主题：【原创】航母设计杂谈 -- 心有戚戚

英国贡献了航母设计的大部分创意，第一艘改装的直通甲板航母（HMS Argus），最早设计和建造新建航母（“竞技神”号，虽然服役时间比日本“凤翔”号晚些），斜甲板，蒸汽弹射器，滑跃起飞（短距起飞垂直降落的海鹞）等等。不过，都是墙内开花墙外香，斜甲板和蒸汽弹射器让美国发扬光大，而苏联则将滑跃起飞用在了常规固定翼舰载机上。中国目前的航母作战和训练体系都是围绕舰载战斗机的滑跃起飞，但推比较小的固定翼预警机必须用弹射起飞才行。虽然可用预警直升机作为替代，但是雷达功能和覆盖范围都受到很大的限制。

按照苏联的工业实力，蒸汽弹射器的研制并不在话下。然而地处高寒地区，蒸汽弹射器有容易结冰的问题，属于水土不服。即使这样，夭折的1143.7型航母“乌里扬诺夫斯克”号还是在斜甲板上安装了蒸汽弹射器，主要用来弹射固定翼预警机。而高推比的战斗机，则可利用舰首的滑跃甲板依靠自身动力起飞。这种思路可以用在“辽宁号”和“山东号”两艘滑跃起飞航母的改进上。苏联在建造“辽宁号”的前身“瓦良格”时很可能在斜甲板上预留了弹射器的凹槽，用于将来安装弹射器。毕竟一艘航母的寿命一般为50年，中期改装是必须考虑在内的。如果安装了弹射器，“辽宁号”和“山东号”也可以携带固定翼预警机，战斗力倍增。

和之前的压缩空气弹射器和液压动力弹射器相比，蒸汽弹射器功率大且较安全（1954 年 5 月，美国本宁顿号航空母舰上的液压弹射器发生爆炸，造成近 100 人死亡）。蒸汽弹射器不用滑轮传递动力，而是将飞机直接连接到两个活塞之间的滑块上，活塞沿着两个气缸由蒸汽推进。与压缩空气和液压弹射器的高压容器相比，蒸汽气缸具有大的多的容量，可以比较持续地做功。

然而，蒸汽弹射器结构复杂、体积庞大。光是控制系统，就有好几个分系统：下图黑色代表高压液体，灰色系统代表低压液体，白色代表高压空气，格线代表低压空气。

气缸里，人能钻进，进行保养。那个开口就是让活塞和滑块之间的连杆前后移动之用。弹射时，连杆移动免不了造成一部分蒸汽泄漏，在甲板上留下一道白雾。蒸汽系统不仅保养麻烦，而且是个淡水消耗大户，每弹射一次需要消耗1.5~2吨淡水。

除了气缸和控制系统，蒸汽储压罐还是个大家伙：

弹射器滑块最后的速度达几百米每秒，如同一颗大炮弹。必须在短距离里减速至零，用的是位于弹射器顶端的水刹车（Water Brake），占地也不小：

蒸汽弹射器使用复杂的管路和设备，需要大量人员来操作和维护。首次弹射前，还需要预热各种阀门、管道和钢瓶，以达到工作温度，反应时间较长。 更为要命的是，蒸汽弹射器的输出不易调节，过程中更无反馈控制。比如，无人机的重量要比有人机轻不少，蒸汽弹射器就不能在两种机型中轻易切换。而且，一旦阀门打开，蒸汽灌入，过程就是一个固定的曲线：开始时气缸压力开始增加，弹射推力快速达到顶峰，然后压力减小，弹射推力逐渐下降。峰值时，加速度可以达到约4G，这种瞬变会损坏飞机结构、缩短机身的寿命。而到后半段，滑块速度几近极值，弹射器能量输出有气无力、飞机的自身发动机的加速效率反而更高。而且随着弹射次数的增加，蒸汽泄漏只会越变越严重，照成能量损失，导致飞机起飞速度低于预期。

比起蒸汽弹射器，电磁弹射器有很大优势。首先节约地方，没有复杂巨大的蒸汽设备和管线，只有电子设备和电缆，效率高。而且弹射器可调节推力，以适应不同机型，包括轻型无人机。同时，过程中有反馈控制、推力相差不大。

1946 年，西屋公司就测试用电弹射飞机，但由于用滑动接触电刷将能量转移到动子，系统效率低下 (<50%)，且不可靠。现代电磁弹射系统 (EMALS)用的是感应电机（与电磁轨道炮相同的原理）、利用电磁波将动子驱动向前。结束时，电磁波的方向反转，使动子返回到起始位置。除了感应直线电机的定子和动子，其它主要设备有：发电机、储能装置和控制器。

储能系统主流方案包括飞轮储能、超级电容和超导磁储能，其中飞轮储能是目前最可靠的技术方案。在真空状态下的碳纤维飞轮加速到20万转/分，24小时能量损耗只有2%，低于超级电容技术。在弹射过程中飞轮在2-3 秒的短时期内对大功率发电机做功发出百来兆焦的能量。

下表对蒸汽弹射器和电磁弹射器进行比较。福特级使用的交流电磁弹射器每次耗能121兆焦，相当于2.8公斤柴油的热值。试验时最大弹射质量为45吨（小车的重量），可以将其加速至69米/秒。输出能量为107兆焦，能量利用率为89%，大大高于蒸汽弹射的5%的效率。蒸汽弹射器输出能量最大为93兆焦，却要消耗1866兆焦的能量，当于43.8公斤柴油的热值。电磁弹射器的平均推力为120吨，而蒸汽弹射器的平均推力为101吨。然而，蒸汽弹射器的峰值推力达137吨，大大高于电磁弹射器的峰值推力126吨。两者的峰均比相差很大：电磁弹射器为105%，而蒸汽弹射器为135%。两种弹射器的平均加速度差不多，为3G不到一点，但是蒸汽弹射的峰值加速度为4G，而电磁弹射还是不超过3G。当然，一般舰载机的起飞重量为30吨左右（包括预警机），两种弹射器的推力都需下调，以保证加速度不超标。电磁弹射器的推力在84-89吨，而蒸汽弹射器的推力在82-110吨。这还是蒸汽弹射器没有蒸汽泄漏下的理想值。如果有能量损失，蒸汽弹射器的推力还要调大，峰值推力还要增加。1架可电磁弹2000次的飞机，可能用蒸汽弹1000次就不行了。

似乎电磁弹射器完胜蒸汽弹射器，然而福特级的电磁弹射器可靠性有很大问题。相反蒸汽弹射器非常可靠：配备四台蒸汽弹射器的航母在 99.5% 的时间里至少可以使用其中一台。懂王称与传统的蒸汽弹射器相比，电磁弹射器要多花费数亿美元，而且不好用。他引用的五角大楼 2018 年一份报告，平均关键故障率比海军的阈值要求高 9 倍。2021 年 1 月最新的报告指出：电磁弹射器在3,975 次的使用中，平均每181次就会有一个故障，远低于每4,166次一个故障的要求。

003型航母用的电磁弹射器采用了中压直流体制，而不是美国电磁弹射器中压交流体制。直流电调速范围很宽，抗过载性能好，调速时只需要变流，不用变压。因此系统总体重量轻、体积小、效率高。关键是可靠性还高。由于国产电磁弹射器在陆地实验之中表现出色，让它后来居上、战胜了国产蒸汽弹射器，成为003型航母的弹射器。据马伟明院士称，目前中国在电磁弹射技术上已经完成了中压直流供电系统，比美军中压交流系统要领先数十年。而中国中压直流能量转化的效率将达到90%以上，使未来003型航母可以保证舰载机和其它特种机型的正常起飞。

假设003型航母上的电磁弹射器输出能量为尼米兹级和福特级上弹射器的中间值，即100兆焦。以此能量，可将40吨的小车加速至71米/秒。按照91%的效率，输入能量为110兆焦，相当于2.6公斤等热值柴油。而30吨的飞机弹射只需2公斤不到。柴油发电机的效率为30%，7公斤左右的柴油来发电就可提供一次弹射所需的电量。战斗机用电磁弹射起飞，不用开加力，可省下很多燃油，实在是划算得很。当然战斗机起飞还需开最大军用推力，提供电磁弹射器约五分之一的能量（如果开加力能提供四分之一）。

况且，电磁阻拦索还能将飞机着舰的能量可以转化为电能，储存到飞轮储能器里，用于下一批次飞机弹射。

所以根本不用担心电磁弹射器的耗电问题，不仅常规动力航母绰绰有余，而且在076小平顶上还可装上电磁弹射器和电磁阻拦索，用于无人机乃至有人机的起飞和降落。