中美电磁弹射技术差距有多大：不输美国局部更先进

弹射系统

直线电机模型和模拟电磁场

　　11月4日，中国工程院院士、信息工程大学教授邬江兴和中国工程院院士、海军工程大学教授马伟明荣获本年度何梁何利基金最高级别奖项——“科学与技术成就奖”。

　　马伟明院士能够获此殊荣的原因就在于在电磁弹射、综合电力推进、新能源接入技术等领域取得了一批具有完全自主知识产权的原创性成果，共获国家科技进步一等奖2项，国家技术发明三等奖2项。那么，相对于传统的蒸汽弹射，电磁弹射具有哪些优势？电磁弹射的技术难点是什么？中国在建的航母会选择电磁弹射么？专栏作者铁流就这些读者关心的问题，进行了逐一解答。

　　Q：什么是电磁弹射？

　　A：根据电磁感应原理，切割磁感线能够产生电流，反过来，电能也能转化为机械能。电磁弹射就是根据这个原理，将电能转化为动能，弹射舰载机从航母上起飞。

　　Q：电磁弹射有哪些技术难点？

　　A：电磁弹射主要技术难点有储能技术、直线电机技术、弹射控制技术等。

　　Q：能具体说说储能技术、弹射控制技术和直线电机技术吗？

　　A：每一次电磁弹射持续时间大约不到3秒，但峰值功率高达上百兆瓦，这就需要一个储能设备将航母电站输出的电能储存起来，一瞬间释放。储能技术的难点就是需要找到能量密度很高的储能方式，否则储能装置本身体积重量超标就不能满足上舰使用的要求。

　　电磁弹射需要精确控制弹射末速度和弹射过程中加速度，弹射控制技术的难点在于对直线电机的实时反馈控制，以及对各种信息的组网、交互与处理。

　　直线电机是弹射器的执行部分，主要依靠动子和定子的无机械接触，仅靠电磁感应原理产生的电磁力实现电能到直线运动的动能转换。直线电机技术的难点是尽可能提高它的功率密度和能量效率，并且具备海洋环境适应能力。

　　Q：中国攻克这些技术的难度大吗？

　　A：虽然电磁弹射最近才被美军搬上航母，但实际上研制电磁弹射的关键技术并不是什么高不可攀的技术，很多技术都是经过了多年研究，甚至已经被广泛应用。

　　比如直线电机技术在物流传输、直线电梯、车床加工等领域都有涉及，大功率直线电机在磁悬浮列车等轨道交通领域已经得到广泛应用。

　　电磁弹射的控制技术在工业及信息领域有大量的方法可以借鉴，如矢量控制技术、直接转矩控制技术、工业总线技术及计算机技术等等，这些都可以推广并移植到电磁弹射中。

　　惯性储能的概念其实早已有之，只是以前没有这样大功率的应用需求。因此，中国攻克电磁弹射的核心技术并不存在无法逾越的障碍。

　　Q：相对于蒸汽弹射，电磁弹射具有哪些优势？

　　A：电磁弹射具有弹射性能更好、弹射更为可控、可靠性更高、适装性更佳等优势。

　　Q：电磁弹射性能更好主要表现在哪里？

　　A：电磁弹射的最大弹射能力高达122兆焦耳，比蒸汽弹射器高出约29%，可以弹射重量更大的舰载机。

　　Q：电磁弹射可控性更好指的是？

　　A：蒸汽弹射器通过机械方法控制注入汽缸的蒸汽，无法精确控制推力，在弹射过程中推力的峰谷值比电磁弹射大，这会造成舰载机因不稳定的推力而受力不均，进而因此造成机体受损。而电磁弹射加速更可控，更平稳，可大幅减小对舰载机和各部件的冲击，有利于飞机结构的设计，并可使机体的使用寿命延长31%，也能缓解飞行员的身心压力。

　　Q：为什么更新技术会比运行半个世纪的成熟技术更可靠？

　　A：电磁弹射现阶段还处于测试摸索阶段，可靠性还是不如技术成熟的蒸汽弹射的，这里的可靠性指的是电磁弹射技术成熟后理论上可以达到的可靠性。

　　Q：蒸汽弹射可控性不如电磁弹射的原因是？

　　A：因为蒸汽弹射器结构复杂零部件众多，且饱受高温高压摧残，加上蒸汽弹射器为开口汽缸结构，需要采用金属密封条保持活塞运动时汽缸内压力，受损更换极为频繁，进而导致全系统的固有可靠性不高。而电磁弹射采用四能量链冗余结构，在弹射过程中可容忍一个能量链出现故障，保证任务完成，加上定子和动子之间电磁场的非物理接触传力特性，取消了许多高磨损的机械设备，不仅寿命大幅延长，可靠性也大幅提高。

　　Q：能用具体数据来说明吗？

　　A：蒸汽弹射2次重大故障间的平均周期约405周；而电磁弹射技术成熟的话，2次重大故障间的平均周期有望达1300周以上。

　　Q：适装性更佳是什么意思？

　　A：这是指电磁弹射器相对于蒸汽弹射器安装更方便更灵活。举例来说，蒸汽弹射器大部分重量位于上层甲板，导致船体重心升高，不利于航行稳定性；而电磁弹射可灵活布置的特性，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较大；而电磁弹射采用模块化设计，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，适装性更好。

　　此外，电磁弹射器还具有比蒸汽弹射器更小的体积和质量——美国现役航母1座C13型蒸汽弹射器的总质量为538吨，体积超过1100立方米；而电磁弹射的质量小于280吨，体积小于425立方米。

　　Q：电磁弹射还有其他优势么？

　　A：电磁弹射能量利用率比蒸汽弹射更高，而且更加节约淡水资源。

　　Q：航母在海上作战，淡水资源非常宝贵，而蒸汽弹射器一次弹射作业需消耗大量水蒸汽，使用电磁弹射就可以避免在弹射中损耗淡水资源？

　　A：是的，而且因为电磁弹射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30%，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。

　　Q：中美在电磁弹射技术差距有多大？

　　A：中国是稀土永磁体生产大国，在高磁强度稀土永磁体研究方面比起美国也不显逊色，早在1996年，中国曾发布了一个口径90毫米的4磁体级的样炮原型机，可以达到电能转换50%以上，瞬间能源有成熟的20兆焦和100兆焦输出级别的器件。

　　近年来，在中国电磁弹射方面更是捷报频传——马伟明院士带领项目组完成了电磁弹射样机研制和试验的全过程，攻克43项关键技术，申报国防专利32项。某军工企业冷弹射技术可实现弹射推力达数百吨，并具有机构轻便、操作和维修简化、弹射功率高、可控性可靠性强等特点。在今年9月公布于网络的卫星照片显示，中国在某地一个机场建造了电磁型导轨式高速牵引装置工程样机测试设施，中国已成为继美国之后建成电磁型导轨式高速牵引装置工程样机测试设施的国家。

　　Q：就是说中国在电磁弹射方面已经超越俄罗斯，仅次于美国？

　　A：马明伟院士在接受媒体采访时曾表示，“在军委、总部和海军首长的高度关注和支持下，2008年我们终于研制成功小型样机，接着又做出了1：1单元设备样机，突破了全部关键技术，实现了与世界最先进技术的同步发展。中国舰载机弹射起飞技术完全没有问题，实践多次也很顺利，有信心运用到现实当中去……中国掌握的技术已经不输美国，在局部领域甚至更为先进。”

　　Q：中国正在建的001A航母会是电磁弹射航母吗？

　　A：根据目前的消息来看，中国军方实行技术大跃进的概率不高，很可能依旧采用小步快走的方式发展中国航母——001A可能会和辽宁号比较类似，通过完成航母制造的全过程磨砺中国造船工业，积累航母设计和制造经验，并对辽宁号在使用中暴露出的一些问题做一些改进。

　　Q：如果安装电磁弹射器，是否一定要上核动力航母？

　　A：虽然核动力航母在能源方面会比常规动力航母具有优势，但未必要上核动力才能保障电磁弹射所需能源。因为电磁弹射的能量利用效率很高，比蒸汽弹射要高10倍，所以常规动力航母也能上电磁弹射，只要在储能技术、直线电机技术、弹射控制技术、大功率转换技术上过关，并配属大功率燃机即可。

　　Q：中国是否一定要借鉴美国在弹射器上的使用经验，先搞蒸汽弹射，再做电磁弹射？

　　A：蒸汽弹射和电磁弹射在技术上不具备继承性，哪怕中国耗费巨资和15—30年时间完全掌握了蒸汽弹射技术，到电磁弹射之时一切都要近乎于从头开始。美国先蒸汽弹射，后电磁弹射只是因为历史原因，中国会根据自身实际情况做选择，未必会完全照搬美国的做法。

　　Q：中国蒸汽弹射和电磁弹射研究进度哪个更快？

　　A：根据官方八股文和网络消息，电磁弹射和蒸汽弹射都不乏振奋人心的消息，从兴城在建的两条弹射器来看，一条是蒸汽弹射器，一条是电磁弹射器。由此可见，蒸汽弹射和电磁弹射方案都在军方的选择方案中，两者的进度很可能大致处于同一水平，至于鹿死谁手，很可能取决于两个团队的技术成果性能和成熟度的比拼。

　　Q：002航母会安装电磁弹射器，还是蒸汽弹射器？

　　A：从实际需求上讲，未来一段时间内中国依旧会执行积极防御战略，并没有向美国那样制霸全球的需求，依靠001A和055驱逐舰为核心的航母战斗群，辅以东风21D、东风26以及南海岛礁上的航空兵力量基本能够完成第二岛链内自卫反击任务。因此，对电磁弹射航母的需求并不迫切。

　　另外，相对于弹射器技术上的捷报频传，弹射型舰载机却杳无音讯，以目前J15前轮起落架来说，显然并不适合弹射起飞。J15如果要弹射起飞，很可能需要对起落架和机体结构做一些改进。

　　所以，弹射器上国产航母还有待时日，滑跃式起飞在相当长时间内都会是主流。现在就断言那种弹射器上航母还为时尚早。