前言：“福建”舰使中国一举迈入弹射型航空母舰时代，在此之前，全世界只有美国才有弹射型航空母舰，弹射型航空母舰的核心是弹射器，美国早在30年代就装备了弹射器，中国在90年后才拥有弹射器，但仅仅几年就超越了美国。



一：中国的蒸汽弹射器

“辽宁”舰在建造之初，中国就打算为其装上弹射器，蒸汽弹射器的技术是来自苏联建造的“乌里杨诺夫斯克"号核动力航母，苏联解体后，建造了40%的“乌里杨诺夫斯克"号被拆解，乌克兰就将蒸汽弹射器的图纸卖给了中国，2010年前后，蒸汽弹射器比较顺利，这也使人们认为中国弹射型航母将使用蒸汽弹射器，2014年开始，中国在兴城的中国海军航母飞行员训练中心建设2条弹射系统，周围有2个储水罐，附属设施模拟的是锅炉、汽轮机舱。



蒸汽弹射器由两条100米长，直径0.46至0.53米的大管子组成，管子里有一个来回滑动的活塞，活塞通过上面一条开缝和弹射滑块直接相连，动力来自航母推进锅炉产生的高压蒸汽，先储存在可满足2次全功率弹射的蓄压罐内，开始工作前要进行几小时分阶段预热，当弹射器完成预热，甲板控制员引导飞机滑行进入弹射轨道中心，弹射管理员将前轮支架上的拖曳杆挂到弹射滑块上，然后用限位杆将飞机前起落架固定到弹射器上，弹射控制员将按照飞机的燃油和武器计算起飞重量，并提供弹射操纵员，弹射操纵员调整蒸汽压力后等待弹射信号。



当弹射滑块把前起落架的拖曳杆拉紧，飞行员将发动机开到最大推力，然后向弹射指挥员示意可以弹射，弹射指挥员根据大海的波涛起伏等待航母正好处于波峰位置时下令弹射操纵员按下弹射按钮，打开阀门将700公斤蒸汽释放到汽缸内，缸内压力上升到15个大气压，推动活塞以200公里的时速向前，输出能量可达95兆焦耳，将舰载机以339千米/小时的高速弹射出去，蒸汽同时也从开缝处冒出来，飞机升空后打开蒸汽排放阀将200余千克剩余蒸汽排入加压温度梯度冷凝器，同时水刹消耗2吨淡水刹停活塞。



蒸汽弹射器的蒸汽消耗对航母动力系统构成极大的压力，若弹射每分钟2架，16分钟就耗尽蒸汽轮机的蒸汽，需要25分钟后才能重新开始弹射作业，这套蒸汽弹射器需要500人伺候，每弹射100次需要检查维护一次，每弹射300次需要检查维修开缝汽缸、金属密封条，每弹射500～600次弹射需要一次中期保养，每弹射1200次弹射要进行一次大修，进行检修、膛光汽缸，更换磨损部件，管路阀门，活塞环，金属密封条，占到航母全部设备维护资金的80%，而且蒸汽弹射器受蒸汽注入阀性能限制，弹射能量极限超不过100兆焦。



蒸汽弹射器设计制造技术并不是秘密，但由于结构极其复杂，每条汽缸均由二十多个缸体组合安装而成，每个气缸长4米，温度变化高压蒸汽都会让其产生变形，对缸体材料和加工工艺要求相当高，精度达0.05毫米，对接误差不得超过0.001毫米，安装后还要进行1年内膛打磨，气缸的开口要用橡胶带形成“拉链”式密封，如何解决橡胶在高压下保持密封也不是容易的事，储气罐是一种要承受几十万次加压/卸压的大尺寸高压容器，制造工艺相当的繁琐，先是用耐高温特种合金钢钢锭反复锻压再焊成筒体，两边封头用万吨以上的水压机整体压出，并焊接在一起。



中国虽然工业制造水平比苏联提高了一大截，但在蒸汽弹射器的生产工艺方面与美国还是有很大差距的，而且“瓦良格”号在设计之初没有预留安装弹射器的位置，如果“辽宁”舰加装蒸汽弹射器，首先要切开飞行甲板，在机库中腾出1100余立方米安装弹射系统的空间，改造锅炉和蒸汽管路，由于左舷增重了500多吨，还要重新调整压舱平衡，加装蒸汽弹射器后，“辽宁”舰上使用的8台重油锅炉也无法承受连续弹射的蒸汽消耗，所以“辽宁”舰还是保留了出动强度只有“尼米兹”级航母1/4的滑跃起飞方式。



二：中国的电磁弹射器

尽管中国第二“山东”号航母依然采用滑跃起飞方式，但外界普遍认为中国必定会发展弹射型航母，可能采取同时研制蒸汽和电磁两种弹射器的“两步走"策略，哪个项目进展顺利就用哪个，中国在2002年就已经开始电磁弹射器的研制工作，到2008年完成原理样机，2013年才开始研制样机，并在在兴城建造了电磁弹射试验系统，2015年，马伟明团队攻克电磁弹射器技术，2016年9月15日，弹射型歼15舰载战斗机完成首飞，并在航母训练基地内的弹射器试验场内电磁弹射成功，但为了有充裕的时间来试验和完善电磁弹射技术，003型航母仍然决定采用蒸汽弹射器。



电磁弹射器结构简单，没有了复杂的高温、高压管路，蒸汽、拖索张紧及润滑系统体积比蒸汽弹射器小1/3，重量只有200吨，不需要淡水，维修间隔是蒸汽弹射器的4倍以上，启动速度只需十几分钟，功率可调，加速均匀，日弹射量比蒸汽弹射器提高30%，还节省30%的人员，但前提是要足够的电力、高效的储能装置和电力管理系统，否则很快会将电力消耗殆尽，中国在2018年才解决飞轮储能、超级电容以及中压直流电力系统技术，这是因稀土强磁材料大大提高了电机的功率密度，减小了电机的尺寸和重量，高温超导材料解决传输过程中的损耗问题，高密度电能存储器解决了快速充放电问题。



由于电磁弹射器的巨大好处，原本设计使用蒸汽弹射器的003型航母宁愿将建造周期延误了近1年半也要装上电磁弹射器，由于电磁弹射器的长度比蒸汽弹射器长了10多米，导致前2部电磁弹射器安装位置明显后移。右侧弹射器挡焰板由前升降机前部移到了侧面，左侧弹射器的挡焰板移到了斜角甲板，导致舰载机着舰时不能使用这部弹射器，由于采用了电磁弹射系统，舰内空间的利用率比“小鹰”级航母多30%，虽然吨位上与美国“福特”级核动力航母有着20000吨的差距，但飞行甲板面积只有不到10%的差距，与“尼米兹”级航母差不多，同样可以布置30个停机位，比辽宁号航母多3倍。



三：美国的蒸汽弹射器

美国早在二战就研制成功MK1和MK2液压弹射器，可以将五吨重的飞机在22米内加速到112公里/小时，成为二战美国航母上必不可少的设备，当时的航母载机载弹量小，飞行速度低，面对敌方舰队攻击成功率相当低，只有大机群攻击才能突破防空炮火和战斗机拦截，而当时甲板上可以停放60~80架舰载机，按顺序摆放在后甲板上起动发动机起飞，当逆风风速为55千米/小时时，只用137米就可起飞，如果风速9千米，就要183米，多出的飞机要放在机库中，美国“埃塞克斯”级航母有两台29米弹射器，有50米的长度可停放多10~15架飞机。



弹射器只要5千米/小时风速就能起飞飞机，而且还能节省7%的燃油，能挽救20%的返航飞机，不用整个舰队掉转航向寻找逆风，在受到攻击时完全可以在顺风或微侧风情况下把飞机送上天，美国的特混舰队紧急时刻一分钟就可起飞8架飞机形成一波战斗机群，不过随着飞机重量的增加，最大输出功率只能达到20兆焦耳液压弹射器已经满足不了要求，英国海军首先想到用舰上主锅炉的蒸汽直接驱动弹射器，1950年在“英仙座"号航母安装了BXS-I蒸汽弹射器，美国迅速买下这项技术，仿制成功的C-11型蒸汽弹射器。



之后相继开发了C-7、C-11-1、C-13、C-13-1、C-13-2蒸汽弹射器，现役的是C-13-2，主体在飞行甲板下方一个1.07米深、1.42米宽、101.68米长的开口槽中，总体积1133立方米，全重486吨，蓄压罐重48吨，蒸汽管道重28吨，活塞和往复车总重2.88吨，连续弹射八次水温会下降到225℃，航母航速就会从30节降低到20节，要恢复航母的速度，就要停止弹射，等待蒸汽压力恢复，虽然技术成熟，但蒸汽弹射器有内在缺陷，平均故障率接近2%，美军一半航母都要待在基地更换复杂管路阀门、汽缸、密封材料，美军对此一直深有意见，想更换一种新的弹射器。



四：美国的电磁弹射器

早在1945年，美国西屋电气公司就在夏威夷建造了一台名为“电弹器“的电磁弹射器，采用直线电机设计，弹射功率与蒸汽弹射器相似，可以在178米内把4吨重的物体加速到180千米，但制造需要大量的铜，使用也需要大量的电能，当时的技术水平解决不了而被放弃，80年代末，随着民用的飞轮储能技术、电力电子变换技术、控制技术有了巨大的进步，美国又开始重启研制电磁弹射器，1988年，生产超高速电梯的卡曼电磁系统公司开发出一个长3.66米的模型，静态推力可达到500千牛，该公司提出的方案并没采用超导体，而是使用可实现性很高的永磁和常规的铜绕组电磁技术。



1992年，美国海军与卡曼公司签订研制电磁弹射系统关键组件验证合同，由卡曼公司设计全尺寸样机用于验证设计原则、可控性、推力和效率预测，90年代后期，美国海军才正式将电磁弹射系统摆上了议事日程，完成了概念和定义工作，，确定“福特”号航母项目将使用电磁弹射器， 1999年美国海军分别拨款6177万美元给诺思罗普·格鲁曼公司和通用原子公司，给出38项技术建议，委托他们48个月内完成航母电磁弹射器项目评估及研究试验，诺思罗普·格鲁曼公司于2003年率先制造了一台长度50米的1：4缩比样机。



但通用原子公司业务领域之一是磁悬浮列车，磁悬浮列车用的直线电机就是电磁弹射器最核心的技术，它的方案的基本原理是长约103米的直线感应电机固定部分通上交流电后，产生交变磁场，在直线感应电机的运动部分产生感应电流，运动部分受到安培力的作用直线运动，带动舰载机加速，美国海军在2004年审查两家公司的验证机后，通用原子公司的电磁弹射器方案中标，得到1.45亿美元、为期5年的正式合同开展电磁弹射器的研制工作。



通用原子公司的电磁弹射器方案主要技术难点是直线电机功率仅为几百千瓦，电磁弹射器的峰值功率要求达到100兆瓦以上。因此采用了4台30兆瓦直线电机并成一部电磁弹射器，直线电机峰值功率损失可达到13.3兆瓦，最高温度可达118.2℃，需要冷却系统散热，电磁弹射器对电力需求很大，航母的电力主要来自于核反应堆，无法直接实时供给电磁弹射器，要采用飞轮储能装置每次2～3秒的电能事先储存起来，在需要的时候瞬间释放，电力储能系统为每次2～3秒的弹射能量，并在弹射间隙进行充电。



电磁弹射器最关键、技术难度最大的技术瓶颈是高功率循环变频器，循环变频器设计非常复杂，需要将4台交流发电机的24相(每一相的输出能力为0～1520伏，峰值电流6400安，可变化频率为0-644赫兹)输入电能准确地输入正确的模块端口，还要准确地管理298个直线电机的电磁模块，在直线感应电机的运动部分到来前0.35秒内让电磁体充电，而在运动部分经过后0.2秒之内停止送电并输送到下一个模块，循环变频器每次弹射中工作10～15秒，需要528千瓦的冷却功率确保温度低于84℃， 美国海军要求用7年时间完成这一部件的研制，可见研制难度之大。



直到2007年通用原子公司才完成系统开发及验证项目关键设计评估，2008年完成电力储能子系统电机部件的工厂验收测试。2008年完成直线感应电机测试， 2009年6月，通用原子以5.73亿美元的价格开始生产“福特”号航母的电磁弹射器，自2010年，，美国海军在新泽西州麦克圭尔-迪克斯-莱克赫斯特联合基地使用电磁弹射器成功弹射了1架F/A-18E战斗攻击机，并对T-45C舰载教练机、C-2A舰载运输机、E-2D舰载预警机等进行了100多架次弹射舰载机试验和近2000次发射试验，但是时间十分紧迫，必须赶上“福特”号航母的建造进度，为赶上建造进度，海军同时进行电磁弹射器的测试、生产和安装，但还是无法按期完成。



2013年，延期超过15个月的电磁弹射器的前端部件在纽波特纽斯造船厂内装上“福特”号航母，但是自从“福特”号航母装上电磁弹射器后就麻烦不断，除了预算超支外，14项关键技术中9项还没完全成熟，特别是电磁弹射器，设计要求平均故障周期是4166小时，实际只有272小时，导致“福特”号航母迟迟无法服役，时任总统的特朗普公开宣称电磁弹射器“多花了上亿美元的钱，又不好用”，应该拆除改装成蒸汽弹射器，只是特朗普这个外行不知道，“福特”号航母在设计时根本没为蒸汽弹射器准备容纳蒸气管道、储汽罐的空间，对已经建造完毕的内部结构改动难度之大不异于重建。

四：结语

“福特”号航母2016年下水，一直拖到2022年才服役，至今还没形成战斗力，美国海军对其电磁弹射器怨声载道，“福建”航母2022年下水，下水时已经完成度近80%，栖装仅用一年，预计2025就可服役，并迅速开工004、005号航母，连076两栖攻击舰也装上电磁弹射器，可见海军对其电磁弹射器技术有多么满意了，这也充分说明了中国在航母技术领域只用了十年就已经追上了领先了八十年的美国。