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电磁弹射器(即所谓是新一代航母的核心技术之一,对于提升其作战效能有着巨大的价值。但长期以来,关于电磁弹射的发展应用存在一系列不准确、不全面的观点,也带来了诸多的误解和人云亦云。本⽂旨在通过解读分析我国科研团队的相关论文,探讨“电磁弹射”的基本技术原理和优势,以及围绕其的争议和问题。

在本文中所引用的信息,未特别标明的都

(一电磁弹射的原理和技术门类

首先需要明确,电磁弹射技术属于广义上的“电磁发射技术”的一种,其实质是将电磁能变换为发射载荷动能的一种能量变换装置。除了电磁弹射外,目前发展中的电磁发射技术主要还有“电磁轨道”和用于航天发射的“电磁推射”两大类。但不管其用途如何,所有的电磁发射系统都是利用脉冲率发生装置产生的电磁力推动负载达到速度的装置,其核心部分主要由储能系统、脉冲率变换系统、脉冲发射装置和闭环运动控制系统四部分组成。

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电磁发射系统的基本

在上图中,电磁发射系统的工作原理是:储能系统以较小的率长时间地从电吸收和存储能量;当储存的能量满足发射所需后,一旦接收到发射命令,立即向脉冲率变换系统释放能量;脉冲率变换系统将储能系统释放的电能变换为脉冲发射装置工作所需的脉冲电能,产生电磁力推动发射体运动;闭环运动控制系统实时地控制发射体的运行轨迹,确保在预定的位置将其加速至设定的末速度,完成发射任务。

按照其用途、发射轨道长度和末速度的不同,电磁发射技术可以区分如下:、电磁弹射技术,主要应用于航母舰载机弹射,发射轨道长度一般不超过米,其末速度可达/(公里/小时的级别;、电磁轨道技术,主要用于电磁和近防,其发射轨道⻓度⼀般在⽶以内,末速度可达/(-倍⾳速;、电磁推射技术,主要⽤于航天器发射,其发射轨道⻓度在千米级别,其末速度可达/(第一速度。

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不同类别的电磁发射技术简图

在具体讨论电磁发射技术时,还有⼀个非常需要注意的技术指标:在其发射过程中产生的加速度,⼀般使⽤标准加速度(约为/来加以标称。在很多时候,加速度值是一个⾄关重要的指标。对于一般人来说,超过的加速度就难以忍受,即便是久经训练的⻜行员也只能短暂承受不超过的加速度,超过限度就有可能产生短期或永久的身体伤害乃至死亡。⽽各种设备同样有值的,一般的⺠航客机不能超过.个,否则就有空中解体和结构损坏的可能。即便是机,其可承受的值也相当有限,⽐如肥电在最初中,其可承受的结构加速度值也不过.。

在电磁发射领域,由于其可以实现相当稳定的加速过程,其发射过程可以近似简化为牛顿力学中的零初速度匀加速过程。根据相应的运动公式,其发射过程中所需的加速度其实只受到发射轨道长度和末速度两项的影响。更精确一些的说,其加速度和轨道长度成反⽐(轨道越长,所需的加速度越小;和末速度(最终速度的平⽅值的一半成正比(要求的末速度越大,其所需的加速度越大,⽽且成平方式递增。由此,我们在附表中给出三种电磁发射方式的参数,及其所需的不同加速度。

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电磁发射的分类

在表中,我们可以看到三类技术在值数据上的巨⼤差异。在下⾯的讨论中,我们可以发现:稳定、可调、较低的值成为了电磁弹射优越于传统蒸汽弹射方式的优点。另一方面,尽管本文不会展开,但在实际发展中,动辄⼏千甚⾄-万的超高值要求成为了阻碍“电磁轨道”和“电磁推射”技术实用化的拦路虎。

(二电磁弹射蒸汽弹射:压倒性的

要讨论电磁弹射的优缺点,就必须将其和当前正在使用的蒸汽弹射技术进行对比。在马院士团队的相关中,给出了电磁弹射器与当前最成熟的蒸汽弹射器(的-型的相关参数对表。将数据两相参照,电磁弹射的压倒性优势一目了然:

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电弹和蒸弹的性能参数对比表

、稳定的加速度值剧烈的加速度变化

首先,请注意表中第项“加速度峰均⽐”。这⾥就是前⾯提到的电磁弹射的⼀项优点:稳定的加速度值。前面已经提到,不论是电磁弹射还是蒸汽弹射,其加速过程中的平均加速度只和轨道长度和最终速度两项有关。在这两项相同的物理理条件下,其弹射过程中的平均加速度应该是一致的。但在实际操作中,其加速的稳定程度差异巨大:电磁弹射的加速过程⾮常稳定,加速度不过⽐平均加速度高%而已;⽽蒸汽弹射的加速度,可达平均加速度的倍以上!

其实,航⺟⻜行员早就注意到了蒸汽弹射加速不均的问题。他们经常吐槽,蒸汽弹射器在其后半段产生的加速度还不如⻜机⾃己发动机的能力。但在蒸汽弹射器的启动阶段,其产生的加速度却可达或以上!这么高的值,不但对飞机的结构和维护提出了了很大的挑战,更对航⺟⻜⾏员的健康带来了相当大的潜在伤害。为此海军对舰载机的检修以及航⺟⻜行员的弹射⻜行次数都进⾏了严格的规定和。

在电磁弹射方式下,这一问题迎刃而解。以美帝标准的英尺(约⽶轨道,末速度约为节(约公⾥/小时的弹射标准计算,其弹射过程中所需的平均加速度不过.。以电磁弹射器不超过%的峰值加速度计算,弹射过程中的加速度显著低于。这是⼀个⽐过⼭车还低的数值,理论上来讲,你我这样的普通人也可以在后座上体验一下电磁弹射的滋味,⽽基本没有不适。

这样的稳定性,不但可以缓解舰载机的和维护压⼒,更可以最⼤限度的保护舰载机⻜行员,让他们发挥出最⼤的能力。对此,⻢院⼠团队中认为:(电弹推⼒可控,加速平稳,可⼤幅减⼩对舰载机和各部件的冲击,有利于飞机结构的,并可使机体的使用寿命延⻓%,也能缓解⻜行员的身⼼压⼒。

、宽容的舰载机弹射标准严酷的结构门槛

接下来,请注意第项“弹射末速度范围”和第项“末速度误差”。在前⾯的讨论中,我们已经弹射所需的平均加速度取决于末速度和轨道⻓度两项。通过这两者的数据范围,我们可以基本估计出电磁弹射允许的平均加速度范围:.到;⽽蒸汽弹射则是-。再加上前面提到的峰均比问题,任何要上蒸汽弹射的飞机,最少也需要能承受以上的结构加速度。这实际上,就对可弹射飞机的种类和结构了了很⾼的门槛。尤其是对无人机上舰,带来了很大的问题。

现代大型无人机的起飞速度⼀般可以控制在公里/小时(约/,这基本也就是电磁弹射器的起⻜速度下限的由来。在这样的起飞速度下,使用电磁弹射器所需的平均加速度不过.,无⼈机基本无需大的修改就可以正常上舰。可如果使用蒸汽弹射器,就必须修改其基本,让其可以承受以上的结构加速度。这样的修改伤筋动骨不说,还必然要付出重量、成本、载弹/油性能⽅面的巨大代价。

同样的问题,也发生在舰载运输机、预警机、反潜机、加油机⽅面。如果不考虑舰载起降的需要,这些类型飞机的过载要求基本上都只需要.。可如果使用蒸汽弹射的话,就要进⾏大规模的结构强化,并为此付出相当⼤的性能代价。⽽如果使用电磁弹射,并配合采⽤用相应的电磁拦阻方式的话,可以大幅度降低这些舰载机的结构过载要求,从⽽相当大的提升这些飞机的使用性能。如果说这个问题对于已经有成熟机型的来说不过是锦上添花的鸡肋的话,对于一切从头来过,机载动力还常常不给⼒的来说,就不但算是雪中送炭还更是天作之合。

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央视中曾经出现过的电磁拦阻设备

、舰载机:重的更重、轻的更轻高不成低不就

在这里需要注意的指标是“弹射⻜机质量”和“最⼤弹射能量”。在⻢院⼠团队的相关中对此如下:蒸汽弹射器通过机械⽅法控制注⼊汽缸的蒸汽,推⼒无法精确控制,并且输出的能量调节范围也很有限,因此过重和过轻的飞机都无法弹射,这就是目前美国现役航母上无法装备重型舰载机和轻型无人机的重要原因。的最⼤弹射能⼒⽐蒸汽弹射器高出约%,达,并且输出能量调节范围大,因此其弹射能⼒是蒸汽弹射器无法⽐拟的

正如以前相关帖子中强调的那样,航⺟群的核心是舰载机!无防两端,飞机才是航⺟群真正的和依靠。航母本身只是承载和⽀持这些利器的基地,舰载机才是航母的战⽃力所在。要想打造出能和在大洋上一较高低的航母,就必须拥有可以与之有效对抗并进行压制的新一代舰载机。从我国机的发展现状来看,无论是当前唯⼀可用的舰载机,还是成军的四代机,都是最⼤起⻜重量在吨以上的重型战⽃机。再考虑到相比中型机的效率提升,下⼀代舰载机继续⾛重型路线是最为合理和高效的选择。

电磁弹射器的⼤推⼒再搭配过载控制⽅面的巨⼤优势,相信我国的下一代重型舰载机,可以在⼏乎所有⽅面稳稳压过当前发展的和组合,从而为我们的航母群带来世界上最强的⽭头。⽽电磁弹射出色的能量和弹射质量调节范围,也为舰载无人机的⼴泛运用提供了条件。这些越来越成熟、精密、智能的⽆人机,则⽆疑可以为航⺟群提供锐利的眼睛和低成本、低风险的打击工具。这两者的组合,⽆疑远超所谓中型多能机的思路。让其显得低不成、⾼不就。

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军博战略模型上舰载版和无人机、预警机的组合

、⾼能量效率和快速作战准备巨大能耗和缓慢预热

这里需要的是“能量效率”和“准备时间”这两项指标。关于电磁弹射的⼀个常见误解是其消耗的能量巨⼤,⾮采用核动力不可云云。这说法不但⼴为流传,还一度被很多人认为是国产常规航母只能采用蒸汽弹射的证据。但表上面的两项数据告诉我们,事实恰恰相反:电磁弹射相对于蒸汽弹射的另一项重大优点就是节能高效和使⽤便利。

蒸汽弹射器的能量效率仅为%~%,⽽的能量效率比蒸汽弹射高出倍,可达%,⼤大提⾼了能量利用率蒸汽弹射器一次弹射作业需消耗蒸汽,耗用航母⼤量的淡⽔资源和加热淡⽔所需要的能源。⽽在的弹射时间内率约为,折算下来仅消耗约·电能。另外,对于润滑油、水等其辅助需求,也具有很大的优势。

如其所述,一次电磁弹射的总耗电是区区度,折合成目前的居民用电⼤约是元⼈民币不到。⽽把⼤半吨水烧成蒸汽,并让其⻓期保持⾼压高温状态,所需要的能源和成本可就海了了去了。而蒸汽弹射器的另一个问题就是准备时间太长,“蒸汽弹射器从冷态启动时,正常预热时间⻓达小时,⽽的准备时间不到分钟,⼤大提高了战场应急反应能⼒和作战效率”。蒸弹的预热准备时间这么长,那使用中的应对办法就只有一个:⻓时间的保持蒸汽弹射系统处于工作状态。⽽这⼜进⼀步增加了耗能和系统维护的困难!

这几项数据其实也可以用来破除一个常见的误解:所谓只有核动力才可以配置电弹。电弹本身对能源的利用效率远比蒸弹高得多,其难度不在于船舶发电的率大小,不管蒸汽轮、燃气轮还是核动力,其电力水平都不难达到电弹系统的要求。其真正的难度在于对输入的外部电源如何有效的放大,将其转化为弹射时几秒钟所需要瞬时高密度能量。某种程度上讲,其实蒸弹倒和核动力更为登对,反正反应堆一直烧着,蒸汽可以持续低成本的产出。

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蒸汽弥漫的弹射过程,背后是巨大的能耗浪费

、高适装性的更多可能维护困难的机械恐龙

,让我们看⼀下这几项指标“系统质量”、“系统体积”、“⼈力需求”。这⼏项的数据,合起来其实就是⼀个问题:电磁弹射器的适装性更为优秀。相⽐于蒸汽弹射器器,其在重量、体积、可维护性⽅面都有了质的提高。和电磁弹射相比,传统蒸弹更像是维护困难的巨大机器恐龙:

美国现役航母座型蒸汽弹射器的总质量为吨,体积超过,⽽的质量小于吨,体积小于。更为严重的是,蒸汽弹射的⼤部分质量位于上层甲板,导致船体重⼼升高,不利于航⾏稳定性,⽽可灵活布置的特性,能够避免这个问题。

蒸汽弹射器多个部件之间由⾼温⾼压的管路连接,并且弹射汽缸必须整体安装,在航⺟上的总体安装与布置难度相当大。但采用模块化,直线电机可以分段安装和拆卸,各个部件通过电缆或信号⽹络连接,布置灵活,适装性更好。

蒸汽弹射器⼈力需求量大,维护保养耗时耗⼒一直是为美军所诟病的难题,⽽且其全寿命周期费⽤。采用电⽓化信息化手段,简化了操作方法,并可实现全系统的状态监控和故障自诊断,⼈力需求减小%,维护工作量⼤大降低,平均故障修复时间⼤大减少,并且节省了全寿命周期费用。

电磁弹射⼤幅减少体积重量、模块化的思路、便捷的安装⽅式,其实还提供了更多脑洞洞⼤开的可能性。⽐如,是否可以在这样具有相对大直升机甲板的舰艇上安装弹射器,以对应⼀一种可以采⽤用弹射重载起飞、垂直降落的有⼈/无人机?再比如,是否可以⽤模块化的方式移动式陆上电磁弹射系统,支持实战条件下的短距起飞?是否可以考虑在这种拔机场,引⼊电磁弹射系统,辅助战机在不利环境中重载起飞?不管答案如何,电磁弹射的⾼适装性至少为这些思路提供了可能。

简单总结一下,电磁弹射技术的先进性是无可匹敌的,其各方面的预期指标完爆蒸汽弹射技术。其相关优点,尤其适合于中国海军这样没有历史包袱,又需要从头进行体系建设的新兴力量。在不远的将来,电磁弹射技术必将彻底取代传统弹射方式。

今年⽉日,美国海军在福特号航⺟上成完成了了首次载⼈机电磁弹射起飞和降落。这不但着电磁弹射器在世界范围内正式成军,也代表着其工作状况开始符合要求,可以开始实际的运作使用。但伴随着的这一性进展前后的,却是一系列对电磁弹射的质疑和批评。其中最重量级也影响的,

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年月日,电磁弹射器的首次载人实际运作

在今年中接受美国《时代周刊》的采访时,川普强烈抨击了美国海军的掌上-新型高科技航母福特号上面的电磁弹射器。其原话是:“这对我来说很糟糕,数字化,他们都是数字化的。是数字化?就是非常地复杂,你必须像爱因斯坦一样才能搞得懂。我说‘他们想购买更多的’。我问‘他们将使用样的系统?’他们回答我‘我们还将使用数字化的系统’。我说‘不,你们不可以这样做,你们必须完完全全地用蒸汽弹射系统,数字化的系统要花费上亿美元,而且还不好使’。”

这里有段据说是引发川普大怒的小:在其三月份访问福特号期间,参观到电磁弹射器时,领导习惯性的的问了一声“,?”(嗯,运行的怎么样?,有一位未辨明其身份(的吃瓜群众回答到:“总统先生,不行啊,不怎么样,没力量。您蒸汽的一直很强悍,你可以看到那混球东西(一直跑,蒸汽冒的到处都是,然后飞机就给扔上了天。”之后,川普就被出了上面的那一段话。

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正在参观福特号的川大统领

不过,大领导的震怒,看来没有影响到美国海军对电磁弹射器的信心和决心。在今年初,即便福特级的第三艘“号”还没有开始切割钢板,美国海军已经将为其提供电磁弹射器的价值.亿美元的合同,授予了其开发商通用原子(。即便在大统领震怒之后,也坚决的表示没有任何改换回传统蒸汽弹射器的计划和想法。

在对电磁弹射器的众多批评之中,比较有代表性的是一篇发表在非政府组织(,以针对军事和政府项目爆料出名站上面的::(如何不去造好一条船:福特。这篇被广泛的,并被国内的某军事选用编译,成了反对电弹人士的一剂强心针。由于翻译很不,找到的原文一看,除了如延误和超支严重这些非技术问题(的军事开发项目最近有不延误超支的吗?,和技术与有关的主要是以下几条:

工作负载问题:海军低估了电弹带来的工作量和维护负载,导致必须改变原有、扩展相关空间,以容纳增加了的人员编制;

弹射应力问题:按照原指标,电弹应该可以有效降低飞行器弹射时的结构应力负载(即前文中讨论的值,但在陆地上实际测试中,/-的主结构应力负载是增加了的。(这里上面的翻译错的离谱!

维护问题:电弹的维护方式有问题,海军发现其无法隔离某一条弹射器进行检修,从而显著降低了系统性和运作能力;

弹射性问题:目前电弹的故障率已经降到了分之一,即大约每次弹射有一次故障,但距离其目标次还差的很远;

在进一步讨论电弹的现存问题和挑战前,先和大家分享一个小。在十九世纪二十世纪之交,对于汽车的发展前景也曾经有过广泛的争论。汽车的批评者将其和已经非常成熟的马车进行对比,认为其技术太复杂、性能不、操作难可控、购置成本高、驾驶很危险等等。在当时来看,这些批评算得上非常合理和中肯。

当·弗里德利希·本茨于年制造出世界上第一辆使用内燃机的汽车时,这辆车只有三个轮子,而且不太容易操纵,经常在围观的人们哄笑中撞到墙上,敢于驾驶这辆车的人是本茨的太太。直到年,美国密歇根州储蓄总裁还建议他的客户不要投资创办福特汽车。当时他说:“马车将继续保留下去,但机动车只会是很快消失的新奇玩意。”

但这些非难和指责只是新事物发展时遇到的一点小浪花而已,那辆笨拙的本茨三轮车最终演化成了奔驰,而亨利.福特则永久的改变了世界工业和交通的格局。电弹面临的问题其实与之类似:尽管其技术本源非常先进,带来的优势一目了然,其未来前景同样可以预期,但在短期内,其的确面临技术成熟度不足的问题,也需要时间进行迭代升级,先进的技术也对相关人员的技能和素质提出了更高的要求:

、电磁弹射的相关技术还在成熟发展的过程中

从发展的角度来看,电磁弹射技术还处于其生命周期的非常前端。从所谓新技术引入的澡盆曲线来看,还是一个故障多发、性能成熟和稳定率不足的时期。但即便如此,目前实现的分之一的故障率指标,实际上已经达到了已经发展了半个多世纪,迭代改进了-代的蒸汽弹射器的同等水平(的-型弹射器的故障率同样是次。如果一个刚刚开始工作的年轻学徒,在其实习期就可以做到和工作了三四十年的老工匠的同等水平,人们大约会认为他是天才。

回头扒一扒蒸汽和其他类型弹射器的早期发展史,更是惨不忍睹。不但故障率远高于现在的电弹,更发生过多次严重的事故:包括蒸汽弹射器相关的多次锅炉和发生在年一次性导致人丧生,并促使美国海军永久放弃该类型弹射器的班宁顿号液压弹射器事故。比较一下:由于没有任何高压蒸汽和易燃易爆部件,电磁弹射器的实现原理,已经基本杜绝了此类事故的发生。电磁弹射器需要的,其实只是更多的改进时间,让其最终实现技术的稳定与完善。

、电磁弹射也需要经历必要的技术迭代改进

鉴于实际需求的多样性和复杂性,当代的任何先进产品都需要进行不断的迭代改进与进化。其中一个典型的例子就是,当其第一代产品于年发布的时候,同样存在诸多的不足和:信号不好、续航短、软硬件配合有问题等等。但是,在其开发者坚持不懈的一代代改进之下,这些缺点最终被一一有效克服。在其发布时冷眼旁观的传统厂商,随之一家家的或或转型。

对于电磁弹射器来说,同样会有一个迭代改进的过程。中所指出的对于工作负载估计不足,维护困难之类的,在很大程度上都

、电磁弹射的应用对相关人员素质提出了更高的要求

回到川大统领的言论上来,尽管不少人对其关于“太多数字化”的言论冷嘲热讽,但我倒是觉得他说对了一点:电磁弹射这种新技术的引进,确实对相关操作维护和使用人员提出了更高的要求,特别是科学技术知识和能力方面的要求。相比于结构不算复杂,但需要几百个人围着转,不断拆卸润滑、维护伺候才能玩得转的蒸汽弹射器,电磁弹射器需要的人员肯定大大减少,费时费力的体力劳动同样大幅减少,但对其人员的知识水平要求确是急剧提升的。

打个不一定合理的比方,蒸汽弹射器需要的更像是管道工,需要不怕脏不怕苦,有一把子力气又认真肯干;而电磁弹射器需要的是汽车师和电脑维修员合体,需要会用现代化的数字监测工具,需要能够有效的检查、监控系统的运作,需要学会合理的配置参数和必要的工序。这样的人,尽管估计不需要川大统领所说的“爱因斯坦的脑子”,但也肯定不是现有的只会擦管道上油的老黑老墨们能够搞的定的。

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维护中的蒸汽弹射器,原有的舰员的技能多数难以满足电弹要求

讲句题外话,最近所谓“美国同意向印度出口电磁弹射技术”的消息不少。且不说老美到底是要讹钱还是真心要扶持阿三,但就从印度海军一贯以来的工作态度和能力,以及其整体的国民科技文化程度来说,就算是美国把相关产品卖给它,并且手把手的交上个几年,我也不觉得印度人玩得转。现代化的,最重要的就是掌握现代科学知识并有组织纪律性的国民,阿三无论哪一条都难以满足。

、对军来说,蒸汽弹射器同样需要成熟

需要特别指明的是,川大统领可以要求返回使用蒸汽弹射器,是由于对于来说,蒸汽弹射器是一个使用了几十年、进行了几代迭代的成熟技术,相关的配套体系和人员非常健全。但对军来说,情况则完全不一样。蒸汽弹射对我们同样是新技术、新产品,一样要经历一个完整的故障率澡盆曲线。而且,考虑到工业科技树的点亮方式,我国在电子电力方面明显技术更为成熟进步,和世界领先水平的整体差距更小。相应的,采用电弹方式也让人更有信心。

,除了希望本文能够有助于澄清一些常见的误解和讹传外,还是要表达个人的一贯观点:采用电磁弹射技术,是在高起点上建设航母力的举措,是基于我国科技和工业发展的合理选择,是尽快形成与有效对抗力的重要基石。让我们一起期待,装备电磁弹射器和相关先进飞行器的航母型驰骋在大洋上的英姿!

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