日前，山東號(hào)正式交付。山東號(hào)依然采用滑越起飛，并沒有采用福特級(jí)的電磁彈射。此前，中國(guó)工程院院士、信息工程大學(xué)教授鄔江興和中國(guó)工程院院士、海軍工程大學(xué)教授馬偉明榮獲本年度何梁何利基金最高級(jí)別獎(jiǎng)項(xiàng)——“科學(xué)與技術(shù)成就獎(jiǎng)”。
馬偉明院士能夠獲此殊榮的原因就在于在電磁彈射、綜合電力推進(jìn)、新能源接入技術(shù)等領(lǐng)域取得了一批具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性成果，共獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。那么，相對(duì)于傳統(tǒng)的蒸汽彈射，電磁彈射具有哪些優(yōu)勢(shì)?電磁彈射的技術(shù)難點(diǎn)是什么?中國(guó)在建的航母會(huì)選擇電磁彈射么?
Q：什么是電磁彈射?
A：根據(jù)電磁感應(yīng)原理，切割磁感線能夠產(chǎn)生電流，反過來，電能也能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電磁彈射就是根據(jù)這個(gè)原理，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，彈射艦載機(jī)從航母上起飛。
Q：電磁彈射有哪些技術(shù)難點(diǎn)?
A：電磁彈射主要技術(shù)難點(diǎn)有儲(chǔ)能技術(shù)、直線電機(jī)技術(shù)、彈射控制技術(shù)等。
Q：能具體說說儲(chǔ)能技術(shù)、彈射控制技術(shù)和直線電機(jī)技術(shù)嗎?
A：每一次電磁彈射持續(xù)時(shí)間大約不到3秒，但峰值功率高達(dá)上百兆瓦，這就需要一個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備將航母電站輸出的電能儲(chǔ)存起來，一瞬間釋放。儲(chǔ)能技術(shù)的難點(diǎn)就是需要找到能量密度很高的儲(chǔ)能方式，否則儲(chǔ)能裝置本身體積重量超標(biāo)就不能滿足上艦使用的要求。
直線電機(jī)是彈射器的執(zhí)行部分，主要依靠動(dòng)子和定子的無機(jī)械接觸，僅靠電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的電磁力實(shí)現(xiàn)電能到直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換。直線電機(jī)技術(shù)的難點(diǎn)是盡可能提高它的功率密度和能量效率，并且具備海洋環(huán)境適應(yīng)能力。
電磁彈射需要精確控制彈射末速度和彈射過程中加速度，彈射控制技術(shù)的難點(diǎn)在于對(duì)直線電機(jī)的實(shí)時(shí)反饋控制，以及對(duì)各種信息的組網(wǎng)、交互與處理等。
Q：中國(guó)攻克這些技術(shù)的難度大嗎?
A：雖然電磁彈射最近才被美軍搬上航母，但實(shí)際上研制電磁彈射的關(guān)鍵技術(shù)并不是什么高不可攀的技術(shù)，很多技術(shù)都是經(jīng)過了多年研究，甚至已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。
比如直線電機(jī)技術(shù)在物流傳輸、直線電梯、車床加工等領(lǐng)域都有涉及，大功率直線電機(jī)在磁懸浮列車等軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。
電磁彈射的控制技術(shù)在工業(yè)及信息領(lǐng)域有大量的方法可以借鑒，如矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)、工業(yè)總線技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，這些都可以推廣并移植到電磁彈射中。
慣性儲(chǔ)能的概念其實(shí)早已有之，只是以前沒有這樣大功率的應(yīng)用需求。因此，中國(guó)攻克電磁彈射的核心技術(shù)并不存在無法逾越的障礙。
Q：相對(duì)于蒸汽彈射，電磁彈射具有哪些優(yōu)勢(shì)?
A：電磁彈射具有彈射性能更好、彈射更為可控、可靠性更高、適裝性更佳等優(yōu)勢(shì)
Q：電磁彈射性能更好主要表現(xiàn)在是?
A：電磁彈射的最大彈射能力高達(dá)122兆焦耳，比蒸汽彈射器高出約29%，可以彈射重量更大的艦載機(jī)。
Q：電磁彈射可控性更好指的是?
A：蒸汽蒸汽彈射器通過機(jī)械方法控制注入汽缸的蒸汽，無法精確控制推力，在彈射過程中推力的峰谷值比電磁彈射大，這會(huì)造成艦載機(jī)因不穩(wěn)定的推力而受力不均，進(jìn)而因此造成機(jī)體受損。而電磁彈射加速更可控，更平穩(wěn)，可大幅減小對(duì)艦載機(jī)和各部件的沖擊，有利于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并可使機(jī)體的使用壽命延長(zhǎng)31%，也能緩解飛行員的身心壓力。
Q：為什么新技術(shù)會(huì)比運(yùn)行半個(gè)世紀(jì)的成熟技術(shù)更可靠?
A：電磁彈射現(xiàn)階段還處于測(cè)試摸索階段，可靠性還是不如技術(shù)成熟的蒸汽彈射的，這里的可靠性指的是電磁彈射技術(shù)成熟后理論上可以達(dá)到的可靠性。
Q：蒸汽彈射可控性不如電磁彈射的原因是?
A：因?yàn)檎羝麖椛淦鹘Y(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件眾多，且飽受高溫高壓摧殘，加上蒸汽彈射器為開口汽缸結(jié)構(gòu)，需要采用金屬密封條保持活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)汽缸內(nèi)壓力，受損更換極為平凡，進(jìn)而導(dǎo)致全系統(tǒng)的固有可靠性不高。而電磁彈射電磁彈射采用四能量鏈冗余結(jié)構(gòu)，在彈射過程中可容忍一個(gè)能量鏈出現(xiàn)故障，保證任務(wù)完成，加上定子和動(dòng)子之間電磁場(chǎng)的非物理接觸傳力特性，取消了許多高磨損的機(jī)械設(shè)備，不僅壽命大幅延長(zhǎng)，可靠性也大幅提高。
Q：能用具體數(shù)據(jù)來說明嗎?
A：蒸汽彈射2次重大故障間的平均周期約405周;而電磁彈射技術(shù)成熟的話，2次重大故障間的平均周期有望達(dá)1300周以上。
Q：適裝性更佳是什么意思?
A：這是指電磁彈射器相對(duì)于蒸汽彈射器安裝更方便更靈活。舉例來說，蒸汽彈射器大部分重量位于上層甲板，導(dǎo)致船體重心升高，不利于航行穩(wěn)定性;而電磁彈射可靈活布置的特性，能夠避免這個(gè)問題。
蒸汽彈射器多個(gè)部件之間由高溫高壓的管路連接，并且彈射汽缸必須整體安裝，在航母上的總體安裝與布置難度較大;而電磁彈射采用模塊化設(shè)計(jì)，直線電機(jī)可以分段安裝和拆卸，各個(gè)部件通過電纜或信號(hào)網(wǎng)絡(luò)連接，適裝性更好。
此外，電磁彈射器還具有比蒸汽彈射器更小的體積和質(zhì)量——美國(guó)現(xiàn)役航母1座C13型蒸汽彈射器的總質(zhì)量為538噸，體積超過1100m2;而電磁彈射的質(zhì)量小于280噸，體積小于425立方米。
Q：電磁彈射還有其他優(yōu)勢(shì)么?
A：電磁彈射能量利用率比蒸汽彈射更高，而且更加節(jié)省人力，節(jié)約淡水資源。
一是節(jié)省淡水資源。航母在海上作戰(zhàn)，淡水資源非常寶貴，而蒸汽彈射器一次彈射作業(yè)需消耗614千克水蒸汽，將會(huì)消耗大量的淡水資源和加熱淡水所需要的能源。
而電磁彈射在3s的彈射時(shí)間內(nèi)功率約為100MW，折算下來僅消耗約83千瓦時(shí)電能。
二是人力維護(hù)成本更低。蒸汽彈射器人力需求量大，全壽命周期費(fèi)用高昂。電磁彈射采用電氣化信息化手段，簡(jiǎn)化了操作方法，并可實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和故障自診斷，人力需求減小30%，維護(hù)工作量大大降低，平均故障修復(fù)時(shí)間大大減少，并且節(jié)省了全壽命周期費(fèi)用。
三是電磁彈射對(duì)潤(rùn)滑油、冷卻水等其他輔助需求比蒸汽彈射小的多。
Q：中美在電磁彈射技術(shù)差距有多大?
A：中國(guó)是稀土永磁體生產(chǎn)大國(guó)，在高磁強(qiáng)度稀土永磁體研究方面比起美國(guó)也不顯遜色，早在1996年，中國(guó)曾發(fā)布了一個(gè)口徑90毫米的4磁體級(jí)的樣炮原型機(jī)，可以達(dá)到電能轉(zhuǎn)換50%以上，瞬間能源有成熟的20兆焦和100兆焦輸出級(jí)別的器件。
近年來，在中國(guó)電磁彈射方面更是捷報(bào)頻傳——馬偉明院士帶領(lǐng)項(xiàng)目組完成了電磁彈射樣機(jī)研制和試驗(yàn)的全過程，攻克43項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，申報(bào)國(guó)防專利32項(xiàng)。某軍工企業(yè)冷彈射技術(shù)可實(shí)現(xiàn)彈射推力達(dá)數(shù)百噸，并具有機(jī)構(gòu)輕便、操作和維修簡(jiǎn)化、彈射功率高、可控性可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。在此前公布于網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星照片顯示，中國(guó)在某地一個(gè)機(jī)場(chǎng)建造了電磁型導(dǎo)軌式高速牽引裝置工程樣機(jī)測(cè)試設(shè)施，中國(guó)已成為繼美國(guó)之后建成電磁型導(dǎo)軌式高速牽引裝置工程樣機(jī)測(cè)試設(shè)施的國(guó)家。
Q：就是說中國(guó)在電磁彈射方面已經(jīng)超越俄羅斯，僅次于美國(guó)?
A：馬明偉院士在接受媒體采訪時(shí)曾表示，“在軍委、總部和海軍首長(zhǎng)的高度關(guān)注和支持下，2008年我們終于研制成功小型樣機(jī)，接著又做出了1：1單元設(shè)備樣機(jī)，突破了全部關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了與世界最先進(jìn)技術(shù)的同步發(fā)展。中國(guó)艦載機(jī)彈射起飛技術(shù)完全沒有問題，實(shí)踐多次也很順利，有信心運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)當(dāng)中去......中國(guó)掌握的技術(shù)已經(jīng)不輸美國(guó)，在局部領(lǐng)域甚至更為先進(jìn)。”
Q：中國(guó)正在建的航母會(huì)是電磁彈射航母嗎?
A：根據(jù)目前的消息來看，中國(guó)軍方實(shí)行技術(shù)大躍進(jìn)的概率不高，很可能依舊采用小步快走的方式發(fā)展中國(guó)航母——在建的航母可能會(huì)和遼寧號(hào)、山東號(hào)比較類似，通過完成航母制造的全過程磨礪中國(guó)造船工業(yè)，積累航母設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)遼寧號(hào)、山東號(hào)在使用中暴露出的一些問題做一些改進(jìn)。
Q：如果安裝電磁彈射器，是否一定要上核動(dòng)力航母?
A：雖然核動(dòng)力航母在能源方面會(huì)比常規(guī)動(dòng)力航母具有優(yōu)勢(shì)，但未必必須上核動(dòng)力才能保障電磁彈射所需能源。因?yàn)殡姶艔椛涞哪芰坷眯屎芨撸日羝麖椛湟?0倍，所以常規(guī)動(dòng)力航母也能上電磁彈射，只要在儲(chǔ)能技術(shù)、直線電機(jī)技術(shù)、彈射控制技術(shù)、大功率轉(zhuǎn)換技術(shù)上過關(guān)，并配屬大功率燃機(jī)即可。
Q：中國(guó)是否一定要借鑒美國(guó)在彈射器上的使用經(jīng)驗(yàn)，先搞蒸汽彈射，再做電磁彈射?
A：蒸汽彈射和電磁彈射在技術(shù)上不具備繼承性，哪怕中國(guó)耗費(fèi)巨資和15—30年時(shí)間完全掌握了蒸汽彈射技術(shù)，到電磁彈射之時(shí)一切都要近乎于從頭開始。美國(guó)先蒸汽彈射，后電磁彈射只是因?yàn)闅v史原因，中國(guó)會(huì)根據(jù)自身實(shí)際情況做選擇，未必會(huì)完全照搬美國(guó)的做法。
Q：中國(guó)蒸汽彈射和電磁彈射研究進(jìn)度哪個(gè)更快?
A：根據(jù)官方八股文和網(wǎng)絡(luò)消息，電磁彈射和蒸汽彈射都不乏振奮人心的消息，從興城在建的兩條彈射器來看，一條是蒸汽彈射器，一條是電磁彈射器。由此可見，蒸汽彈射和電磁彈射方案都在軍方的選擇方案中，兩者的進(jìn)度很可能大致處于同一水平，至于鹿死誰(shuí)手，很可能取決于兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)成果性能和成熟度的比拼。
Q：未來新航母會(huì)安裝電磁彈射器，還是蒸汽彈射器?
A：從實(shí)際需求上講，未來一段時(shí)間內(nèi)中國(guó)依舊會(huì)執(zhí)行積極防御戰(zhàn)略，并沒有向美國(guó)那樣制霸全球的需求，依靠遼寧號(hào)、山東號(hào)和055驅(qū)逐艦為核心的航母戰(zhàn)斗群，輔以東風(fēng)21D、東風(fēng)26以及南海島礁上的航空兵力量基本能夠完成第二島鏈內(nèi)自衛(wèi)反擊任務(wù)。因此，對(duì)電磁彈射航母的需求并不迫切。
所以，彈射器上國(guó)產(chǎn)航母還有待時(shí)日，滑躍式起飛在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都會(huì)是主流。之后的幾艘入役航母很可能會(huì)是山東號(hào)的姐妹艦。現(xiàn)在就斷言那種彈射器上航母還為時(shí)尚早。
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