊王詩劍

“福特”號又遇上麻煩了！近日，特朗普在接受媒體采訪時，對海軍的電磁彈射器提出了強(qiáng)烈批評。他表示，“福特”號（題圖）上的電磁彈射系統(tǒng)問題重重，可能只有愛因斯坦這樣的天才才能解決，所以應(yīng)該將其拆除，并換成“完完全全”的蒸汽彈射器。一個是成名已久的中堅，另一個是初嘗海味的新人，美國海軍引以為傲的創(chuàng)新并未換來新總統(tǒng)的點贊。不過，在堅持己見和落實指示之間，美國海軍依舊硬氣?；蛟S，持續(xù)數(shù)十年的“蒸電之爭”將由“福特”號劃上句號。

電磁彈射較蒸汽彈射的五個“更”

蒸汽彈射是通過高壓氣缸和控制系統(tǒng)將高溫蒸汽能量轉(zhuǎn)化為動能推動飛機(jī)起飛，而電磁彈射則是利用載流導(dǎo)線在磁場中受力，使磁通量在瞬間發(fā)生巨大的變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電磁斥力，將飛機(jī)彈射升空。工作原理上的根本差別，決定了電磁彈射技術(shù)較蒸汽彈射技術(shù)具有五大顯著優(yōu)勢。

結(jié)構(gòu)更簡單由于需要制造、輸送和儲存大量高溫高壓蒸汽，蒸汽彈射系統(tǒng)包含無數(shù)管路、閥門，并且彈射汽缸必須整體安裝，造成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、體積異常龐大。目前美國海軍列裝的最新型蒸汽彈射器（C-13-2型）總重量超過500噸，體積約1 000立方米左右。相比之下，電磁彈射系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，直線電機(jī)可以分段安裝和拆卸，各部件之間使用電纜或無線網(wǎng)絡(luò)連接，總重量約225噸，體積只有425立方米左右，縮減超過50%。

結(jié)構(gòu)簡化、體積縮減后的優(yōu)勢是顯而易見的。一方面，能夠為航母騰出大片空間，進(jìn)一步增強(qiáng)了航母的容量。據(jù)美國海軍計算，電磁彈射器較蒸汽彈射器節(jié)約的空間，在合理的設(shè)計下，能夠多容納2～3架F/A-18E/F戰(zhàn)斗機(jī)。另一方面，維護(hù)難度和周期大幅下降。據(jù)媒體報道，一艘“尼米茲”級航母上與彈射系統(tǒng)運(yùn)維相關(guān)的人數(shù)為500人，2次重大故障間的平均周期約405周；而在“福特”號航母上，這兩個數(shù)字分別為350和1 300。

冗余度更高蒸汽彈射器采用“串行”動力傳輸設(shè)計，即高溫高壓蒸汽通過數(shù)根首尾相接的管道導(dǎo)入蒸汽儲存裝置內(nèi)，這就造成了一旦傳輸管路任意一處損壞，那么整個彈射裝置都會“停擺”。相較而言，電磁彈射器采用的四能量鏈“并行”設(shè)計則要好得多。它由24個相對獨立的直流電機(jī)共同發(fā)電做功，如果其中1～2個損壞，只要戰(zhàn)機(jī)的裝載量不需滿功率起飛，則可以通過調(diào)高剩余電機(jī)的功率來彌補(bǔ)能量損失，待完成彈射任務(wù)后再進(jìn)行檢修。更高的冗余度，不僅能夠有效提升戰(zhàn)機(jī)出動率、降低戰(zhàn)機(jī)彈射過程中的風(fēng)險，而且在一定程度上能提高彈射器的生存能力。

能源效率更高由于高溫高壓蒸汽的產(chǎn)生和傳輸步驟繁多，因此能量損耗極大，從核反應(yīng)堆輸出的能量大約只有6%能夠最終用在彈射上。而電磁彈射器采用直線電機(jī)方式，從核能到動能只經(jīng)過一個電能轉(zhuǎn)化存儲的步驟，因此功率損耗遠(yuǎn)小于蒸汽彈射器，能量利用率能夠超過60%。換句話說，彈射同一架艦載機(jī)，蒸汽彈射器的輸出功率是電磁彈射器的10倍左右。

可控性更好蒸汽彈射器通過閥門控制注入汽缸的蒸汽，無法精確控制推力，在初始階段彈射力度非常大，最大過載可達(dá)6g，隨后快速衰減，尤其是到了彈射后期，往往還沒有飛機(jī)自身的發(fā)動機(jī)加速得快，整個彈射過程波動很大，但平均加速度只有2g多一點。美海軍艦載機(jī)飛行員常常調(diào)侃“蒸汽彈射器前面是推著飛機(jī)，后面則是飛機(jī)拖著彈射器走”。而電磁彈射器是通過調(diào)節(jié)電流控制彈射力度，因此運(yùn)行過程精確可控，借助自動化控制程序，可以根據(jù)負(fù)載變化、飛機(jī)速度實時調(diào)整彈射力度，峰值過載從6g可以降低到3g。

彈射過程全程可控的好處是顯而易見的。一方面，由于沒有爆發(fā)性強(qiáng)力沖擊，不僅能避免艦載機(jī)結(jié)構(gòu)受損，使戰(zhàn)機(jī)壽命延長約31%，而且對飛行員的身體承受能力也有很大程度改善。另一方面，由于彈射過程中的加速度基本穩(wěn)定，對彈射效率也有一定提升。根據(jù)計算，平均加速度一樣時，電磁彈射器可比蒸汽彈射讓飛機(jī)多載重至少8%甚至能15%，這對于“寸地寸金”的艦載機(jī)來說無疑意味著作戰(zhàn)能力方面的提升。

能量幅度更寬蒸汽彈射器的推力與彈射器長度和氣缸容量成正比，加速過程越長、瞬間釋放的蒸汽越多，那么彈射器的力度就更大。目前美國海軍裝備的C-13-2型蒸汽彈射器最大輸出能量95兆焦耳，已近極限，很難再有明顯提高，這相當(dāng)于把艦載機(jī)的“背囊”大小給限定死了。同時，氣缸的容量又是一定的，因此，彈射器也有不小的推力下限。綜合來看，蒸汽彈射器對艦載機(jī)的重量有非常清晰的適用范圍，太大太重，彈不起來；太小太輕，一彈就碎，極大制約了艦載機(jī)的選配及性能。而電磁彈射器就不存在這樣的限制，其推力可從0調(diào)節(jié)到122兆焦耳，幅度更寬，這意味著拉低了艦載機(jī)的準(zhǔn)入門檻，無論是小型無人機(jī)，還是重型戰(zhàn)機(jī)，都能找到適合自己的彈射點位。

蒸汽彈射與電磁彈射在成本上的比較

技術(shù)和資金是武器裝備發(fā)展永遠(yuǎn)繞不過去的兩個坎，任何一款新裝備的產(chǎn)生，都是不斷平衡先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性的過程，特別是在裝備越來越貴，而國防預(yù)算又十分有限的情況下，成本更是成為了發(fā)展新技術(shù)新裝備的關(guān)鍵詞，即使是財大氣粗的美軍也無法持續(xù)用黃金去購買戰(zhàn)爭的勝利。從成本這個角度來看，電磁彈射技術(shù)較蒸汽彈射技術(shù)存在較為明顯的優(yōu)勢，但需要注意的是，理論上的優(yōu)勢。

建造成本美軍對彈射器的造價一直守口如瓶，但從美軍公布的一系列相關(guān)合同中我們能一窺究竟。

2015年6月，美國海軍授予通用原子公司7.37億美元，為“福特”級二號艦“肯尼迪”號（CVN-79）建造先進(jìn)攔阻裝置和電磁彈射系統(tǒng)。當(dāng)時，前航母項目執(zhí)行官、海軍海洋系統(tǒng)司令部指揮官摩爾表示：“大家都知道，我們在航母建造上因為先進(jìn)攔阻裝置和電磁彈射系統(tǒng)造成了一些重大的成本超支，但是，在CVN-79上我們已經(jīng)控制住了成本。”說明電磁彈射系統(tǒng)的造價已經(jīng)下降，并且正在逐步進(jìn)入正常區(qū)間。

2016年1月，海軍授予了通用原子公司“福特”級三號艦“企業(yè)”號（CVN-80）5.27億美元的電磁彈射系統(tǒng)合同?！案Ｌ亍奔壓侥干鲜褂玫碾姶艔椛淦?，單價大約是1.3億～1.4億美元。這與特朗普在接受采訪時提到的“數(shù)億美元”比較符合。

至于蒸汽彈射器，據(jù)報道，美國賣給法國海軍的兩部C-13型蒸汽彈射器單價約為1 200萬美元，當(dāng)時捆綁銷售的E-2艦載預(yù)警機(jī)單價為2.5億美元?？紤]到美軍自用的E-2單價約為1.76億美元，按照這個比例計算，C-13型蒸汽彈射器的單價應(yīng)在850萬美元左右，相當(dāng)于電磁彈射器的1/15，難怪特朗普氣得直跺腳。

使用成本雖然造價高，但電磁彈射器在運(yùn)行、維護(hù)上卻體現(xiàn)了巨大的成本優(yōu)勢。上文提到，蒸汽彈射器需要500人的運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊，這意味著每10名艦員中就有1個是專門用來服侍彈射器的。此外，蒸汽彈射器的U型密封條等零部件壽命非常短，需要經(jīng)常更換，無形中增加了運(yùn)行成本。據(jù)美國媒體報道，單純的運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)蒸汽彈射器的費(fèi)用，就占到了整個航母全部設(shè)備維護(hù)資金的40%。

而電磁彈射器不僅節(jié)約了人工成本，而且理論上由于磨損較少，各零部件的壽命相對要長的多。美國海軍官員表示，使用電磁彈射器系統(tǒng)在未來航母的50年壽命周期當(dāng)中可為海軍節(jié)約40億美元的維護(hù)資金。相比之下，多出了幾億美元造價真的不算什么。當(dāng)然，這40億美元目前還停留在紙面上。

蒸汽彈射與電磁彈射對平臺需求的區(qū)別

無論是蒸汽彈射還是電磁彈射，都需要從別處攝取能量，以將其轉(zhuǎn)化為推動飛機(jī)起飛的動能。而對艦載機(jī)的高出動率要求，決定了航母必須提供足夠的能量供彈射器使用，因此，彈射器對平臺有著特殊的需求。

蒸汽彈射器需要充足的淡水用來轉(zhuǎn)化為高溫高壓的水蒸氣。公開資料顯示，蒸汽彈射器平均每次彈射要消耗近700千克淡水，需要專門的海水淡化裝置予以保障。

而電磁彈射器則需要充足的電力供應(yīng)。以“福特”號航母裝備的電磁彈射器為例，每次全功率彈射耗能122兆焦，要求45秒內(nèi)完成充電，充電所需功率約2.7兆瓦。按照60%的系統(tǒng)效率，總功率大約為4.5兆瓦。假設(shè)4部彈射器全部工作，同時充電需要大約18兆瓦功率，幾乎占“福特”號A1B核反應(yīng)堆總發(fā)電功率近20%，占“尼米茲”級采用的A4W反應(yīng)堆總發(fā)電功率近60%。雖然這是假設(shè)中的最大功耗狀態(tài)，但考慮到航母上還有雷達(dá)、空調(diào)等耗電大戶，電磁彈射器對電力的需求已經(jīng)非常巨大。

實際上，早在1945年，美國海軍就利用線性電動機(jī)研制出早期的電磁彈射系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗。有消息指出，當(dāng)時曾經(jīng)成功把4噸重的飛機(jī)在200米的距離上加速到時速180千米。但由于當(dāng)時電機(jī)技術(shù)和軍艦電力系統(tǒng)尚不成熟，該電磁彈射器的性能與當(dāng)時的液壓彈射器以及后來的蒸汽彈射器還有較大距離，所以美海軍最終還是優(yōu)先選擇了蒸汽彈射器。

蒸汽彈射與電磁彈射在研制難度上的比較

不難發(fā)現(xiàn)，蒸汽彈射與電磁彈射之間并沒有必然的技術(shù)繼承性，從研發(fā)難度上講，兩者都不簡單。

眾所周知，蒸汽彈射器各個部件都要頻繁承受高溫高壓蒸汽的沖擊，如何保證各系統(tǒng)在這樣嚴(yán)酷的環(huán)境下穩(wěn)定工作是研制階段的最大難題。簡單來說，蒸汽彈射器的研制難度不在于原理，而在于對零部件較高的制造工藝上。這里面，又以C型開縫氣缸的密封問題難度最大。一方面，氣缸較長，需要非常精密的制造工藝才能生產(chǎn)出符合要求的密封條；另一方面，活塞運(yùn)動時，活塞柄全程與密封條接觸，如果后者密封力過大，那么磨損就會非常嚴(yán)重，反之，則會導(dǎo)致蒸汽的大量泄漏，如何平衡這兩個問題是保證彈射器效率和安全的關(guān)鍵。

經(jīng)過半個多世紀(jì)發(fā)展，目前美軍使用的C-13-2型蒸汽彈射器已經(jīng)較為成熟，但仍有部分問題沒有解決，這也是美軍下定決心攻克電磁彈射的原因之一。不過，后者的難度有過之而無不及。

一是電能儲存技術(shù)。與蒸汽彈射一樣，電磁彈射也要將一次彈射所需的電能提前存儲起來，以保證彈射時能瞬間釋放足夠的功率。這就需要研制一種高密度的儲能裝置，不僅具備較快的充電效率，而且在超大電流反復(fù)充放的情況下，能夠保證足夠的使用壽命。最重要的是，必須滿足上艦的體積重量要求，想搬個巨大的電池組上艦是不可能的。對此，“福特”號上的電磁彈射器采用了慣性飛輪強(qiáng)迫儲能裝置解決這一難題。簡單來說，就是飛輪電池的“航母版”，即利用類似飛輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生能量的原理來實現(xiàn)自身充放電（飛輪轉(zhuǎn)速上升時為儲能狀態(tài)，下降時為放電狀態(tài)），當(dāng)然，無論是材料強(qiáng)度還是精密度都要求極高。

二是直線電機(jī)技術(shù)。直線電機(jī)是電磁彈射器的執(zhí)行部分，其基本結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子縱向剖開，展開成平面相對而立，并固定在直線方向上延長，而原來的轉(zhuǎn)子改稱為動子，被支撐起來穩(wěn)定保持在兩片定子之間。當(dāng)定子通過三相交流電時，產(chǎn)生的是直線移動的磁場，動子就會順著定子延展的方向移動，從而拉動飛機(jī)加速?！案Ｌ亍碧柹系碾姶艔椛淦魉捎玫闹绷麟姍C(jī)，是由288個直線電機(jī)模塊構(gòu)成定子，不僅對這288個模塊加工特別是與動子相對面的平整度要求微米級誤差，而且對動子精度要求更高。為此，所有模塊單元在安裝時也要求十分精準(zhǔn)的定位。美軍要求動子與定子面的標(biāo)準(zhǔn)距離為0.3毫米，誤差不得超過0.1毫米。試想一下，100多米長的運(yùn)動距離，全程左右擺動距離不能超過頭發(fā)絲的直徑，難度可想而知。此外，電磁彈射器還存在防止永磁電機(jī)消退磁、屏蔽磁場泄露等技術(shù)難點。

在武器裝備領(lǐng)域，優(yōu)勢永遠(yuǎn)是與難度成正比的。

特朗普的小心思

蒸汽彈射和電磁彈射孰優(yōu)孰劣？其實，從美國海軍將合同授予通用原子公司的那一刻起，這個爭論許久的問題就已經(jīng)有了答案。作為總統(tǒng)的特朗普，不可能不明白這一點，但為何又“任性”了一次呢？

原因很簡單：施加壓力。近年來，圍繞“福特”級航母發(fā)展的一系列新裝備都面臨巨大的經(jīng)費(fèi)超支和時間拖延問題。對此，如果是希拉里執(zhí)政，可能會從國家軍事戰(zhàn)略角度來認(rèn)識這一問題，不會公開提出如此尖銳的批評。但商人出身的特朗普關(guān)注的是成本和效益，在沒有看到明顯效益之前，任何超支都是難以接受的。此前他就曾表示，將削減F-35C采購合同，同時增加F/A-18E/F最新升級版的采購數(shù)量，以此來迫使洛馬公司降價。從某種程度上講，這次對電磁彈射器的抨擊，實際上是又一次商業(yè)手腕的政治運(yùn)用，即通過強(qiáng)硬的姿態(tài)壓迫對手，突破邊界來試探對方的底線，以達(dá)到自己的目的。

如今的“福特”號技術(shù)狀態(tài)已經(jīng)定型，要拆換彈射器無異于畫蛇添足，費(fèi)力費(fèi)時費(fèi)錢，所以，這種抨擊也只是嚇唬嚇唬手底下的將領(lǐng)們，或者發(fā)發(fā)牢騷?？梢钥隙ǖ氖?，“福特”號的最大技術(shù)亮點必然會保留。

是起點，也是終點

“福特”號是電磁彈射的起點，會是蒸汽彈射的終點嗎？答案是肯定的。且不提該級二號艦和三號艦的電磁彈射系統(tǒng)的建造合同已經(jīng)授出，電磁彈射的優(yōu)勢毋庸置疑，新航母也能提供足夠的能源予以支撐其高效運(yùn)轉(zhuǎn)，無論從哪個角度觀察，喜新厭舊的美軍都不會倒退回蒸汽時代。美國眾議院軍事委員會官員曾表示，“電磁彈射器項目對于航母來講至關(guān)重要，如果電磁彈射器不能工作，那么國家就是投資數(shù)十億美元建造了一艘毫無用處的船?！睕r且，隨著首艦入役，電磁彈射器的使用經(jīng)驗和數(shù)據(jù)將開始快速積累，這有助于廠家對相關(guān)問題進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而有效提高進(jìn)度和降低成本。

實質(zhì)上，電磁彈射是技術(shù)大背景下的必然選擇。如今，水面作戰(zhàn)艦艇全面電氣化已是大勢所趨，電磁彈射能夠更好地與平臺上的各類作戰(zhàn)保障系統(tǒng)對接，實現(xiàn)全艦的能量統(tǒng)一調(diào)配，有利于提高艦艇能源使用效率。如果說“福特”號上僅存的電氣化缺口——鍋爐，還能給特朗普或者保守派提供“復(fù)辟”蒸汽彈射的幻想，那么，未來實現(xiàn)全電推進(jìn)后，電磁彈射必將徹底斷絕蒸汽彈射的前途。

需要指出的是，技術(shù)發(fā)展的基本規(guī)律就是曲折向前。在和平時期，武器裝備很難有機(jī)會得到實戰(zhàn)檢驗，因此，對于耗資巨大、進(jìn)度緩慢的新軍事技術(shù)，很容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的質(zhì)疑。但也應(yīng)認(rèn)識到，無論是基于舊技術(shù)的升級，還是基于科學(xué)理論的新發(fā)現(xiàn)，新技術(shù)都有著堅實的發(fā)展基礎(chǔ)，客觀上都具有提升現(xiàn)有能力的前景，所以，在現(xiàn)實條件允許的情況下，對于發(fā)展新裝備新技術(shù)，態(tài)度必須要堅決。

往大了說，國防建設(shè)不是經(jīng)濟(jì)建設(shè)，投資效益或許很長時間都不會顯現(xiàn)，不能因為看不到眼前的好處就放棄對國家安全的維護(hù)，否則，一旦戰(zhàn)火降臨，所有自豪與驕傲都將化為塵土。

對彈射起飛方式的重新審視

電磁彈射器相對于蒸汽彈射器的優(yōu)勢，并沒有消除彈射起飛方式固有的缺陷，例如，對航母空間的搶占、必要的運(yùn)維人員、對能量的巨大需求等。這些都對航母本身的設(shè)計建造起到了負(fù)面影響。

從歷史上看，無論是提高艦載機(jī)出動率的初衷，還是噴氣式艦載機(jī)的出現(xiàn)，彈射器存在的根本原因都是航空技術(shù)無法滿足航母的作戰(zhàn)需求。而其中最突出的，就是當(dāng)前的航空發(fā)動機(jī)性能無法滿足艦載機(jī)的全負(fù)荷起飛要求。因此，決定艦載機(jī)起飛方式的根本因素，并非起飛技術(shù)的優(yōu)劣，而是航空技術(shù)特別是航空動力技術(shù)的發(fā)展。從這個角度來講，關(guān)于蒸汽彈射還是電磁彈射的糾結(jié)，不過是技術(shù)發(fā)展過程中的一個節(jié)點而已，這種糾結(jié)必然會隨著航空動力理論或技術(shù)的發(fā)展而慢慢消散。

關(guān)于中國下一艘航母起飛方式的探討

說到航母，就不能不提中國。最近，首艘國產(chǎn)航母順利下水，大家在為祖國點贊的同時，也在關(guān)心下一艘國產(chǎn)航母是否會將彈射器搬上大甲板。畢竟，美國海軍航母編隊實在太令人震撼，“美國標(biāo)準(zhǔn)”似乎已經(jīng)成為了先進(jìn)航母的標(biāo)準(zhǔn)。不過，最貴的不一定是最好的！發(fā)展武器裝備還是要根據(jù)實際情況，量身定做。為此，我們簡要分析下第二艘國產(chǎn)航母可能采用的艦載機(jī)起飛方式。

如果延續(xù)滑躍起飛方式，無論是艦體設(shè)計還是艦載機(jī)設(shè)計，技術(shù)都非常成熟，能夠以最短的時間快速形成戰(zhàn)斗力，從而與現(xiàn)有兩艘航母一起，形成覆蓋周邊海洋的強(qiáng)大作戰(zhàn)體系。

但滑躍起飛對于艦載機(jī)品種、載重和出動率的限制卻是不可回避的問題，特別是對航母編隊偵察預(yù)警體系至關(guān)重要的固定翼預(yù)警機(jī)無法上艦。因此，采用滑躍起飛將極大制約航母編隊作戰(zhàn)的能力范圍和?？章?lián)合作戰(zhàn)效能。按美國和法國計算，同樣噸位的航母，采用彈射起飛方式和滑躍起飛方式，作戰(zhàn)能力比大概是3：1到4：1之間。雖只是理論計算，但卻不無道理。如果采用彈射起飛方式，那么蒸汽彈射器的可能性更大。盡管蒸汽和電磁彈射技術(shù)我國都在研究，并且目前來看，似乎電磁彈射在研制和試驗進(jìn)度上還有一定優(yōu)勢，但不可忽視的是，航母設(shè)計建造是一個系統(tǒng)工程，最基本的要求就是動力輸出與負(fù)載相匹配。電磁彈射需要動力系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)提供足夠的電力，而我國大型艦船的動力系統(tǒng)對此還存在一定的困難。

另一方面，據(jù)悉，我國已經(jīng)研制蒸汽彈射器20余年，此前也曾獲得國外蒸汽彈射器可供參考，無論從研制還是使用角度，相對電磁彈射都要成熟不少。對于中國這個航母俱樂部的新人來說，技術(shù)上不必追求一步到位，畢竟連半個多世紀(jì)以來都在用航母的美國人，也被電磁彈射回收技術(shù)卡住了脖子。因此，在周邊局勢惡化、海外利益亟需維護(hù)的戰(zhàn)略背景下，積極穩(wěn)妥地推進(jìn)航母建設(shè)并盡快形成戰(zhàn)斗力，才是當(dāng)務(wù)之急。