美國「福特」號上的電磁彈射器世界第一？發展過程你可能並不知道

航母是當前最具威懾力的戰略裝備之一，其重要性不言而喻。自誕生以來，航母最為倚重的武器就是它所搭載的艦載機。艦載機的性能和起降效率直接決定了航母的戰鬥力，因此如何提高艦載機的飛行頻次，是航母最需要解決的問題之一。從過去發展到現在，航母艦載機的起飛方式主要有三種：一個是滑躍起飛，一個是彈射起飛，一個是短距/垂直起飛。其中彈射起飛方式主要依賴各種各樣的彈射器，目前主要有蒸汽彈射器和電磁彈射器。今天就為大家介紹一下航母彈射器的過去、現在與未來。

一、壓縮空氣彈射器

在航母剛誕生的時候，搭載的都是輕型的活塞螺旋槳戰鬥機，它們基本都是在飛行甲板上滑行起飛。這種方式雖然很原始，但是如果不考慮艦載機的降落的話，起飛效率還是很高的。然而隨著新型艦載戰鬥機的出現，起飛重量和載彈量均有所增加，因此需要藉助一定的外部推力，促使艦載機以更快的速度起飛，同時不需要大幅增加飛行甲板的長度。彈射器就是在這一需求下誕生的。

在1910年代初期，英美海軍的技術專家開始設想研製一種可以給艦載機加速的彈射器。其中埃瑞森根據投擲器的原理，提出可以製造一種類似的機械裝置，通過重力和自由落體的加速度，帶動轉輪上的繩索，為艦載機的起飛提供動力。雖然這個設想並沒有付諸實施，但已經開始了彈射器的雛形發展階段。後來他又根據礦山上使用的壓縮空氣機，設想由類似的壓縮空氣推動氣缸提供動力源，利用氣體膨脹直接帶動轉盤和繩索，通過氣缸產生的壓力來調節彈射力。這次他的想法獲得了支持。

1912年的7月，埃瑞森負責研製的壓縮空氣彈射器進行了第一次彈射試驗，他本人也成為第一位被彈射器彈射出去的飛行員。然而首次測試並未成功，彈射器產生的加速度並不能有效控制大小，導致飛機彈射出去時機頭上揚，最終失衡墜落。幸運的是埃瑞森本人並無大礙，又對該彈射器進行了持續改進，加裝了一個閥門來控制彈射器產生的推力。同年12月，壓縮空氣彈射器再次進行測試，成功彈射了一架飛機。然而後來由於各種原因的影響，壓縮空氣彈射器的研製被迫中斷。

1919年的7月，美國又重啟了壓縮空氣彈射器的製造，但載體並不是航母而是戰列艦。到了1922年，「馬里蘭」號戰列艦上的彈射器進行了第一次實操，彈射了首架飛機。這種彈射器被稱為A系列彈射助推器，彈射距離只有20米，推力也僅有1.59噸。經過多次測試後，證明該彈射器完全可行。於是美國海軍將種彈射器安裝到了多艘戰列艦上，並進行了後續研究和改進。壓縮空氣彈射器的終極型號是A MK4型，推力已增加至2.8噸多，然而仍無法滿足航母需要，美國海軍將注意力集中到了火藥彈射器。

二、火藥彈射器

壓縮空氣彈射器的主要缺點是動能太低，而火藥則具有較高的能量密度，因此用火藥彈射器取代壓縮空氣彈射器成為航母技術人員的新課題。採用火藥作為動力源的一大難題是如何控制彈射力，為此專家提出了幾個辦法，包括增加轉盤的質量、設計合理的裝藥量等。經過一系列的測試，美國研製出了P系列的火藥彈射器，分為炮座同轉式和固定式兩種。

火藥彈射器的發展也經歷了幾個階段，MK1型是試驗型，主要用於驗證火藥彈射器的可行性。MK3型是改進型，採用炮座同轉式結構，推力為2.9噸。1924年12月，MK3型的火藥彈射器在「密西西比」號戰列艦上進行了測試，成功彈射了一架飛機。次年還安裝到了其他戰列艦上。MK4型是MK3型的衍生版本，採用的是固定式結構。MK5型是去掉壓縮空氣裝置改進來的，也是該系列彈射器中推力最大的，達到了3噸。火藥彈射器發展到了MK8型，是專門為航母設計的，但是並沒有實際應用。

火藥彈射器也有很多缺點，最主要的是持續時間很短，能夠彈射起飛的重量有限，最大推力只有3噸。此外，火藥彈射器不能在封閉式空間內使用，只能安裝在甲板上，因此最終仍沒有被航母所採用。與此同時，航母技術大國英國也進行了相關的彈射器研製工作，先後推出了壓縮空氣彈射器和火藥彈射器，但是總體進度比同時期的美國要慢一些。

三、飛輪彈射器

在研製和改進火藥彈射器的同時，有人提出了另一種彈射器的設想，這就是諾爾頓設計的飛輪彈射器。這種彈射器的工作原理是利用慣性飛輪儲能，通過摩擦傳遞動力，從而產生較大的牽引力和彈射速度，助力飛機的起飛。飛輪彈射器採用一個6噸重的飛輪，可以進行水平順時針旋轉，由軸承固定，安裝在甲板下層。彈射器啟動後，飛輪會進行高速旋轉，產生很強的彈射力，通過輪軸上的纜繩傳遞給飛機。

飛輪彈射器的第一個型號MK1型只在陸地上進行過測試，首個實際應用型號是MK2型，安裝到了航母上。在測試中，MK2型的飛輪彈射器衝程達到了20米，推力約4.5噸，末端速度34.5節。飛輪彈射器也有很多固有缺點，首先是該彈射器擁有6噸重的飛輪，需要很大的支撐力；其次由於採用摩擦方式傳遞動力，因此設備磨損的很厲害；最後還存在不穩定震動等現象，因此飛輪彈射器僅是曇花一現，沒多久就被放棄了。

四、液壓彈射器

到了1930年代，航母和艦載機發生了很大變化，對彈射器的需求也變得越來越迫切。隨著機械技術和液壓技術的不斷突破，以此為基礎，美國開始了大型航母彈射器的研製，推出了液壓彈射器。液壓彈射器的原理是先通過動力源擠壓、驅動液壓油，再以高速流動的液壓油推動活塞，藉由活塞的高速移動帶動一系列複雜的滑車、滑輪與纜線機構，然後利用與纜線連接的彈射梭，帶動和牽引飛機加速。

1934年，XH1型液壓彈射器誕生，它可以把一架重約2.5噸的飛機加速到39節。次年又製造出了XH2型液壓彈射器，理論上可以將重約3.5噸的飛機加速至61節。H3型是首個專門用於水上飛機的液壓彈射器，後來還推出了H4型和H5型。H4型安裝到了「埃塞克斯」級航母上，發揮出了巨大作用。H4型液壓彈射器的彈射力在1.6噸到7.3噸之間，衝程31.7米，末速度78.3節。液壓彈射器的最優版本是H8型，它的最大彈射重量約7噸，衝程達53.1米，可以彈射第一代噴氣式艦載機。

隨著新型艦載戰鬥機的出現，液壓彈射器的潛力也被挖掘殆盡。為了增強彈射能力，液壓彈射器只能不斷的提高液壓工作時的壓力，還要增加滑輪組的纜線纏繞比，但是這也會加大零部件所要承受的載荷，使整個彈射器越來越龐大。此外液壓油在高速流動推進時，安全性與可靠性也存在一定問題。在這種情況下，液壓彈射器的發展之路也走到了盡頭。

五、蒸汽彈射器

在改進液壓彈射器的同時，美國還研製了一種開槽氣缸式彈射器，繼續採用火藥作為動力源。1951年，美軍推出了第一種開槽氣缸式彈射器C-1型，可以將13.6噸重的飛機加速至60節。與此同時，英國開始了蒸汽彈射器的研製，並於1950年在「英仙座」號航母上安裝了一部BSX-1蒸汽彈射器。經過多次試驗後，英國的蒸汽彈射器技術越來越成熟，美國也將正在研製的C-7型從火藥彈射改成了蒸汽彈射。後來美國又從英國引進了BSX型蒸汽彈射器，在此基礎上推出了C-11型蒸汽彈射器。

改進之後的C-7型蒸汽彈射器安裝到了「福萊斯特」號航母上，可以將31.8噸重的艦載機加速至116節，彈射衝程高達90.8米。在英國BSX型蒸汽彈射器基礎上推出的C-11型蒸汽彈射器，於1954年首次安裝到了「漢科克」號航母上，可以推動31.4噸重的飛機達到107.5節的速度。之後美國又推出了C-11-2型彈射器，到1961年研製出了C-13型蒸汽彈射器。

C-13型彈射器是全球最先進的蒸汽彈射器，主要有兩個版本，一個是標準版的C-13型，一個是加長版的C-13-1型。美國海軍現役的「尼米茲」級核動力航母，採用的就是4具C-13-1型彈射器。標準版的C-13彈射器長約80米，能把35.4噸的艦載機推送到139節的速度。C-13-1型彈射器的長度增加到近100米，可以將34噸重的飛機彈射至185節的起飛速度。法國「戴高樂」號航母使用的也是C-13型彈射器。

儘管蒸汽彈射器已經非常先進，但仍存在缺點。首先蒸汽彈射器十分笨重，C-13型彈射器整個系統重達幾百噸，體積1000多立方米。其次它需要很多的操作和維護人員，啟用時需要幾十人同時工作，相關的維護人員多達數百人。最後蒸汽彈射器需要消耗大量的蒸汽能量，難以持續進行高強度的工作。因此新一代航母開始尋求重量更輕、體積更小、效率更高的彈射器。

六、電磁彈射器

在蒸汽彈射器之後，美國首先開始了電磁彈射器的研製。1980年代後期，美國設計出了電磁彈射器的小比例模型，論證了該項技術的可行性，之後便開始了電磁彈射器的研究工作。2004年美國海軍選中了通用原子公司發布了的電磁彈射器方案，之後確定將首先應用在下一代核動力航母「福特」級上。該級航母的第一艘「福特」號於2017年7月服役，它安裝了4具電磁彈射器，成為全球第一個使用電磁彈射技術的航母。

電磁彈射器的工作原理是利用直線感應電機的直線運動，帶動艦載機加速到起飛速度。具體來說，直線感應電機的初級部分通電後產生交變磁場，電機的次級產生感應電流，處於交變磁場的次級部分就會受到力的作用向前運動。電磁彈射器主要由彈射直線電機、儲能系統、電力電子變換系統、控制與狀態監測系統等組成。相比蒸汽彈射器，電磁彈射器的重量減輕約一半，體積減少約40%，彈射功率提高46%，操作維護人員也更少。

雖然具有很多優點，但是電磁彈射器畢竟是全新技術，它的研製不僅投入巨大，而且工期漫長。儘管「福特」號航母上的電磁彈射器已經進行了測試，成功彈射了F/A-18「超級大黃蜂」艦載戰鬥機，但已經出現了故障。因此作為未來航母上的新裝備，電磁彈射器的發展和完善仍需要時日。除了美國，還有其他一些國家也在進行電磁彈射器的研究工作。

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