航母上的大弹弓

尽管航母被称为海上的机场，但是她们的飞行甲板长度比起正规的陆地机场还是要短了不少；除了日本海军那些轻飘飘的零战、九九和九七一类的东西，绝大多数笨重的飞机即便是开足马力从飞行甲板的尾部一直滑到船头，也未必能达到起飞速度；因此，为了让满载各类炸弹和鱼雷的飞机能顺利地从甲板上腾空而起，就必须有某样东西能在有限的距离内将飞机加速到足够的速度，说通俗点就是把飞机“弹”出去——就好像一个拉满的弹弓一样，“pia！”一下把飞机从甲板射进天空。

这种东西就是弹射器。

同世界上的大多数东西一样，弹射器并不是一生下来就是这个样子，而是经历了一百多年的漫长演化——也就是说，如果某个人在第一台弹射器诞生的同时呱呱坠地，当福特号航母上先进的电磁弹射器试验成功时，那个人多半已经不在世上了。

世界上的第一台弹射器其实并不是用于航母的；事实上，它是由与莱特兄弟同一时期的另一位飞行先驱塞缪尔·兰利（Samuel Langley）发明的——由于早期飞机性能有限，它们并不能滑跑起飞；如果放任这些飞机在地面上滑行，它们只会跟蜗牛似地慢悠悠地挪动，死活都没法扑闪着沉重的翅膀飞起来。

于是，作为他的飞行计划的一部分，兰利设计出了一种被称为弹射器的装置。

正如字面意思指出的那样，这台弹射器的确是“弹射”器——它的核心部件就是一组压紧的弹簧；飞机被架在发射导轨上，只要将弹簧松开，猛然伸长的弹簧就会把飞机给弹出去，原理同弹弓并没有任何区别。

虽然这台弹射器很原始、很简陋，但它毕竟满足了兰利的需求；它可以在短短一段导轨上把飞机猛然加速到起飞的速度，像我们扔纸飞机那样把飞机投出去。

受此启发，莱特兄弟也专门设计了一种弹射器，用来把他们的飞机投上天空。

莱特兄弟的弹射器被称为配重弹射器；这种装置有点像高中物理实验中由砝码牵引的小车，其主体部分是一个稍稍上翘的滑轨，在滑轨的末端有一组滑轮；一个重物吊在滑轮的外面，重物上则系着一根钢索，钢索跨过滑轮同轨道上的小车相连。

当需要弹射飞机时，松开坠在滑轮下面的重物；于是重物便会迅速下坠，同时拉动系在上面的钢索，拖着小车刷地一声冲上坡顶，把飞机一下子抛射出去。

事实上，这不失为一种成功的弹射器；直到现在，某些用来发射滑翔翼的弹射器，使用的也依然是配种弹射的方法；而在二战中，两位被俘虏的盟军飞行员为了能从德国人的战俘营里溜走，自己在牢房里用木门框和床单做了一架简易的滑翔机——而这架滑翔机使用的就是配重弹射器；他们在一个浴缸里装满了水泥，用一根绳子把它同滑翔机连起来；只要把浴缸猛地从屋顶扔下去，巨大的重力就会突然拽着滑翔机冲向屋顶边缘，让滑翔机顺利起飞。

然而，这两种弹射器最多只能弹射像莱特兄弟的飞行者一号那样的原始飞机——那种飞机只不过是一个木头和钢缆搭出来的架子，载荷也不过是飞行员一个人的体重；而配备在航母上的作战飞机却需要搭载货真价实的炸弹、鱼雷以及机枪。如果还是用弹弓来做比喻的话，那莱特兄弟和兰利的弹射器最多只能发射纸团子，当个小孩子的玩具；可美国海军需要的却是一把能用来发射钢珠的弹弓。

那么问题究竟出在哪里呢？

很简单，弹射器的能量不够。

不论是弹簧还是重物，当它们被压紧或是提起时，所储存的势能其实都只有可怜巴巴的一点儿；而如果要弹射更大更重的飞机，就必须有一种更加强大的能源。

那么，什么东西能提供巨大的能量呢？

 爆炸。

于是，在人类历史上第一艘装备了弹射器的航母“兰利”号上，搭载了一种崭新的弹射器——火药弹射器。

火 药弹射器的本质实际上是一门大炮；在弹射器的尾端装填有一组装着火 药的发射药包，发射药包的前面则顶着一块活塞，相当于大炮的炮弹；活塞被约束在一个直线型的框架里，并且可以在框架的约束下自由地前后滑动，活塞上面通过一根杆子伸出甲板上方，与待弹射的飞机相连；弹射飞机的时候，弹射器尾部的火 药爆发，产生巨大的爆炸力把活塞炸向前方，连带带动着飞机一起猛力前冲，直至飞机滑行到甲板末端，然后冲上天空。

不用说，比起配重和弹簧弹射器，火 药爆炸的力量自然要大得多。

然而，火 药弹射器却存在一箩筐的缺点。

最重要的缺点有两个：首先，爆炸气体并没有被约束在一个密闭的空间里，活塞是在一个框架而不是汽缸内运行的——换句话说，爆炸气体可以向四面八方自由扩散，而不是被集中起来朝一个方向施力。于是，火 药弹射器的能量利用效率便会非常之低；在这一次爆炸中，能有10%释放出的能量转化为飞机的动能就已经相当不错了，而剩余的能量则多半随着自由扩散的爆炸气体散失掉了。第二，每次弹射完成之后，发射药包都必须重新进行装填，这也就导致弹射的周期变得很长，难以在激战中连续快速地发射飞机。

不过，即便有着这样那样的缺点，火 药弹射器的优点却也同样不少，比如结构简单——这种弹射器不过是一个可以承受爆炸的框架，不需要多少材料或是多长的工时——以及成本低廉；因此，尽管火 药弹射器很快从航母上消失了，但它却依旧在巡洋舰和战列舰上服役，直到二战结束；人类历史上最强大的大和级战列舰，使用的飞机弹射器就是火 药弹射器。

与此同时，世界上还存在另一种被称为飞轮弹射器的装置。

比起其他的弹射器，飞轮弹射器算得上是一个异类。

这种弹射器储存能量的方式，是飞轮效应。

在弄清楚这种弹射器的原理之前，我们必须明白什么叫飞轮效应。

大家都知道，只要是有质量的物体就一定会有惯性；对于直线运动的物体而言，惯性表现为使物体继续沿原来的方向运动；而对于绕轴高速自转的物体而言，惯性则表现为使这个物体继续旋转——因此，如果一个高速旋转的轮子越重，那么在移开带动着它旋转的动力系统之后，它继续旋转的时间就会越长，而要让它停下来所要用的力也会越大——也就是说，旋转能量留存的时间也会越长。

这个原理通常被用于维持发动机的稳定运转；因为当发动机的活塞运行到止点时，飞轮依然会在惯性的作用下继续旋转，拉着活塞往下吸气或是推着活塞往上把气体排出汽缸；而在那种弹射器里，飞轮被用来储存弹射所需的能量。

飞轮弹射器的能源是一个质量很大的轮组——也就是飞轮（Flywheel）。在发射之前，动力系统会带着飞轮越转越快，直至飞轮的转速稳定之后自动脱开；此时，动力系统通过旋转释放的能量便会以旋转的形式被储存在飞轮里。而在弹射时，一套离合器会把一个固定着钢索的绞盘贴到飞轮上；由此，飞轮巨大的冲力便会带动着绞盘飞快地加速旋转，将能量传递给绞盘，而快速旋转的绞盘又会迅速把钢索卷绕起来，牵引着飞机越滑越快，最后把飞机抛出弹射器的末端；而与此同时，由于能量被分给了绞盘，飞轮自己的转速则会急剧下降，直至最后完全刹停，为下一次弹射做好准备。

同火 药弹射器相比，飞轮弹射器的能量利用效率显然要更高些——毕竟，当绞盘被离合器压到飞轮上时，飞轮并不会带着周围的空气高速旋转，掀起一阵狂暴的旋风，会接受能量的只有绞盘；但是，由于每次发射之前，飞轮必须被动力系统驱动着达到足够的发射转速，这种弹射器的弹射周期依然过长。

很明显，上述的两种弹射器虽然具有发射大质量作战飞机的能力，却并不能做到快速发射飞机，适应不了瞬息万变的战况。

所以，设计一种能够在短时间内迅速放飞大量飞机的弹射器就成了当务之急。

而这，就是本文接下来要说的液压弹射器与压缩空气弹射器。

首先说液压弹射器。

比起火 药和飞轮弹射器，液压弹射器有一个显著的特点——它把所有携带着高压的工作介质都约束在了一个密闭的空间里；它有一个巨大的工作缸，工作缸里则有一个活塞，活塞的边缘同工作缸的内壁紧密贴合，好像注射器的活塞；活塞的前面则固定了一根活塞杆，活塞杆沿着与工作缸轴线平行的方向向前伸出，从工作缸的前端戳出去，末端通过一系列的钢索和滑轮同弹射器的弹射滑块相连；而在另一个地方则放置了一个特制的高压液体储罐，储罐的罐体足以承受其中液体施加的巨大压力。储罐和工作缸之间通过一根管道相连，管道上有一个控制阀门；阀门的强度很大，在罐体内液体猛力施加压力的情况下一样不会被冲破。

液压弹射器的操作非常简单；只需把阀门A打开，储罐内憋着一股劲儿的高压液体就会立即冲进工作缸，推着活塞呼啸着冲向前面，而活塞杆也会被活塞推着高速伸出，拉动钢索，最终通过滑轮拽着飞机刷地掠过甲板，将其猛地抛射出去；而在弹射结束后，将开在工作缸缸壁上的阀门B打开，已经释放了压力、没有了力气的液体就会被抽走，工作缸被排空，活塞复位，等待下一次弹射。

相较于火 药弹射器与飞轮弹射器，液压弹射器有诸多极为突出的优点。

首先，因为储罐容量很大，可以容纳足够多的高压液体，所以即便进行了一两轮弹射，罐内的压力依旧不会有明显的下降——而这也就是说，此时的液压弹射器还可以进行第三次、第四次弹射，而不需要再次充压的过程；所以，这种弹射器的发射周期有了显著的缩短，完全可以适应高烈度战斗的需求。

第二，由于液体完全被约束在密封的工作缸里，整个弹射过程中所有携带能量的物质都不会泄漏，液压弹射器的能量转化效率明显高于火药弹射器。

第三，高压液体储罐的罐壁强度非常高，可以承受巨大的压力——而这也就表示液体能够施加给活塞的压力会更大，足够把沉重的复仇者鱼雷机从护航航母狭小的甲板上打出去；事实上，美国人为中途岛级重型航空母舰设计的超级液压弹射器甚至可以把XBT2D空中海盗这样的大家伙弹上天空，而那东西的最大起飞质量足足有15.767吨，比大黄蜂的B25大了四吨还多！

因为有着如此诱人的性能优势，液压弹射器很快便在美国的航母上得到了广泛的应用；小到博格这样的护航航空母舰，大到约克城、埃塞克斯这样的舰队航母，再到巨无霸级别的中途岛级航空母舰，几乎无一例外全部装备了液压弹射器；可以说，液压弹射器和企业号一起，陪着美国人度过了整个太平洋战争。

至于压缩空气弹射器，其基本结构同液压弹射器其实并没有什么差别，只是把用来作功的液体改成了压缩空气；只不过由于气体膨胀的时候会大量吸热，压缩空气弹射器工作缸和气体储罐之间的管路在弹射时很容易结霜，算是一个比较大的缺点。

但很快，人们意识到，即便是液压弹射器，想要弹射那些战后的重型喷气机也同样很困难。

由此，强大的蒸汽弹射器便应运而生。

蒸汽弹射器本身其实是一台直线运行的蒸汽机；它直接使用来自动力系统锅炉的高压蒸汽，由高压蒸汽推动活塞前冲，以达到发射飞机的目的。

那么，为什么原理如此简单的蒸汽弹射器直到目前为止依然只有美国拥有呢？

因为蒸汽弹射器的汽缸结构非常特殊，我们称之为开槽汽缸。

开槽汽缸，顾名思义就是在汽缸的侧壁上拉出了一道很长的豁口；活塞的活塞杆并不是像在液压弹射器中那样往前伸出，从工作缸的末端伸出汽缸，而是直接从豁口里伸出汽缸外面，另一端直接连接着弹射滑块。

但是，开槽汽缸固然省去了那一套复杂的钢索和滑轮，也减小了弹射器的体积，但是却给如何密封汽缸造成了问题——火药弹射器的经验表明，如果汽缸不密封，那大量的工作介质就会携带着完全没有用过的能量漏个精光，导致弹射器的效率怎么也上不去。

 为此，美国人独创了一种特殊的密封机构。

有些资料把这种密封机构比喻成拉链，这是不对的；这种装置的真正工作原理其实是用来往纸箱上贴透明胶带的手持封箱器。

上图便是美国航母蒸汽弹射器上的密封机构的简图；这种密封机构本身是活塞的一部分，其中LB为导轮，PB则为压轮。一条细长的金属带从开槽汽缸的一端开始，穿过密封装置开了一个和金属带完全契合的小口的正面，跨过导轮和压轮，在开槽汽缸的另一端终止；金属带的宽度稍稍大于豁口的宽度，以确保能完全封死豁口。

当活塞在蒸汽压力下快速前冲时，密封机构自然也会顺着汽缸一路滑过去，而压轮则会一路把导轮吃进来的金属带抵在豁口上；因为汽缸内有非常大的压力，金属带会被压力牢牢按在豁口上，就像是被贴在纸箱上的胶带似的，将豁口封住，确保缸内的蒸汽不会泄漏；而在弹射结束后，活塞被重新拉回起点，则金属带被压轮重新收卷进去，再从导轮下方吐出，紧密贴合着豁口的金属带就会被拉开，汽缸内做过功的蒸汽就能被释放掉了。

不过，蒸汽弹射器依旧不是最好的弹射器。

因为工作环境恶劣，蒸汽弹射器的养护成了一个**烦——在高温蒸汽的冲刷和侵蚀下，弹射器较为脆弱的部分很容易出现问题。此外，蒸汽弹射器的力度不可调，即便要弹射一架不那么大的飞机，弹射器一样会释放出这么巨大的力量，显然就有些浪费了。

于是，我们就在最新的福特级航母上看到了所谓的“电磁弹射器”。

电磁弹射器的原理其实非常简单。

对电磁学略有了解的朋友都知道，通电的导体在磁场中会受到安培力的作用；而这个就是电磁弹射器的原理。

在电磁弹射器中有两条导电导轨；弹射滑块横跨两条滑轨，同样是导电的。在垂直于导轨平面的方向上，强大的电磁体会施加一个磁感应强度极大的磁场；当电流从其中一条滑轨流入，流经弹射滑块再从另一条导轨流出时，弹射滑块就会在安培力的作用下高速运动起来，把飞机拽向前方。由于没有了高温高压的蒸汽，电磁弹射器的工作环境会理想很多，同时能量转化效率也比蒸汽弹射器高很多；此外，因为电流的大小可以调节，在发射一些较小的飞行器时可以使用小电流发射，真正做到了经济。

电磁弹射器的难点在于，必须有某种电源可以在短时间内向滑轨输出大量电流，即所谓的脉冲电流。

美国人的解决方法有些出人意料；他们回到了最原始的飞轮弹射器上。

在美国电磁弹射器的强迫储能装置中，核心部件就是一台大功率的电动机和一个质量很大的飞轮。在弹射之前，由反应堆汽轮发电机输出的电流会进入电动机，使电动机带着飞轮高速旋转；随后，飞轮达到预定转速，电动机自动脱开，飞轮开始自由旋转。而当弹射命令下达时，飞轮和电动机会重新贴合——只不过此时由于没有了电源的输入，被飞轮巨大的冲力强迫着旋转的电动机已经成为了一台发电机，它的线圈绕组在切割磁感线的时候便会朝弹射器输出巨大的瞬时电流，同时线圈切割磁感线导致的电磁阻尼——也就是说电磁力拉着线圈不让它转——则会产生猛烈的制动效应，把飞轮刹停；由于福特级航母反应堆电站的功率相当大，弹射后停止旋转的飞轮可以迅速重新旋转起来，马上将能量补充完毕，弹射周期比起蒸汽弹射器并没有什么增加。

弹射器最初是伴随着人们飞上天空的梦想出现的；而现在，作为重型航母上不可或缺的一部分，弹射器却又成为了衡量某一国家军事工业高度的直观指标之一。虽然说只有有了先进的武器才能确保和平，但是，不知道弹射器的发明者兰利先生看到装备了弹射器的航母在大洋上穿行，甲板上摆满了全副武装的战斗机和轰炸机，心里会怎么想呢……