航空母艦是令人生畏的海上巨獸，一架又一架的戰鬥機從這裡起飛，呼嘯著掠過藍天。可是有一個問題，現在的噴氣式飛機，在陸地上的起飛，距離動輒就要幾千米以上，F-16需要2,000米起飛，可是整個航母它的長度一般不超過350米。以美國尼米茲級核動力航母為例，它的長度317米，但是飛行甲板只有不到100米。那麼飛機是如何在不到100米的距離上起飛的呢？
最簡單的起飛方式叫滑躍式起飛，在中共的遼寧艦、山東號，以及俄羅斯的庫茲涅佐夫號上都能看到，在軍艦的最前端甲板向上躍起，大概有超過12～14度的角度。飛機經過這裡，自然就一個向上的角度，再打開後燃加力室，就有足夠的動力完成起飛。
但是滑躍式起飛，侷限非常大，很難滿載起飛，以中共的殲-15為例，在遼寧號上起飛，只能攜帶兩枚中程導彈和兩枚近程導彈。並且非常耗油，為了保證有足夠的動力，不得不提前打開後燃加力室。很明顯，一架飛機依靠自己的動力不足以完成航母上起飛。那怎麼辦呢？那就要藉助外力。
目前，世界上最為流行的是蒸汽彈射，而最為先進的則是電磁彈射。我們先來看蒸汽彈射。
蒸汽彈射
蒸汽彈射在50年代就出現了，最早是英國人的發明，被美國人拿來發揚光大。蒸汽彈射，顧名思義，就是利用高壓蒸汽將飛機彈射出去。
蒸汽彈射的工作原理
美國的核動力級航母，甲板下面是一個巨大的機械城市。其中的核心是核反應爐和蒸汽輪機，核反應爐無限提供動力，不斷地燒鍋爐，產生的蒸汽驅動中汽輪機帶動螺旋槳，提供向前的動力。除此之外，這些蒸汽還有另外一個作用，美國的航母將大量的高溫高壓蒸汽集中在蒸汽室中，這些蒸汽，不是為了別的，就是為了幫助飛機起飛。
飛機要起飛時，開到預定位置，和彈射器的軌道對齊，前輪固定到一個滑塊上。這個滑塊是蒸汽彈射器的一部分，如果你能透視航母，你就能看到在飛行甲板的下方，一般會有一個彈射器的管線，滑動的是一個活塞氣缸，活塞的頂端露出甲板，就是前面說到的滑塊，它可以固定到飛機前輪上。當飛機前輪固定到彈射器上時，飛機就可以準備好起飛了。
在美國的航母上，時常可以見到穿著黃馬甲的飛行指揮員。這些人負責協調和安排艦載機的起飛，可以被看作是航母上的交通警察。還有一個突出來的玻璃蓋子，裡面的人負責操控彈射器。
當飛機預備起飛時，鏈接這蒸汽彈射器的氣缸閥門會打開，大量的高壓蒸汽瞬間湧入到彈射器之中，產生巨大的壓力。但這個時候還不能起飛，因為高壓蒸汽一開始湧入的時候壓力不足，也不穩定，還需要再等一會，蓄積力量。此時活塞固定讓飛機留在原地。只有當活塞積累到足夠壓力之後，彈射器啟動，飛機被巨大的動力推動著瞬間被彈開。美國航母上的蒸汽彈射器能在以750千牛的推力，在2秒內將1架20噸的戰鬥機，加速到每小時265公里。這個加速度換算過來，大概是4到5個G，這個G就是重力加速度。這個感覺比你平時去玩過山車要更猛一些，普通的過山車一般是一到兩個G，一般來說，不會超過4個G。
飛機彈射出去之後，有一個液壓的抓鬥，再把之前的這個活塞抓回原始的位置，這樣的話一個完整的發射周期就進行完了。聽起來不難，你要是飛行員的話，什麼都不需要幹，坐在飛機上就可以了，和過山車差不多。
蒸汽彈射的缺點
蒸汽彈射聽起來不錯，但是有很大的缺點。
第一，需要消耗蒸汽。蒸汽是高溫高壓的氣體，你如果連續使用幾次蒸汽彈射器，你的壓力就不足了。以美國小鷹級航空母艦的C-13彈射器為例，每一次彈射消耗625公斤的蒸汽和1噸左右的緩衝淡水。連續緊急彈射8架飛機之後航母鍋爐蒸汽壓力就會損失20%，整個動力就會損失32%，航速下降8節。
並且航母儲備蒸汽時間非常久，將大量的水燒開產生蒸汽幾個小時，但是電池儲能只需要15分鐘是在緊急作戰下具有很大的優勢。
第二，要消耗大量的淡水。每一次彈射至少要消耗625公斤的蒸汽。你看美國的視頻，飛機起飛的時候，整個跑道上都在冒煙，那都是淡水蒸汽。為什麼要消耗淡水呢？因為海水裡面有大量的雜質，而氯化鈉、鎂、鈉等金屬形成蒸汽之後，對整個飛機上的精密儀器腐蝕性相當大，所以必須使用淡水或者蒸餾水。但是我們知道在海上是沒有淡水的，你攜帶的淡水量是有限的。對於核動力航母來說，問題並不大，因為核動力航母的能源是無限的，可以採用低壓蒸餾法，直接引進海水加熱蒸餾，然後凝結就可以得到蒸餾水，可是常規動力航母動力有限。這就是為什麼常規動力航母，如果用蒸汽彈射的話，會很吃力。你沒有那麼多的能源去保證你的蒸汽和淡水。
第三，重量太重。蒸汽彈射器需要配備蒸汽儲罐、管線和輔助設備，體積和重量過於龐大。美國最新的蒸汽彈射器全套體積達1,100立方米，全重接近500噸。可是反觀美國的電磁彈射設備，只需要500多立方米，全重325噸，減小了接近一半。
第四，蒸汽彈射無法精準地控制能量輸出。如果飛機過重，蒸汽彈射力量不足，無法彈射；如果是小型的無人機，蒸汽彈射也無法彈射，因為所需的力量太低，導致蒸汽壓力不足。
第五，傳統的蒸汽彈射能量有限，最大只能達到95兆焦，而美國設計的電磁彈射器最大輸出達到122兆焦，能量輸出多了29%，而能量利用率高達90%。說白了蒸汽彈射就是傳統的內燃機汽車，而電磁彈射，就是現在流行的電車。
電動代替機械傳動勢在必行。那麼什麼是電磁彈射呢？電磁彈射的工作原理又是什麼呢？
電磁彈射
電磁彈射的工作原理
要說電磁彈射，我們要從一個簡單的概念說起，直線馬達或者叫直線電機。傳統意義上的直流電機，輸入的是電流，輸出的是旋轉的機械能。要想讓旋轉的運動改變為直線運動，在機械設計中最常見的方式是使用滾珠絲槓。但是後來人們發明了一種直線馬達，能夠驅動部件在直線上前進，被廣泛地運用到數控機床之中。直線電機這一概念被廣泛運用到工程領域，比如過山車、磁懸浮列車，中國在2006年從德國引進磁懸浮技術，其實就是在為電磁彈射做準備。
簡單來說，電磁彈射的核心是用磁力彈射，可是磁場是怎麼來的？由電流產生的磁場。我們知道導線通電會產生磁場，如果中間放入鐵心，磁場會更強。但是出於各種工程上的原因，電磁彈射一般不會使用鐵芯。電磁彈射的導軌中鋪滿了一個個通電的線圈，每一個有10厘米厚，大小和吃飯的盤子差不多，它們在軌道中形成一個一個磁場。而電磁彈射要推動的物體，它就是一塊磁鐵。在磁場裡，因為同性相吸異性相斥的原理，推動滑塊向前進。這些導軌中的線圈是依次通電，當磁鐵通過第一個線圈的時候，第一個線圈通電產生磁場，吸引磁鐵向前運動。
可是當該磁鐵通過第一個線圈的時候，屁股對著磁場，異性相吸引，就會被該磁場給拉回來。那怎麼辦呢？有兩個辦法，第一就是轉換第一個線圈的電流方向，從而改變磁場方向，本來是相吸引，現在變成相斥。但是頻繁控制電流方向並不容易。還有另外一種方法，也是電磁彈射器使用的，當滑塊經過第一個線圈後，第一個線圈停止充電，磁場消失。下一個線圈通電，在新的位置產生磁場，推動滑塊向前運動。也就是說在這100米長的軌道上，形成了一個又一個動態的磁場，這些磁場接力，推動滑塊在磁場中前進。
電磁彈射這個概念其實很早就出現了。大家如果去坐過山車，有的過山車就是用電磁彈射的原理推動過山車前進。甚至有的地鐵線軌道交通也是採用的電磁彈射的原理。它本身並不是一個多麼先進的一個科學技術。
但是運用在航母上，用在工程上卻是一個很有挑戰的項目。以美國福特級航母為例，電視彈射的軌道長達91米，如何保證在這麼長的長度下對物體加速，以及在海洋環境下，空氣中大量瀰漫的雜質對磁場可能會產生怎樣的影響，都會影響到電視彈射的效率。
電磁彈射需要大量電力
最近中共的003航母福建號下水。福建號是一艘常規動力航母，那麼大家就有一個問題了，電磁彈射需要大量的電力，作為常規動力航母福建號有能力推動電磁彈射嗎？
電磁彈射的核心是這麼兩句話，用電量不大，但是功率非常大。起飛一架大型的艦載機，需要能量超過140兆焦。也就是40度電，用電量大麼？對於一艘航母來說並不大，但問題是，你要在2秒的時間內釋放40度電，瞬間功率超過7萬千瓦，這就非常可怕了。
這麼多的能量無論是常規動力還是核動力，都無法在短時間內提供。核動力的好處是能夠無限地持續地大功率提供能源，但是不能在瞬間產生這麼多的電能。那怎麼辦呢？無論是常規動力，還是核動力，只有一個辦法，要在短時間內提供足夠能量，就要先把這些電能提前儲存好。
儲存電能，大家首先想到的是電容器，但這在技術上無法實現。電磁彈射的儲能裝置選擇的是飛輪。所謂飛輪，就是把電能轉化為機械能，在一個高速旋轉的飛輪中儲存著，飛輪的邊緣線速度能達到音速以上。當然為了減少摩擦，飛輪內部都是真空。飛輪儲能，是電磁彈射非常重要的一環。能量事先儲存好，彈射飛機的時候直接拿來用了。
所以，對於電磁彈射來說，都需要安裝飛輪儲能。至於飛輪的電力來源，無所謂，常規和核能都一樣。所以從理論來說，雖然003福建號是常規動力，但在飛輪儲能性能有保障，電力分配高效的基礎上，電磁彈射的效率並不會和核動力相差太多。
我們今天和大家介紹了蒸汽彈射和電磁彈射的區別，那麼隨著中共003福建號的下水，這艘航母性能到底如何？我們將在下集詳細帶來福建號的分析。
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