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为何不能在陆地铺设电磁弹射跑道,弹射起飞战斗机?电磁弹射为什么这么难

  当然可以啊,在陆地铺设电磁弹射跑道不存在技术上的制约,而且不论是蒸汽弹射器还是电磁弹射器在上舰之前都是在陆地上进行研发和测试的,只有通过在陆地上成功实施战机弹射才具备应用到航空母舰上的条件。使用弹射器弹射升空的飞机不需要长达数百米甚至上千米的跑道,我们以C-130“大力士”战术运输机为例,当载荷为10吨时需要在跑道上滑跑1200米才能达到起飞速度,而在航母上弹射起飞时只需要滑跑200米就能升空。很显然弹射器能明显降低飞机起飞时的滑跑距离,优势如此明显但是陆地上却很少见到为战斗机在跑道上铺设弹射器的现象,这是为什么呢?我们从以下两点来展开分析和对比。

  ▼下图为正在从航母上用弹射器弹射起飞的C-130“大力士”运输机。

  决定航母舰载机出勤效率的因素并不是能放飞多少战机,而是能回收多少战机。很多读者一直身陷在一个误区当中不能自拔,即航母弹射器弹射舰载机升空的数量是无限的。事实并非如此,决定舰载机升空数量的因素是航母对已升空的飞机的回收能力,而决定舰载机升空波次的因素则是航母上的停机坪数量。也就是说航母能在同一时间段让多少舰载机着舰降落,弹射器就能弹射起飞多少舰载机;航母甲板上有多少个待飞停机坪,弹射器就能在同一波次中弹射多少架舰载机升空。

  ▼下图为美国“福特”级超级航母,它的甲板上一共拥有24个待飞停机位,这就意味着该型航母一个波次放飞舰载机的能力为24架,相当于我国一个空军团的战斗力。

  假设某型航母舰载机搭载能力为96架,甲板上有24个待飞停机坪,那么该型航母弹射器一个波次的弹射能力就为24架,两个波次则为48架,而这48架就是该型航母放飞舰载机的最大能力!它并不能一次就全部放飞90架。

  这是因为航母甲板上三个起飞点的弹射器每放飞三架舰载机平均耗时5分钟,当弹射器分8次把第一波24架舰载机全部弹射升空以后就已经过去了整整40分钟,对于最先升空的头三架舰载机而言,它们在空中盘旋等待其它飞机起飞的时间就已经占据了其滞空能力的1/4,假设飞行到攻击目标的距离也需要1/4的滞空时间,那么当舰载机完成攻击并返航至航母编队所在海域时油耗已经接近警告红线,如果此时甲板上还没有清空,舰载机将在燃油耗尽后坠海。

  ▼下图为正在使用弹射器弹射升空的舰载机战斗机。

  待第一波舰载机全部回收完毕后,第二波舰载机也已经返航到航母所在海域,这时候航母上的甲板也不能进行放飞作业,所有工作都以回收返航舰载机为核心开展。假设每回收一架舰载机平均需要3分钟,那么光回收舰载机的时间将不低于72分钟,这就意味着从回收第一波舰载机中的第一架开始到回收第二波最后一架舰载机一共耗时144分钟,在此期间航母是不具备放飞舰载机条件的,就连直升机就放飞不了,只有等48架作战归来的舰载机全部入库以后才能再从机库内放出其余的舰载机。可见只有一条着舰降落跑道的航母并不会因安装有弹射器而提高飞机出勤率。

  ▼下图为正在着舰降落的舰载战斗机,舰载机降落时甲板上是不能进行任何与回收飞机无关的工作的。

  我们就拿第二次世界大战中的“霸王行动”来例举吧,在登陆部队开展诺曼底抢滩登陆战之前,盟军就已经派遣空降兵空降到德军后方实施袭扰,参加空降作战行动的部队分别是美军第82空降师、第101空降师和英军第6空降师,总兵力35000余人,分别乘坐美军第9运输机联队和英军的2个运输机大队的1800架C-47运输机和1200架由C-47运输机牵引的滑翔机实施敌后空降。

  ▼下图为盟军实施空降作战的庞大待飞运输机群。

  运输机分别在英国南部的15个机场出发,每个机场平均起飞100余架,每个波次起飞50架,每个波次的每架飞机平均起飞用时为1分钟,当第一波次的750架飞机全部升空时仅用不到1个小时的时间。当第三波牵引滑翔机的350架运输机全部升空时第一波运输机已经开始着陆降落(空降距离200—250公里),并加载燃油、装载火炮、弹药、车辆、坦克等物资和装备,准备实施空降补给行动,三个波次的兵力投送以及后续的多波次物资投送都实现了无缝连接,这种效率是航母望尘莫及的。

  ▼下图为飞行员视角下同时进入滑跑状态的C-47运输机群。

  路基飞机的高效率同样取决于机场对飞机的回收能力,一般空军场站都设有2~3条跑道,大型场站甚至会设立4条以上的跑道,战机的起飞和降落可以在不同的跑道错开,因此起飞和降落并不产生相互制约,这是其一;其二,场站里的所有停机坪都可以作为飞机发动机试车和预热场地,不像航母那样只有对着海面的停机位才能启动发动机进行机试车和预热,因此大大节省了起飞准备时间;其三,路基场站的起飞跑道可以同时起飞多架飞机,不需要航母弹射器弹射起飞那样每3架为一批逐架放飞。

  ▼下图为正在排队起飞的C-47运输机群,它们的引擎已经全部启动,只要前面的飞机进入滑跑状态,后面的飞机即可松开刹车跟上开始滑跑起飞。

  就像上述提到的诺曼底空降行动,所有C-47运输机都是整齐排列在跑道上,起飞命令一旦下达,所有战机将在间隔1分钟之内排队升空直扑目标空域,不需要在空中盘旋等待其它战机组成编队而浪费时间;而降落也是同样的道理,它飞它的,我降我的,双方互不干涉,因此可以达到无缝连接的效果。试想一下,如果仅仅是为了降低滑跑距离而在跑道上铺设弹射器,那么等弹射完1800架飞机时恐怕第一波升空的750架飞机燃油已经耗尽,而第三波的那350架还在等待弹射。

  ▼下图为牵引滑翔机的英军C-47运输机开始升空,如果采用弹射去弹射起飞,这些飞机时做不到牵引滑翔机起飞的,因为滑翔机也需要才滑跑中获得升力。

  综上所述我们可以得出这样的结论:陆地不能铺设弹射器弹射起飞战机,这里所说的“不能”并不是技术上的不能,而是战术上没有需求的不能。对于路基战机而言,在跑道上铺设弹射器实施弹射起飞是一件画蛇添足和事倍功半的蠢事,对于空军作战部队而言没有一丝价值可言。如果要达到降低滑跑距离、缩短跑道长度的效果,那么机场不但需要在跑道上铺设弹射器,而且还需要加装阻拦降落系统,原本能同时放飞一个团24架战机的机场就变成一个波次只能放飞8架舰载机的航母了。最关键的是铺设弹射器以后的缩短版跑道可以弹射升空诸如C-130“大力士”这样的中型运输机,却不具备将其回收的功能,那么是不是说驾驶运输机的飞行员在完成任务以后需要弃机跳伞呢?很显然,不论跑道上铺设的弹射器类型是传统的蒸汽弹射器还是先进的电磁弹射器都没有任何意义,同时还会制约战机战斗力的发挥,成为累赘了,所以没有任何一个国家的路基空军会在跑道上铺设弹射器;换言之,如果航母能造得足够大的话,连海军都不会在航母上在使用弹射方式放飞舰载机和使用阻拦系统拉停着舰降落的飞机,弹射器和阻拦系统将会被淘汰,没有人喜欢这些玩意。

  ▼下图为网友YY出来的未来100万吨级巨无霸航母,它的跑道长度甚至能满足大型运输机起降,因此不再需要弹射器和阻拦系统,只有这样的航母才能拥有与陆地机场那样的战机出勤效率。

  陆基跑道可以根据飞行器的性能需要多大造多大,没有必要在陆地上建造电磁弹射跑道!一是电磁弹射跑道造价昂贵,二是技术设备复杂,三是陆地上造电磁弹射跑道就是资源浪费!

  发射一架飞机所需的蒸汽量取决于飞机的重量,一旦发射开始,就无法进行调整:如果使用太多的蒸汽,连接在弹射装置上的前轮起落架可能会从飞机上脱落。如果使用的蒸汽太少,飞机将达不到起飞速度,并会掉入水中。另一方面,用于电磁弹射的发射控制系统将知道飞机在发射过程中的任何时刻应该具有什么速度,并且可以在该过程中进行调整,以确保飞机将在期望起飞速度的4.8公里/小时以内。

  电磁弹射器可以每45秒发射一次。每一次三秒钟的发射可以消耗高达1亿瓦的电能,大约相当于一个小镇在相同时间内消耗的电能。这需要一个发电厂,航母核反应堆正好能提供这样的电力。在为电磁弹射器开发的舰载发电机中,电能储存在转速为6400转/分的转子中。当发出发射命令时,发电机以2到3秒的脉冲输出能量,就像气球放出的空气爆发一样。随着电力的耗尽,发电机速度变慢,发电量稳步下降。但是在发射之间剩下的42秒钟里,转子旋转回到满负荷,准备释放另一股能量。

  根据美国海军空战实验室的比例模型,设计者开发了构建电磁弹射器原型所需的电子硬件和软件,它可以在30米长的跑道上,在3/4秒内将自重测试物品加速到265公里/小时。

  相对于陆地机场,航母空间狭小,舰载机多大80~100架,四个起飞跑道加上电磁弹射器,能最大程度提高起飞量和速度,这是最好也是最经济的办法,否则安装陆地机场的规格,航母甲板将要放大十几倍,航母排水量将达到一百多万吨,这是任何国家不能承受的。电磁弹射器可以用到陆地机场,但空军飞机设计和海军有很大区别,根本不能承受起飞的加速度,需要机身和起落架加固,这就增加了空军飞机的成本和限制了机动性能,得不偿失。电磁弹射器可以在空间狭小的岛屿机场有用武之地,舰载机能在这些机场起飞作战。

  弹射器…Aⅰrcraft.catapuIt是航空母舰在有限的甲板空间内、為满足固定翼舰载机增大起飞速度、缩短滑跑距离而增设的辅助设备!

  50年代喷气式舰载机上舰、飞机吨位增加、速度快、为解决喷气式舰载机在航母的起飞需要、蒸汽式弹射器出现、极大的改善了航母舰载机的起飞。

  任何一类型弹射器、设计生产、安装、使用技术复杂、是充分从航母的吨位、甲板长短、舰载机的起飞需要而“量身打造”。

  航母弹射器对使用的舰载机也是有重量需要。

  航母舰载机陆地培养基地机场除外。

  历史小挖客说:是个好问题!小挖客亲手做过无人机用的弹射器,深有体会!题主的意思应该是机场是战时重点打击目标,如果采用航母上的弹射器,让飞机能短距起飞,战时应急能力大大提高!陆地机场还真有装弹射器的,如下图,但主要是为了测试海军舰载机,不是给普通空军飞机用的,陆地机场大量采用弹射器得不偿失。慢慢道来。

  首先,飞机不允许

  空军现有的飞机,都没有考虑弹射起飞。只说一点最容易理解的:弹射起飞要在短短100来米把飞机加速到起飞速度,飞机要承受很大的力,而且这个力要由起落架传到飞机的主结构,所以飞机结构尤其是起落架部分要大大加强。但这样一来要增加不少重量。以能弹射起飞的F-18“大黄蜂”为例,曾经有一款F-18L陆基型,如下图注意前轮是单轮,准备用于外销,比能弹射的F-18C型(空重10吨)轻了足足2吨(当然这2吨不仅仅是为了弹射)!性能也有大幅提高,后来卖不过F-16才没有继续发展。

  所以,以美军例,空军的F-15、F-16要能弹射,必须大改!这也还罢了,空军那些大飞机怎么办?E-3预警机、加油机、C-17运输机、B-52轰炸机……也弹射吗?这可就不是增重那么简单的了!当然,题主提到只是战斗机,说明是经过思考的。

  其次,弹射器有自己的不足

  空军战斗机型号这么多,用多大的弹射器呢?小挖客拿无人机做个例子,弹7公斤无人机的弹射器和弹15公斤无人机的弹射器,长度、重量就差了好几倍!美国空军F-16空重只有10吨,但重型的F-15E有30吨以上,安装多大的弹射器合适?如下图美军的电磁弹射器,看这个头!也只能弹几十吨重的飞机呢。当然,题主说只是战斗机,可以照搬航母上的弹射器,但第二个问题又来了,出动率受严重影响!

  弹射器需要能量,也就是说弹一架飞机出去,弹射器要蓄能,如果用蒸汽弹射器,要有产生蒸汽锅炉,弹一架压力下降以后,要等压力再上来才能再弹第二架。以美国核动力航空母舰为例,连续弹射10来架飞机,锅炉的压力下降严重,要等上一阵子才能继续弹!电磁弹射器好一些,可同样要依赖超级电容等蓄能,算下来体积也不小,复杂程度也不低。而普通跑道机场,紧急时可以以极高的出动率紧挨着起飞一大堆飞机。如下图。

  还有,安装电磁弹射器,机场上会多出一大堆东西:发动机(提供能量)、发电机、超级电容器组(蓄能),还要有指挥控制起飞的设备和人员,机场造价高也就罢了,战时多了很多软肋给人打呀。而且,即使没有弹射器,当今很多战斗机的短距起飞能力都已经很强,以美国为例,主力战斗机最短起飞距离都在500米以内,加装弹射器也只能缩到200米左右,得不偿失。

  实现短距起飞有其它更好的办法

  说题主的问题很好,是因为不依赖长跑道,让普通飞机短距起飞一直是空军心中的念想。他们考虑过比弹射起飞更好的办法——加装火箭助推器。

  火箭助推器不用大改飞机,更不用在机场上装额外的设备,大小飞机都能装!飞机轻一点就少装几个,重一些就多装几个,直接增加飞机的起飞推力,起飞了就抛掉。所以各国从小到大,很多飞机都试验了加装助推器的可能,如下图。

  不过,火箭助推器是一次性消耗器,抛下来就摔得差不多烂了,价格不便宜。而且飞机安装助推器的位置结构仍然需要加强,而且推力很大,安装多个的话,一侧的助推器熄火会在飞机起飞助跑时造成严重偏航,这非常危险!现在全面战争的风险并不大,用助推器的需求并不迫切,要知道50年代铁幕刚刚拉开的时候,美苏可是把几乎所有的飞机都装上助推器试过呢,看下图,连水上飞机都没放过啊!最后,火箭助推器不太环保,和平年代是个烦!你看那浓烟!除非你用氢氧火箭,那个东西的安全性又不太好。不过火箭助推器作为不错应急起飞手段,在一些军用机场里仍然有保留,并未完全退出舞台!

  最后,光考虑起飞,降落怎么办?

  弹射器也好,火箭助推器也好,只解决了普通飞机起飞的问题,降落怎么呢?这方面很多陆基军用机场倒是像航空母舰认真学习,配有拦阻索和拦阻网,很多陆基战斗机也配有尾钩,问题倒不算太大,但陆基飞机结构特点,会让拦阻降落对结构寿命影响严重,因此只能是应个急而己。

  陆地上实现弹射器的难度比航母上还要低得多,辽宁兴城的弹射器实验场就是陆地的,一条蒸弹,一条电弹。关键是有没有这个必要的问题。特朗普甚至提议福特级航母都去掉电磁弹射,改用蒸汽弹射,你就知道这玩意成本多高了。2022年福特级航母的EMALS报价为9.59亿美元,这个价格都够造一个机场了。

  福特号上的电磁弹射器滑轨

  陆地机场不像航母受面积的限制,跑道完全可以做的很长,2、3km的跑道完全不是问题,这么长的跑道想怎么飞怎么飞,哪怕飞机达到最大起飞重量也没问题。关键是建这么长的跑道,成本还是低于电磁弹射器。电磁弹射器弹射一次的能量达在100兆焦耳以上,需要巨大的储能装置。而且电从哪里来呢?在核动力航空母舰上,核动力装置输出功率可以达到300兆瓦,可以通过飞轮储能,利用高速旋转的飞轮发电。陆地上为了单独给电磁弹射器充能,还要单独设置一套动力装置,估计只能上重型燃气轮机发电机组了。也就是说这一套弹射器还得配套一个小型发电站。最大的问题是这套装置的目标比机库还要大,开打起来一旦被炸,全都傻眼。

  福特号上的EMALS电磁弹射器,弹射滑轨下面是巨大的变电和储能装置

  重型发电燃气轮机,这玩意在机场上目标比机库大吧

  效费比的问题。

  如果一架飞机可以接受弹射起飞,那么在起落架和机身结构上都被充分加强以适应弹射器的强大加速度。

  咱们可以翻翻故纸堆。看一下基本同型的两架战机的结构图:

  这架战机是?F-18,为了适应在航母上弹射起飞F-18特地加强了机身结构和起落架的结构。

  而对于之前的YF-17的设计,本身就不是一个舰载机而是一架轻型战斗机,我们来看看YF-17:

  着重看下起落架就会发现这两架战机的不同了。

  结构加强的唯一途径就是增加材料也就是增加重量,因此,YF-17空重为9525公斤,而到了F/A-18A这架飞机虽然增加了机内燃油和增加了一些必要性的设施,F/A-18A的空重达到了16800千克。可以说重量都浪费到了机体结构上。

  一架战斗机,起降是其次,更重要的是在飞行中的性能,这个性能在相同的气动结构下更重要的是推重比。当然了,推力无法做出简单的改变,而重量的无端增大就会导致飞机的飞行性能下降。

  同时,并不是没有在陆地机场的弹射系统,在蒸汽弹射时代就已经有这种测试场了。但这些弹射系统是用来测试舰载机弹射起飞的。

  同时,这种设施对于机场跑道上来说并不是过大成本,如果划得来各国也早就去做了。

  国会/人大表示,这种想法很蠢,还想打断提出这个议案的议员的大腿。

  无论是美国的EMALS还是我国的电磁弹射器,都经过了小比例模型,大比例验证,1:1陆基弹射器等阶段。

  而且专门为海军研发的盐水鸡上岸,也是司空见惯,路基密集阵,路基宙斯盾,陆盾2000,铠甲弹炮合一近防系统,均是此类。

  而且陆地机场相比于尺寸狭小的航母而言,自由度也是极高的。

  而且也不用像航母安装弹射器要那么顾虑重重,担心什么舰体结构问题,管线布置问题,储能设备与发电设备的布置问题。

  陆地机场想要安装弹射器,那就是非常简单了。

  第1步在跑道上开个槽。

  第2步把弹射器装进去。

  

为何不能在陆地铺设电磁弹射跑道,弹射起飞战斗机?电磁弹射为什么这么难

  第3步盖好。

  第四部隔壁盖个库房把储能装备装进去

  第5部,拉几根超高压的电线过来。

  完毕。

  相比于航母,陆地机场改装这些可以说是轻而易举。设计难度接近于0。

  但是问题是,铺电磁弹射轨道有啥用?如果说是为了航母上面的电磁弹射器做实验的话有一条就够了。

  

为何不能在陆地铺设电磁弹射跑道,弹射起飞战斗机?电磁弹射为什么这么难

  如果说是为了降低跑道长度?

  首先与滑跃甲板不同,任何战斗机都可以轻而易举的使用滑跃加班起飞,实际上滑跃起飞的方式就是为了应对核战之后飞行跑道破碎的局面,而且滑跃跑道的加工成本很低。只要心够大,拿铁架子焊一个跳台,然后用水泥浇筑在起飞跑道的末端。就可以了,多余操作都不需要的。

  但是弹射器不同,路基战斗机就无法适应弹射器,要么在腹部加装挂钩,要么改进起落架,或者说直接航母舰载机上岸。

  价格瞬间就起来了。

  如果说是为了降低生产成本?

  别的不说,一条弹射器怎么也得上亿

  甚至于电磁弹射器的话,1亿不够用。

  法国在一九九一年为戴高乐号准备弹射器的时候,每条弹射器的价格是1200万美元。(顺口提一句法国把克莱蒙梭级航母二号舰卖给巴西的时候才卖了1400万)戴高乐的造价也才二三十亿美元。

  法国在2007年计划建造pa2型航空母舰的时候,为两条弹射器的拨款是6750万美元。

  看起来好像也就那样,就算电磁弹射器比较贵,也不会超过1亿美元,这还是美国的对外售价,美国自用价蒸汽弹射器的价格也就2000万美元左右。

  这样看起来好像没有预想中的那么贵,但是弹射器的维护需要频率极高,每年的维护费用就是一笔不小的支出,实际上滑跃甲板所节约的主要就是这部分维护费用。不然的话多加一千两百万美元,战斗力能翻至少百分之五十,这么划算的生意谁不做?

  回归正题,哪怕一千两百万美元计算,这也是将近八千万人民币,机场跑道延伸五百米,价格没这么贵吧?

  所以说,陆地机场使用电磁弹射器实在是得不偿失。

  所长觉得,首先要搞清楚一个问题,就是为什么舰载机要在航母上进行电磁弹射起飞,那是因为航母上的跑道长度非常有限,最长的福特级甲板也不超过350米,所以必须要在短距离内通过弹射获得高速度,才可以获得起飞的升力!

  但是在陆地上,就没有尺寸的限制,陆地机场动不动就是1000多米长度的跑道,战斗机起飞绰绰有余!可以说航母上进行电磁弹射起飞是不得已而为之!

  不过陆地进行电磁弹射起飞当然是可以的,但是也要讲究实用性!电磁弹射虽然高效,但是风险要比正常的陆地机场起飞大,出现问题的概率很大,起飞的重量也受到限制,不能弹射大型的飞机,比如军用运输机、轰炸机和空中加油机等等机型!

  比如电磁弹射装置本身的建造成本很高,然后就是使用起来功耗大,旁边需要一个核反应堆提供电力或者一个大型的发电站。而普通的陆地机场跑道,起飞一次除了飞机本身的起飞油料和磨损成本之外,额外的起飞成本几乎为零,不耗费额外的电力!

  不光是每次起飞的成本,电磁弹射的日常维护成本也很大,而陆地机场相比起来,维护费用很低,维护周期也短!另外还有一个问题,那就是如果机场遭受了对方打击,那么电磁弹射的维修难度和维修周期都是让人无法接受的,而普通的跑道可以在短时间内恢复,甚至使用特殊的设备,普通的水泥跑道几小时就可以恢复战斗机的起降能力!

  这样一对比,在陆地铺设电磁弹射不光没有带来便利,反而带来了众多问题,一旦电磁弹射跑道被摧毁了,那么基本上就不能使用了。所以在陆地上铺设电磁弹射跑道,除了试验,完全没有必要!

  为什么不在陆地铺设电磁弹射器?

  这样问才对!

  陆地可不可以铺设弹射器?完全可以。不管是蒸汽式还是电磁式,核心就是要有能量。陆地上不缺的就是能量。

  那么有优势吗?当然也有!如果采用弹射器,哪怕是最差的弹射器,也可以把飞机起飞距离缩小到500米以内。如果使用更大功率,甚至极限距离可以缩小到100米以内。而现在飞机起飞的距离长达1500米。

  但世界上,包括美国都没有采用弹射器在陆地上弹射飞机!为什么?

  因为两个原因:

  1.需要飞机改进太多。

  一般情况下空军战机要略好于海军战机。为什么?其中的一个原因:就是为了弹射,海军战机进行了加强。包括起落架,机体等。这需要大约500千克质量。对于战斗机这种每千克都要斤斤计较的飞机来说,500千克完全可以影响飞机的性能!所以空军战机一般不选择弹射器。

  举一个战机斤斤计较的例子。中国,俄罗斯由于发动机技术略逊于美国,所以降落时,采取降落伞助降。美国包括空军都采用拦阻钩助降。抛开习惯因素,其中一个原因就是虽然降落伞存在收拢慢,导致飞机重复起飞慢,但重量轻一些!这就是斤斤计较的空重!

  2.战时帮助不大。

  战时,跑道炸弹一般采取在跑道上每100米投下一枚钻地炸弹,导致飞机无法起飞。这种情况下,弹射器也无法使用。而且大不了把弹射器一起炸了就是。弹射器修复时间至少以天为单位。而修复跑道大约要2小时。所以性价比太差!

  这就是陆地不采用弹射器的两个主要原因。

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