飛機是如何在航母上起飛的？

楊滌非

航空母艦是一種以艦載機為主要作戰(zhàn)武器的大型水面艦艇。航母一般總是與防空巡洋艦、多用途驅(qū)逐機、護衛(wèi)艦、核潛艇及補給艦組成航母編隊執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。航母編隊中的其他艦船為航母提供護航和補給，而航母則為整個編隊提供空中掩護和遠程打擊能力。

一架F-14“雄貓”戰(zhàn)斗機從航母上彈射起飛離開甲板的瞬間

作為目前世界上最大的技術(shù)兵器，航母給人最大的視覺沖擊就是其寬大的飛行甲板。盡管航母甲板巨大，卻也無法讓艦載機像在陸地機場上那樣起飛。因為即使是目前現(xiàn)役最大的航母——美國的“尼米茲”級，其飛行甲板全長達到了334米，仍然遠小于大部分艦載機的正常起飛滑跑距離。此外，為了避免發(fā)生事故和提高艦載機的出動效率，現(xiàn)代大甲板航母普遍采用了斜角甲板，即起飛區(qū)和降落區(qū)分開布置，這樣起飛滑跑距離就更短了。除了搭載直升機、垂直/短距起降飛機或采用滑躍起飛方式的輕型和部分中型航母外，目前采用常規(guī)起降方式的大中型航母普遍采用了蒸汽彈射器來放飛起飛重量日益增大的艦載機。

蒸汽彈射器實際上就是一種活塞沖程很長的往復式蒸汽機，利用艦上蒸汽鍋爐產(chǎn)生的蒸汽作為動力，將其壓縮到特定壓強后存儲到儲汽筒中。彈射飛機時，儲汽筒擠壓蒸汽，使其通過彈射閥進入彈射發(fā)動機汽缸內(nèi)，進而驅(qū)動汽缸內(nèi)的活塞運動，活塞再帶動往復車，將飛機彈射出去。美國影星湯姆·克魯斯的成名作《壯志凌云》，就生動地表現(xiàn)了使用蒸汽彈射器的美國航母艦載機的訓練和作戰(zhàn)過程。反映得是如此細致，以至于很大一部分影迷認為片中的主角應(yīng)該是F-14“雄貓”戰(zhàn)斗機，而非湯姆·克魯斯本人。

幾十年的實踐證明，蒸汽彈射器技術(shù)較為成熟，可靠性較強，能較好地滿足航母作戰(zhàn)的需求。但是，蒸汽彈射器也存在著一些固有的缺陷，如：結(jié)構(gòu)復雜，維護成本高昂，尤其是密封帶需要頻繁更換;無法對彈射力進行精確控制，因為不同的艦載機有不同的起飛要求，彈射質(zhì)量從幾噸到近40噸，具體要根據(jù)航母搭載艦載機以及艦載機需要執(zhí)行的任務(wù)情況來確定;彈射的機型受限較多，如無法彈射無人機等。現(xiàn)有蒸汽彈射器最主要的缺點就是操作過程沒有閉環(huán)控制，彈射時會對飛機產(chǎn)生不必要的應(yīng)力，縮短艦載機的壽命。因此，美國海軍正在研制電磁彈射裝置，并決定在新一代的“福特”級航母上采用。

電磁彈射系統(tǒng)是如何工作的

干船塢中在建的“福特”號航空母艦

電磁彈射是指以電磁力為加速手段、在短距離內(nèi)使飛機達到或接近起飛速度并實施起飛的一種發(fā)射方式。與傳統(tǒng)的蒸汽彈射器相比，電磁彈射器具有容積小、重量輕、效率高、對艦上輔助系統(tǒng)要求低、運行和維護費用低廉等優(yōu)點。

電磁彈射器實質(zhì)上是一種能量型直線電機。直線電機的動子滑塊在電磁力作用下，通過拖鉤拖動艦載機，使其達到規(guī)定的起飛速度。人們俗稱的用于彈射艦載機的電磁彈射器，實際上是一個非常復雜和精密的高技術(shù)集合體，應(yīng)當稱之為電磁彈射系統(tǒng)。電磁彈射系統(tǒng)主要包括：儲能系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)、直線電機、控制系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)、預加動力裝置、減速緩沖與剎車裝置等。這些不同功用的分系統(tǒng)和裝置有機組合在一起，才能形成一個高性能的彈射系統(tǒng)。

為何電磁彈射系統(tǒng)更有優(yōu)勢

與現(xiàn)役的蒸汽彈射器相比，電磁彈射系統(tǒng)的優(yōu)勢非常突出。首先，電磁彈射系統(tǒng)具有更好的性能，而且控制調(diào)節(jié)的范圍很廣，適合彈射多種不同起飛重量的飛機。電磁彈射系統(tǒng)能彈射幾乎所有現(xiàn)役以及將來服役的固定翼艦載機。根據(jù)所需彈射飛機起飛重量的不同，電磁彈射系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)速度和功率，精確控制彈射能量，將彈射速度控制在100～370千米/小時之間以適應(yīng)各種不同機型的彈射起飛需要。

反觀蒸汽彈射器，受其基本工作原理的限制，蒸汽控制閥門一旦打開便好似開弓沒有回頭箭，無法精確控制彈射能量。艦載機在彈射的剎那間需要承受極高的過載，對飛機的結(jié)構(gòu)造成很大的沖擊，也降低了飛機的使用壽命。有些無人機無法使用蒸汽彈射器彈射起飛，就是因為其結(jié)構(gòu)比較脆弱，無法承受巨大的瞬時加速度。

其次，電磁彈射系統(tǒng)還能滿足為下一代航空母艦提供更多彈射能量的需要，解決了當前蒸汽彈射器彈射能接近設(shè)計極限的問題。未來的電磁彈射系統(tǒng)所提供的能量將比蒸汽彈射器增加近30%。此外，因為去掉了大量與蒸汽彈射器有關(guān)的高壓、高溫蒸汽管路、閥門和機械結(jié)構(gòu)，電磁彈射系統(tǒng)的重量和體積大大減小了。電力電子系統(tǒng)的使用和系統(tǒng)的模塊化程度的提高，使得維護人員也減少了近三分之一。

當然，電磁彈射系統(tǒng)也存在一些缺點，比如高功率的電磁電動機會對艦載的電子裝置產(chǎn)生干擾。因此需要進行相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計并采取“磁封閉”電動機設(shè)計，讓電磁波的影響降到最低程度。電磁彈射系統(tǒng)在工作時還會產(chǎn)生巨大的熱能，需要消耗極大的功率來冷卻。另外，電磁彈射系統(tǒng)還面臨預算超支的困擾，但這也是新技術(shù)裝備研發(fā)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題。

與在天空翱翔的戰(zhàn)斗機相比，彈射系統(tǒng)是一個貌不驚人的裝置，但如果沒有它，所有艦載機都將成為擺設(shè)。隨著技術(shù)的進步，相信在不久的將來，電磁彈射系統(tǒng)一定會出現(xiàn)在超級航母的甲板上，它會讓飛機的起飛更加輕而易舉，更迅速、有效地完成保衛(wèi)母艦及進攻敵方的任務(wù)。

【責任編輯】張小萌