中國又一軍事核心技術取得突破，美國鷹牌緊張了

出品| 網易新聞學院

作者| 肖寧

經授權轉載

當今高科技裝備的發展，我們經常會看到一個現象：當問及某一個高新技術的研發那個國家是該領域的領先者，人們通常會說：「美國！」。

不過，這樣的情況也在逐漸被打破，在海軍武器研製領域，中國在一項關鍵技術的研發上——航母艦載機電磁彈射系統，已經開始趕超世界航母強國——美國了。

（一）艦載機彈射技術的發展歷程

航母戰鬥群的作戰都是圍繞著艦載機的使用展開，如何將機庫中裝運的幾十架戰鬥機快速而高效地派出，關鍵靠的是彈射器。

1、早期航母採用壓縮空氣的辦法進行彈射

1912年，美國海軍就開始嘗試使用壓縮空氣作為彈射能源，在軍艦上彈射作戰飛機。但早期技術過於粗糙，彈射失敗，試飛員費了半天勁才從掉進水裡的飛機殘骸中爬出逃生。

優點：那個年代的戰列艦和巡洋艦等大型戰艦，大多帶有2-3個彈射架，可以彈射水上飛機，用於對海偵察。

缺點：但這些彈射架體型過於龐大，一般一次只能彈射一架飛機，且準備時間過於漫長，基本上無法應付高強度的彈射作業。

2、二戰末期開始採用液壓彈射器進行彈射

時間進入二戰，大型航母出現在海軍列強的裝備序列中。設計者參照辦陸地機場起飛的模式，將航母的甲板設計得儘可能的長和寬，以滿足艦載戰機在滿載油彈時的最短滑跑起飛距離。二戰早期的艦載戰機相對較輕較小，航母的甲板長度也不過240多米，但隨著戰事的需求，戰鬥機越造越大，到了二戰末期，航母的甲板長度已經達到260多米。航母的尺寸不可能無止境的延長或加寬，航母的尺寸只能在一定的範圍內進行平衡取捨。

二戰末期，美英等國航母開始裝備結構相對簡單的液壓彈射器，彈射器的應用，提高了艦載機的起飛效率。縮短了艦載機的起飛距離，騰出了寶貴的空間，飛行甲板得以停放更多的待起飛戰機。

英國的"不死鳥"在液壓彈射器作用下由車載斜軌

3、二戰後蒸汽彈射技術誕生

二戰後，艦載式噴氣機的航程、速度和火力性能都要超過採用螺旋槳的活塞式戰鬥機。但問題隨之而來，噴氣戰鬥機重了很多，二戰期間的美國海軍F-6F艦載戰鬥機滿載起飛重量6噸多，而到越戰期間美國海軍的主力艦載戰鬥機——F-4的滿載起飛重量已經接近18噸。而在滑跑距離方面，F-6F可以在260多米的埃塞克斯級航母上起飛，而F-4的地面起飛滑跑距離已經達到1370米。

僅僅依靠飛機自身的動力，絕對無法將一個接近20噸的鐵傢伙從200多米的距離內推離甲板。彈射技術再一次被美國海軍看中，開始研究使用艦載機蒸汽彈射技術。

簡單地說，蒸汽彈射就是將蒸汽轉化為動力，推動活塞，將掛在牽引軌道上的飛機彈射出去。彈射器軌道位於航母主甲板上，牽引桿在彈射前從軌道上拉回起點掛住艦載機前輪，地勤人員通過對即將起飛的艦載機稱重，確認彈射器釋放能量。

一切就緒後，彈射器釋放，同時艦載機的發動機也開加力到最大動力輸出狀態，牽引桿牽著戰鬥機前輪急速前進，在軌道末端鬆脫，艦載機被彈射入空中，依靠自身動力持續爬升。

蒸汽彈射器原理

但在「全能選手」的光環背後，蒸汽彈射器也有著自己的不足。

法國戴高樂號航母安裝了兩套短版的C-13-3蒸汽彈射器。（資料圖）

蒸汽彈射器從數據看上，貌似可以給幾十噸的戰機賦予6個G 的大過載（6倍自身重力），但這個數據會在90多米的行程中快速下降，而且這種6個G，不僅連身體強壯的飛行員吃不消，就連鋼筋鐵骨的戰鬥機也吃不消，機體壽命會因彈射次數的增多而降低。

蒸汽彈射器結構複雜，維護保養較為繁瑣，彈射器部門的維護人員數量達500人之多，幾乎佔到美軍航母全體艦員數量的六分之一。

蒸汽彈射器在運行時，會消耗大量的蒸汽，航母的航行速度會有明顯的降低。

美海軍尼米茲航母

綜上所述，作為航母強國的美國海軍，很早就開始探索更加先進的艦載機彈射技術。

4、美國花血本研究電磁彈射技術

電磁技術是個好東西，1992年，美國軍方再次對電磁彈射器的研究展開攻關。這次的合作對象是卡曼電磁系統公司。

美海軍與卡曼的此項研究，其目標是旨在將36噸重的F-14戰鬥機在3秒內加速到277千米/小時的速度，從而實現彈射起飛，且其彈射器的尺寸和重量都要控制在現有C-13彈射器的一半以內。卡曼公司的研製是基於可靠性和耐用性都不錯的銅繞組電磁技術，雖然穩定可靠，但是對達到美海軍的具體戰術指標還比較遠，最終卡曼公司的研究只是用於前瞻性技術研究。

上個世紀九十年代末，美國海軍提出下一代全電軍艦的概念構想，準備在新研製的下一代航母上用電磁彈射技術取代蒸汽彈射。1999年，美國諾格公司和通用原子公司就一項驗證原理樣機的合同展開競標，2004年兩公司完成全系統實驗驗證，經過比較，美海軍最終將艦載機電磁彈射系統的研發合同交給了通用原子公司。

將電磁技術應用于軍事用途，並不僅僅是電磁彈射，電磁炮也是重要應用之一。兩者的區別就是電磁炮的發射體質量從幾十克到幾十千克不等，而電磁彈射器是幾千克到幾十噸不等；電磁炮加速的炮彈速度要達到2.5千米/秒（7馬赫）的高速，從而獲得遠射程和高毀傷率，而電磁彈射器只需將飛機彈射加速到幾十米/秒或幾百米/秒，末端速度要比電磁炮低得多；發射頻率上，電磁彈射器每分鐘彈射一次即可，而電磁炮的射速可能高達百發/分鐘或以上。

由此可見，電磁彈射器無法採用電磁炮的發射原理，兩者只能是電磁加速器技術的不同分支。

電磁彈射示意圖

電磁彈射器也是安裝在航母甲板上，在三百米長的軌道上，安裝了兩組電磁線圈——軌道下方安裝定子線圈，而負責牽引艦載機彈射的往複車上則安裝轉子線圈。彈射時，電力系統向軌道上的線圈傳輸電流，由於電磁感應作用，沿著軌道會產生不斷向前運動變化的磁場。該磁場與往複車上的轉子線圈磁場相互作用，產生推力推動往複車向前運動加速，送而帶動艦載機飛離甲板。將幾十噸重的戰鬥機「扔」上天。

知易行難，要突破電磁彈射技術，人們需要在以下幾個方面獲得突破。

初級能源獲取系統：電磁彈射器會在3秒內消耗掉巨大的能量，普通艦船的電網功率已經無法承受。新型的全電艦船需要一個專門的系統來從艦船的電力供應網路中獲取足夠多的電能。

儲能系統：目前的成熟儲能裝置，是利用航母電網的電力，驅動電動機，帶動大直徑和大重量的機械陀螺飛輪高速旋轉，把電能轉化為機械能。在釋放時，再採用脈衝交流發電機技術，把飛輪儲存的機械能瞬間轉化為脈衝電能釋放。這種飛輪儲能系統，每次能夠儲存100兆焦的能量，1分鐘即可儲能完畢。

功率轉換系統：軌道線圈和往複車線圈之間，在彈射時需要產生恆定的、處於激勵狀態的磁場，其頻率和電壓都需要相對穩定，實現高效率的恆定加速。

能量傳輸系統：該系統主要負責短時間內高效地把電流分配到軌道線圈和往複車線圈中去。

控制系統：電子系統的引入，使以往粗暴的彈射作業變得更加的精細化，從而對控制以及測量的需求也更加地精準。尤其是對於彈射目標的變化，輕小的無人機和笨重的預警機，彈射的控制操作是不一樣的，將艦載機「扔「出去的這一下子，應該特別穩定。這樣也有利於延長艦載機的機體壽命。

直線感應電機：該電機的工作原理類似於磁懸浮列車，在軌道線圈和往複車線圈之間產生一個沿直線方向的作用力，帶動艦載機離艦。

電磁彈射裝置地面試驗系統

經過多年的摸索與研究，通用原子公司的電磁彈射器於2010年開始靜載荷彈射實驗。

實機地面彈射測試方面也陸續取得成功，2010年6月1-2日，成功彈射T-45「灰鷹」艦載教練機， 2010年6月9日至10日，成功彈射C-2「灰狗」艦載運輸機， 2010年12月18日，成功彈射F / A-18E「超級大黃蜂「艦載戰鬥機， 2011年9月27日，成功推出E-2D「先進鷹眼」艦載預警機，2011年11月18日，成功彈射F-35C「閃電II」艦載戰鬥機。

可以說至此，美軍的電磁彈射器技術驗證已經完成地面試驗階段，美國海軍的「福特」號航母也已經於2017年5月正式入役，在接下來的三年中，美海軍將集中進入電磁彈射器的海上試驗階段，真正的挑戰才剛剛開始。

美國「福特」號航母

中國航母艦載機電磁彈射技術的突破

中國人的百年航母夢圓於2012年9月25日，中國海軍第一艘航空母艦遼寧艦正式服役。但是沒有配備艦載機彈射裝置。

要想真正獲得航母作戰的撒手鐧，彈射器成為中國海軍一道繞不過去的坎。

2011年前後，國內的軍事論壇上陸續出現了一些與彈射裝置相關的圖片，類似長距離大推力直線電機等。敏銳的軍迷發現，這些信息與傳統航母所使用的蒸汽彈射器並不相符，其矛頭直指技術更加先進的電磁彈射器。

2014年，國外網站陸續曝光了一批中國某地的衛星照片。該網站還介紹，通過分析照片上的信息，得出結論——中國正在研製電磁型導軌式高速牽引裝置的工程樣機，中國成為繼美國之後，第二個建成航母電磁彈射器地面試驗設施的國家。

位於中國東部某大城市附近的中國航母裝備陸上實驗設施

一時間，中國航母進入電磁彈射時代的爭論沸騰於各大軍事論壇。

大家的猜測終於在2017年得到了證實，2017年1月25日，中央電視台播出的「2016年度科技盛典」節目中，馬偉明獲得了「2016年度科技創新人物」榮譽，他在獲獎感言中透露，中國電磁彈射技術研究已獲成功。

馬偉明何許人也？海軍工程大學教授，博士生導師，34歲破格晉陞教授，41歲就當選中國工程院院士，42歲晉陞海軍少將軍銜。他長期從事電磁兼容和艦船綜合電力系統技術等領域的研究，研究成果也都跟電有關，這些成果或解決了中國常規潛艇動力系統的關鍵技術，或打破了國外對我軍重點裝備的技術封鎖。

馬偉明院士在講解某新型設備

馬偉明籍貫江蘇省揚中市，從小學到初中，馬偉明的成績都一直很優秀，讀書對他而言，更像是一種樂趣，而非負擔。但初中畢業後，馬偉明的父親覺得書讀的再多，將來也不過是上山下鄉，不如及早學一門手藝，以分擔養家的重任。本已考上高中的馬偉明不得不學起了無線電修理。這被馬偉明的數學老師馬逸雲知道後，趕緊上門做馬父的思想工作。經過勸說，馬偉明得以繼續學業。好險，感謝老師的堅持，差一點，中國失去了一位電磁彈射技術的科學帶頭人，而多出了一名心靈手巧的無線電修理工。1978年，馬偉明被海軍工程大學電氣工程系錄取，在成為一名大學生的同時，也成為了一名軍人。讀軍校的決定，也是父親幫他決定的。這個決定相比學習無線電修理，無疑又是正確的。

1985年9月，馬偉明重返海工大攻讀研究生，1989年，馬偉明的恩師——電氣工程系主任張蓋凡教授將其調回本系艦船電工基礎教研室，正式開始了其長達20餘年的海軍艦艇電磁科研領域攻關。

馬偉明在接受媒體採訪時，曾經是這樣說的：「我這人自小要強，既不想領導別人，也不想被別人領導，總想保持一個完整的自我。搞科學研究，需要寬鬆的人文環境，活躍的學術氣氛和自由的獨立性格。一百多年來，我們民族的創新力為什麼越來越萎縮？就是共性的東西太多，思想禁錮得太厲害。」

馬偉明的脾氣倔，性格怪，在海軍工程大學是出了名的。作為人大代表，每次給校領導傳達兩會精神，半個小時打住。海軍組織英模人物事迹巡迴報告團，本來是主要成員之一的他卻不肯參加。當選全國十大「傑出專業技術人才」，巡迴報告他參加了兩地就「請假」了。

馬偉明認為自己是一個有思想的人，但卻不輕言政治：「說那麼多管屁用？關鍵要干，把自己的事干好了，就是講政治。」在工作中，他的確也是這麼做的。

上個世紀90年代，中國海軍在研製新型常規潛艇時，需要從國外進口進行高性能的十二相整流發電機系統。馬偉明在與外商的談判中，指出該系統存在重要技術缺陷，但外商十分傲慢，對此置之不理。

這件事對馬偉明刺激很大。回國後他就帶領同事用3.5萬元啟動資金，造了兩台小型十二相電機進行攻關研究。1800個日夜，反覆拆裝，反覆測量，在對數十萬組實驗數據進行綜合分析後，成功攻克了國外知名廠商都不能解決的技術難題。

馬偉明再赴外商驗收設備時，以紮實的理論和豐富的數據向外商的設計師提出質疑。外方的首席專家依舊以傲慢的態度進行狡辯，馬偉明嚴肅地回應：「先生，我們是在討論科學，你不懂，我可以免費教你！」外國專家頓時懵了。

在接下來的談判中，外商了解到馬偉明的研究成果，最後還不得不從中方手裡購買解決相關問題的技術專利。從對中國技術封鎖到從中國購買技術專利，證明了中國人完全有能力趕超世界先進水平！一個國家的科技競爭力決定了其在國際競爭中的地位和前途，誰搶佔了自主創新的先機，誰就能在激烈的競爭中勝出。

在這之後，馬偉明及其團隊陸續研製出了世界上首台交直流雙繞組發電機系統、3兆瓦級高速感應電機系統、大功率風力發電變流器和艦船綜合電力系統等重大課題，為中國海軍裝備建設和國家新能源的開發利用，提供了有力支撐。

回到本文所關注的電磁彈射技術，有鑒於中國相關保密制度的限制，我們無法再了解更多的細節。《環球時報》記者在採訪馬偉明時，曾經就這一問題請他介紹攻關細節，馬偉明回答道：「打破技術瓶頸的例子很多，但是關於技術方面，是要保密的。」

不過我們從馬偉明在獲得國家科技進步一等獎時所作的報告，研讀相關章節，能夠從中了解到一些難得的信息。

「某項尖端技術，是近年來世界海軍強國爭相發展的重點領域，是代表未來新型主戰艦船標誌性的核心技術。我們瞄準前沿，主動作為，超前介入，自籌資金對這個項目進行自主研發。

有人勸我：「一個世界科技大國斥巨資歷時十幾年都沒有完成的項目，你還要強攻硬上，是不是瘋了？你現在已經功成名就，萬一搞砸了，就可能債務纏身，身敗名裂！」

我也知道風險很大，但搞科研就得擔風險，國防建設急需，天大的風險也要干!否則，國家要我們這些院士幹什麼？5年里，我們不分晝夜地連續攻關，就連大年初一也在實驗室過。遇到的困難不計其數，承受的壓力難以想像，經歷了無數次的失敗。

在軍委、總部和海軍首長的高度關注和支持下，2008年我們終於研製成功小型樣機，接著又做出了1：1單元設備樣機，突破了全部關鍵技術，實現了與世界最先進技術的同步發展。

當7位院士、80多位著名專家學者前來參加成果鑒定時，一位白髮蒼蒼的老專家撫摸著樣機，激動得流下熱淚。」

2017年4月26日上午，中國自行建造的第1艘航空母艦下水儀式在中國船舶重工集團公司大連造船廠舉行。9時許，儀式在雄壯的國歌聲中開始。航空母艦在拖曳牽引下，緩緩移出船塢，停靠碼頭。

這艘航母依舊採用遼寧艦的技術脈絡，沒有安裝彈射裝置。中國的下一艘航母會不會安裝彈射器，會安裝蒸汽彈射器還是電磁彈射器，目前還是一個未知數。但我相信，到謎底揭開的那一刻，會是一個讓你我都興奮異常的畫面。

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