滑轮什么时候发明(从航母起飞方式演变，磁弹射器的发展，只是电磁武器应用的第一步)

Posted 2023-06-01

篇首语：没有风暴，船帆只不过是一块破布。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了滑轮什么时候发明(从航母起飞方式演变，磁弹射器的发展，只是电磁武器应用的第一步)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

滑轮什么时候发明(从航母起飞方式演变，磁弹射器的发展，只是电磁武器应用的第一步)

讲在前面的话：

航母作为当前海上当之无愧的巨无霸，对于航母来说其战斗力的源头来自于舰载机，那么舰载机的出动效率就成为衡量航母综合作战能力的一项核心指标。然而我们都知道，在航母诞生以来的一百多年中，有关航母的研究大多集中在提升舰载机的出动率上，最有效的方法是在舰载机的起飞方式上下功夫，尤其是二战后舰载机进入喷气时代后；经历了早期的自主起飞到蒸汽弹射、滑跃起飞、垂直/短距起降以及其他几个变形起飞方式，最后发展到今天的电磁弹射器；航母起飞方式的演变过程见证了航母以及舰载机的发展，在新兴电磁弹射器技术伴随美国新一代"福特"级航母走向实用阶段，从航母起飞方式的演变了解电磁弹射器原理、发展历程以及实用化道路还有哪些荆棘坎坷，对未来发展会带来哪些深远的影响。

福特级航母是世界上第一种采用电磁弹射器的航母，成也萧何败也萧何，电磁弹射器也成为制约福特级实战部署的

01.起飞方式演变过程

从1912年5月英国建造了世界上第一种专门整备水上飞机的舰船"竞技神"号并成立世界上第一种海军航空兵算起，航母发展到今天已经走过了整整108个年头。从舰载机角度来看航母发展，早期的航母最先是整备了水上飞机，而后引入了螺旋桨飞机再到二战后进入到喷气时代，舰载机的发展相对简单归纳起来大致就是这三个阶段。同时舰载机的发展演变又直接催生了航母整个起飞方式的演变，引领航母战力逐步走向巅峰。

早期航母因使用的螺旋桨飞机起飞距离只有100米，因而自主起飞成为航母舰载机起飞的主要方式

有关航母的起飞方式大致罗列起来主要有自主式起飞、弹射起飞、垂直起飞和滑跃起飞四大类。舰载机实现航母起飞的本质是如何在航母有限的甲板空间内让舰载机达到足够的起飞速度，因为飞机起飞本身依赖升力，升力与飞机起飞的加速度成正比关系；因此航母起飞方式的演变是围绕让舰载机能够达到充足的起飞速度而展开的。

舰载机起飞受力图

在二战以前，航母舰载机主要是以水上飞机和螺旋桨飞机为主，这类飞机具有重量轻、速度小的特点，当时的很多航母甲板长度都能满足起飞需求；因此其起飞方式主要采用的局部或者全通甲板自主起飞方式，这种起飞方式最早是在1920年美国海军在"兰利"号航母上首次实行的；后来成为二战以前各国航母普遍采用的起飞方式。

舰载机从机库直接弹射起飞是弹射装置早期发展的一大特色

二战结束后，飞机开始进入到喷气时代，伴随而来的是飞机的飞行速度更快、起飞重量也更大以及起飞滑跑距离更长；早期的自主式起飞方式很难满足喷气式舰载机舰上起降需求，因此弹射起飞、垂直起飞以及滑跃起飞方式先后被发明出来。有关这三种起飞方式其在时间上存在明显的差异，我们就从时间轴角度来具体分析一下。

从时间角度来看，弹射器原理出现的比较早。根据资料记载，有关弹射器原理最早出现在1911年，美国人西奥多·埃利森就发明了重锤与滑轮相结合的加速弹射器装置，后来改进为压缩空气推动活塞原理的弹射器，主要应用在重量较重以及无甲板空间的战列舰上。真正实用化的弹射器是1951年英国人柯林·米切尔发明的蒸汽弹射器，随后发展出"拖索式"和"前轮牵引式"两种形式，有关"拖索式"目前只有巴西"圣保罗"号使用，其余的都是使用"前轮牵引式"，比如美国人当前使用的C-13蒸汽弹射器。

圣保罗号航母是唯一使用拖索式蒸汽弹射的航母

和蒸汽弹射器一样，滑跃起飞方式也是最早由英国人发明的。滑跃起飞原理是在航母飞行甲板前段增加一个向上抬起4-15度角的斜曲面甲板，飞机贴着甲板进行滑行加速时，经由向上抬升的斜曲面甲板使得舰载机获得一定的航迹倾斜角、向上的垂直分速度，通俗点讲舰载机在离舰的瞬间是跃入空中。目前使用滑跃起飞方式的国家还是比较多的，与弹射起飞并列成为现代航母两种主要起飞方式；但是在常规推力的固定翼舰载机使用中，只有中俄两国目前成功进行类似的起飞方式应用。

除了美国和法国使用弹射起飞方式，其他国家的航母大多使用滑跃起飞方式

至于垂直起飞方式，其研究早在二战中后期就已经被提出来，二战后一段成为世界各军事强国争相研究的重要领域；其最大的标志是英国人率先成功的研发出了"鹞"式垂直起降战斗机，并首次将其引入到航母上，最终奠定了垂直起飞方式的发展。在航母上实际使用垂直起飞方式的最早是英国和苏联，美国人则是将其引入到两栖攻击舰上，为当前轻型航母以及兼具轻型航母和两栖攻击舰特征的"四不像"打下了坚实的基础。

02.弹射装置发展概况

上文我们提及到弹射器发展起源还是比较早的，早在自主式起飞方式得到普及之前的1911年美国人西奥多·埃利森就发明了就发明了最早的弹射装置，由于当时舰载机多为螺旋桨动力，因而航母对弹射器的需求并不是很大，因此该发明更多的被应用于没有起飞空间的战列舰使用，1922年美国人在"马里兰"号战列舰上弹射了第一架飞机。

早期弹射装置弹射舰载机

其实1911年西奥多·埃利森发明的是重锤与滑轮结合的弹射装置，这和1922年"马里兰"号首次弹射第一架飞机使用的弹射装置在工作原理上还是有很大差别的。在这11年的发展过程中，弹射装置又先后经历了压缩空气作功原理、气动盘式原理以及电动机拖动飞轮储能原理的探索、完善过程。在1928年以前，早期的弹射装置基本都在战列舰上使用。

后来美国海军最先发现弹射器在小型航母应用上有诸多不可或缺的好处，1935年美国海军成功研制出来第一部液压式弹射器，美国在整个二战期间先后发展出一个系列的液压式弹射器，其在1945年底发明的MK-8型达到了液压弹射技术的巅峰，基本能够满足二战末期喷气式舰载机的起飞需求。

液压式弹射装置最早被美国应用到小型航母上

和美国同步的时间内，德国人1944年为了满足其V-1导弹发射使用，并在"伯修斯"号航母进行了安装试验；这是人类历史上第一次将蒸汽作为弹射器的动力源，这一创新性发明为后续蒸汽弹射器的发展具有深远的影响。为了满足喷气时代舰载机越来越重的起飞重量、越来越快的起飞速度，1951年英国人柯林·米切尔发明了现代意义上的蒸汽弹射器。在英国人研制出蒸汽弹射器后，美国人开始从液压式转移到内燃机方向，在1960年进行了一系列的试验之后，美国人发现内燃机弹射器并不能满足美国海军的作战需求。

德国人是最早将蒸汽弹射应用到V-1导弹发射上

英国人在取得弹射器突破后，美国航空局对此保持高度关注，美国人在研发内燃机弹射器的同时于1954年直接购买了蒸汽弹射器的专利，并发展出了C-11型蒸汽弹射器。在内燃机弹射器项目被终止后，美国人自此开始将发展的主基调放在了蒸汽弹射器上。到上世纪60年代美国最新的C-13型蒸汽弹射器出现，蒸汽弹射器也逐渐发展出拖索式和前轮牵引式两种主要形式，美国从最初购买英国专利的拖索式蒸汽弹射器，发展到完全脱离英国人设计的前轮牵引式，并一直使用至今，成为使用最广泛、设计最成功的蒸汽弹射器。

早期的蒸汽弹射装置

有关电磁弹射工作原理美国在二战末期就展开了研究，走在了国际前列，1945年美国海军就先后开始研究设计建造了样机。由于诸多因素的综合限制，电磁弹射技术在当时仅仅处于理论研究验证阶段，其实质性发展可以追溯到在上世纪90年代美国海军提出的"全电军舰"概念，首度提出使用电磁弹射代替传统的蒸汽弹射器，也就是美国新一代航母"福特"级项目上。1992年美国海军与卡曼电磁系统公司签订电磁弹射器前瞻性技术研究合同，7年后进行了竞标原型机建造工作；2003年底至2004年进行了全尺寸半长电磁弹射器的发射试验；第一阶段将近1万多次的重复试验验证工作于2008年9月完成；随后电磁弹射器进入实用化阶段试验，2009年6月，美国正式决定在福特级航母上部署电磁弹射器，并和通用原子公司签署了发展合同。同年9月美国进行了高加速寿命试验、系统功能演示验证试验以及电磁干扰屏蔽试验等等；2010年12月底，又成功进行了F/A-18E弹射试验，同步相继进行了T-45C舰载教练机、E-2D舰载预警机、EA-18G舰载电子战飞机等现役所有机型弹射试验。

电磁弹射器是福特级的核心装备

弹射器从1911年诞生至今，已有百年的历史，其根据实际应用需求从最早的压缩空气作功原理发展到液压式作功原理，再到战后英国人率先发展出拖索式蒸汽弹射器，奠定了弹射器实际应运的基础；后来美国人又在购买专利的基础上发展出使用最广泛的前轮牵引式蒸汽弹射器。当前中美两国将弹射器集中在电磁弹射领域，美国的电磁弹射器已经伴随其福特级航母进入实用化阶段；根据国内披露的相关信息，中国的电磁弹射器也取得重大突破，正逐步走向实用化阶段。

03.电磁弹射的基本原理和优势

电磁弹射的基本工作原理是电磁发射原理，我们都知道电磁作用可以产生电磁推力（这是初中物理），电磁推力与电流的平方成正比例关系；因此只要保证有充足电流输入，便能够产生足够的电磁推力，从而满足赋予某一物体加速度的特性。实际工作原理是直线感应电机输入固定电流后，产生交变磁场，磁场在直线感电机中运动产生感应电流，使运动部分变成有感应电流的导体，受到电磁驱动力的作用向前运动。此原理和作用效果与电磁炮基本相同，但相比传统的蒸汽弹射器却拥有诸多不可比拟的优点，是未来弹射装置发展的一个重要发展方向。相比蒸汽弹射器，电磁弹射器主要拥有以下两大优势：

电磁弹射装置工作原理

第一大优势，电磁弹射器的推力更加灵活。众所周知的是，蒸汽弹射器虽然能够赋予舰载机足够的加速度，但是其最大的劣势在于输出调节范围上。电磁弹射器的输出调节范围比较宽广，比如其弹射重量范围在0.2吨-45吨之间，意味着可以弹射几乎所有现役的机型，而主流的C-13蒸汽弹射器只能弹射重量比较固定的舰载预警机和舰载攻击机；再比如电磁弹射器的弹射速度范围可达到100公里/小时-40000公里/小时，通过这两个范围指标即可发现电磁弹射器可以弹射蒸汽弹射器弹射不了的起飞重量存在重大差异的无人机、大型预警机、运输机以及各种新型飞机。

电磁弹射系统组成

第二大优势，电磁弹射弹射效率更高。根据统计，蒸汽弹射器的能量效率只有6%左右，而电磁弹射器可以达到60%，两者之间产生了10倍的差距；蒸汽弹射器在使用前需要预热，这个时间段就和使用蒸汽轮机动力的舰船一样需要十几个以上的小时；而电磁弹射器从关闭时的冷却状态到发射准备状态只需要15分钟，这是几十倍的提升。这就意味着电磁弹射器能够以更少的输出功率实现同等的作用效果，这也为电磁弹射器拥有重量和体积优势奠定了基础。我们以C-13型蒸汽弹射器和福特级航母使用的电磁弹射器为例，C-13型蒸汽弹射器的总重量为538吨，体积1133立方米，而福特级航母使用的电磁弹射器预设计空间和重量小于280吨和425立方米，两者之间的空间和重量差距是两倍还多。体积和重量的缩小，意味着可以从根本上减少弹射装置配套设备，这对于节省航母内部空间以及后续的维护保养都带来了极大的便利。

第三大优势，使用电磁弹射器舰载机的全寿命周期更长。由于电磁弹射器采用的直流电动机可以产生较低的峰值推力和均值推力，比如蒸汽弹射器作业一次需消耗614千克的蒸汽，而电磁弹射器的功率仅为41.5兆瓦/小时。这就意味着在作业中传递给飞机的冲击载荷得到大幅的缩减，可以有效的降低飞机所承受的应力，因此使用电磁弹射器弹射的舰载机寿命比原来的蒸汽弹射器能够提升31%。同时电磁弹射器还可以让飞机的载重增加8%-10%左右，弹射时的平均速度也只有蒸汽弹射器的三分之一左右，弹射平均速度的下降可以让起飞时飞行员受到更小的冲击。这对于提升舰载机的全寿命周期也有极为突出的效果，并能最大限度的降低对飞行员自身的影响。

电磁弹射器的优势也是无与伦比的

根据上述这三点突出优势，我们可以大致总结出电磁弹射器相比蒸汽弹射器具有体积小、占用空间少、可控性强、反应迅速、可靠性高、使用效率更突出以及维护保养费用更低、更便捷等一系列的优势，正是这些优势最终推动了电磁弹射的发展。

04.从福特级航母实际应用实况来看电磁弹射的技术瓶颈

美国新一代福特级航母首舰已于2017年交付美国海军服役，但时至今日依旧迟迟无法参与实战部署，其中一个很重要的因素就在于其使用的电磁弹射装置、电磁拦阻装置以及高速电磁弹药升降机存在很大的技术不确定性。美国至今在电磁弹射领域花费了28年和32亿美元的经费，美国最初对电磁弹射器的设计指标是：期望电磁弹射器的起飞速度在28-103米/秒，最大牵引力和平均牵引力之比为1.07，最大弹射能量在122焦耳左右，最短起飞循环时间控制在45秒以内，重量在225吨，体积425立方米，补充能源需求为6350千瓦，对于弹射故障设计要求在4100次弹射发生一次故障等等。但在实际使用中，2018年2月美国海军首次确认了电磁弹射器存在较大问题，并没有达到设计指标。

网友制作的电磁弹射示意图

在后续的福特级的试验中，美国海军发现了一系列的问题，比如可靠性不如现役的蒸汽弹射器，其控制软件多次被暴露出故障，对舰载机的机体损伤程度也超过了预期；再比如根据统计福特级电磁弹射器的平均故障在400次弹射一次故障的水平，这和设计的4100次弹射一次故障的平均故障率相差太大，这意味着福特级的电磁弹射器根本无法满足美军的高强度作战出击；更让人难以接受的是，如果一台弹射器出现故障，那么福特级其他三台弹射器将全部陷入瘫痪状态，这就意味着整条航母将丧失全部作战能力，这也就成为福特级迟迟无法参与实战部署的核心原因之一。

我们从福特级实际使用过程来看，美国的电磁弹射技术并不完善，大致罗列起来有以下这么几个有待亟需解决的问题：第一个控制软件问题，电磁弹射器原本相较蒸汽弹射器有更优异的可控性，但是这个可控性主要来源于舰载软件控制系统；如果控制软件系统自身存在问题，那么电磁弹射器的优势将不复存在。第二个散热问题，在线形同步电机上，18米所必模型所显示的效率仅为58%，50米的二分之一模型显示的效率也仅为63.2%，这就充足证明电磁弹射器的能量利用率不足，将直接导致功率的成倍增加；功率的增加对于舰艇的电力系统以及散热问题带来巨大的影响，这也直接导致了福特级电磁弹射器的可靠性不高的问题。

福特级航母结构示意图

除了上述的两个比较核心的技术问题之外，另外航母本身与电磁弹射器永磁体就是一对矛盾。因为永磁体对于温度比较敏感，因此其存在退磁临界温度，一般认为这个临界温度在100-200摄氏度之间；但由于航母本身携带有更多的火工品，一旦航母自身发生火灾事故或者在战时遭到攻击，很可能对电磁弹射器的核心部件永磁体产生极大的威胁，一旦永磁体故障，电磁弹射器将彻底丧失作战能力，这一技术性矛盾问题也许得到有效的解决。

另外，电磁弹射器本身就是一个高科技技术集成应用设备，各分系统性能参数匹配是最关键的问题之一。分系统的设计要充分考虑系统之间能够协调、高效运转，根据当前研究披露的信息来看，最大的技术难点在于各个分系统中高功率脉冲电源技术和电力电子调节控制技术。这个核心的技术得不到充分的解决，电磁弹射器上舰将是一个不可能的事情。

小结一下

弹射器自1911年诞生以来，迄今已有百年历史。按照世界武器装备发展历程中一直遵循的"作战需求牵引发展"的自然规律，弹射器随着军事科技的进步不断的进行改进和演变，但随着电磁弹射技术的应用逐步走向成熟，电磁弹射器凭借其诸多的优势，新技术取代旧技术是一个必然的发展趋势，只不过在这个取代的过程中，需要在一些技术瓶颈上不断的取得突破，从而完善其从理论到技术各个层面的储备；只有如此电磁弹射器才能真正走向实用化的阶段，避免了美国在福特级上使用后的一系列问题，这些问题让福特级原本作为世界最先进的航母却迟迟无法形成作战能力，成为一个不折不扣的门面装备。

未来使用电磁弹射器的国产航母想象图

通过福特级航母的发展经历，这就充分说明在当前的技术条件下对于电磁弹射这个新技术的应用并不是很成熟；不能一味的追求科技的领先程度，而枉顾技术发展的自然规律，这一点我国做到就比美国要好，这几年官方先后披露了一些国产电磁弹射器的发展信息，基本可以确定我国在该领域取得了重大突破，但我国并没有急于上舰，且在发展过程中也没有披露出重大的技术故障问题，这就意味着，我国的电磁弹射器正在按照计划稳步的推进，最终上舰的时候首要保证的是其技术可靠性。相信在不久的将来，事实会证明这条发展道路的正确性。千里之行始于足下，随着技术的不断完善和发展，电磁弹射器将用全新的理念、先进的技术翻开军事科技史上的重要一页，同步还可能催生电磁炮等新概念高能武器走向实用化。

参考资料：[1].曲东才.杨应成.航母舰载击飞方式浅析[J].飞行试验.1999.9

[2].李梅武.崔英.薛飞.航母飞机起飞的最佳选择——电磁弹射系统[J].舰船科学技术.2008.4

[3].宫春科.美军最新型“福特”级航母上的电磁弹射系统[J].军事文摘。2016.6

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