野外求生生火方法:疾速飞弛-现代航母的电磁弹射器

疾速飞弛-现代航母的电磁弹射器

2011-01-21 12:35:56|

 美国海军电磁弹射器试验，弹射F/A-18E 战斗机

湖南湘电集团近日一篇企业宣传文章提到，该集团正在研制某“大船”项目的ZX电机、大功率储能电机。而能量型直线电机及大功率储能电机正是航母电磁弹射器-EMALS的核心技术。EMALS是现代航母又一个突破性的技术，即便是美国目前这个系统也没有投放实用。

2010年12月18日，美国海军使用新型的电磁弹射系统成功弹射1架F/A-18E型战斗机，这标志着美国在研制电磁弹射器方面取得了突破性的进展，EMALS上舰扫清了道路。根据美国海军的说法，EMALS是正在建造的CVN-78-“福特”级航母的最关键的系统，配备该系统将会大大提高福特级舰载机的出动能力，从而有效的增加航母的作战能力。

美国正在建造的CVN-78福特级航母将配备EMALS 

现有弹射器的不足

我们知道航空母舰的作战能力来源它上面的舰载机，随着现技术的发展，现代作战飞机配备的设备与武器日益增多，有效的提高了飞机的作战能力和用途，但是“日重一磅”的规律也让现代作战飞机的体积和重量随之水涨船高，根据升力公式，飞机需要更大速度才能达到起飞所要的升力，要加速到这个速度就会需要更长的跑道，而对于航空母舰来说，更长的跑道就意味着更长的飞行甲板，更大的航体和吨位，其建造费用也更高，在这种情况下，飞机弹射器就产生了，它主要原理就是利用外力把飞机加速到必要的速度，这样飞机不需要完全依赖自身动力滑跑就可以获得必要的升力，从而降低了飞机对跑道长度的要求，因此弹射器最大的意义在于可以让作战飞机重载从航母起飞，也就是说可以配备更多的武器、燃料，从而具备更强的作战能力和作战半径，尤其是空地作战，为了保证威力，现代空地武器一般体积和重量较大，这样就增加了飞机的起飞重量，也延长了起飞距离，通过弹射器可以有效的弥补，尽管用滑跃甲板等手段也可以让作战飞机从航母上起飞，但是其最大起飞重量和挂载武器都要受到严格的控制，从而降低了作战飞机的效能，另外就是无法使用预警机这样的特种飞机，尽管有消息说美国曾经做过E-2C预警机的滑跃起飞试验，并向英国和印度海军推荐过，但是这两国仍旧采用预警直升机，显现对这个结果持保留态度，还有就是前苏联曾经在库滋涅佐夫号上试验安-71预警机，尽管该机采用了机翼增升技术，但是仍旧需要弹射火箭助推才能有效操作，所以最终库舰配备也是KA-31预警直升机，这也是为什么美国海军一直坚持为航母配备弹射器的根本原因。

美国海军目前使用的蒸汽弹射器有较大的限制 

目前广泛使用在航母上面的弹射器是蒸汽弹射器，该系统由于英国发明，与斜角甲板和菲涅耳助降镜并称为英国的“航母三大发明”，蒸汽弹射器主要原理实际上非常简单，相当于一个超长气缸的往复式蒸汽机，蒸汽通过活塞推动滑车，由后者拖带飞机快速滑跑，在极短的时间将其速度增加到起飞速度，从而有效的缩短了飞机起飞距离，以美国航母普遍配备的C-13系列蒸汽弹射器为例，该弹射器最大弹射功率为95焦耳（C-13-7），弹射距离110米，可以将22吨重的飞机速度增加到286公里/小时，弹射完成只需要30秒的时间，紧急的情况下弹射一架飞机从准备到起飞只需要一分钟，以尼米兹级拥有4个弹射器计算，可以在1分钟内弹射4架飞机，因此可以在较短的时间内完成较大编队作战飞机的出击。

 蒸汽弹射器的结构图

但是蒸汽弹射器也有自己的缺点，首先蒸汽弹射器的弹射能力可调范围较低，这样就意味着在弹射较轻的飞机就要使用较大的功率，导致功率的损失，并且飞机也承受了不必要的应力，还白白消耗了机体寿命，还有就是能量损失较快，蒸汽弹射器最初的速度可以达到6G，而在末段就降低到2G左右，这样就限制了蒸汽弹射器弹射的能力，另外就是体积和重量较大，整个系统的重量超过500吨，仅与飞机连接的滑车重量就超过10吨，体积超过去1000立方米，其中储气罐就高达200立方米，弹射器工作时需要50人同时工作，而整个系统及相关的保障、维修人员总数超过500人！同时由于蒸汽弹射器需要大量的淡水，一次弹射需要大约2吨左右的淡水，其中近一半生成蒸汽而散失，因此在进行连续弹射时就会严重消耗主动力，根据相关资料；尼米兹级在弹射8架飞机左右的时候，主动力损失超过30%，航速从30节减少到达20节，这在战时对航母的生存能力会造成一定的影响，同时甲板下的巨大的储气罐一旦被击中，就会引起大爆炸，从而摧毁整个起飞甲板，甚至整艘航母。所以美国海军一直在寻找体积更小、重量更轻也更加安全的飞机弹射器。

现有的蒸汽弹射器需要较多的人员来维护，图为美国航母维护弹射器 

跨世纪的电磁弹射器（EMALS）

实际上EMALS的出现比蒸汽弹射器还要早，EMALS的原理就是利用电磁力为加速度手段，将飞机在短距离加速到起飞速度，早在二战时期，美国海军考虑到当时主流的液压弹射器的缺点，开始研制EMALS，1945年美国海军利用感应电动机技术，利用线性电动机研制成功早期的EMALS，并进行了弹射飞机的试验，有消息指当时曾经成功把4吨重的作战飞机在200米的距离上加速180公里/小时，但是由于当时电动机技术及军舰电力系统尚未不成熟，该系统的能力与液压弹射器和后来的蒸汽弹射器还有较大的距离，另外整个系统的成本也非常高，所以美国海军放弃了EMALS的发展，选择了蒸汽弹射器。

美国试验型电磁弹射器 

进入上世纪70年代，随着舰载作战飞机的重量和起飞速度不断提高，而蒸汽弹射器的能力已经提高到极限，所以美国海军开始寻找新一代弹射器，随着电力技术的进步，EMALS又被重新重视起来，1998年美国海军建造了一个小比例的EMALS，并进行模型的模拟弹射，特别是证明了埋在飞行甲板上的电动机的电磁辐射可以被有效的屏蔽，从而验证了EMALS在新一代航空母舰运用的可行性，2003年美国海军正式宣布CVN-21计划，其中最令人注目的就是CVN-21将采用EMALS做为飞机的弹射器。而第一艘采用EMALS的就是CVN-78““福特”号，尽管与采用成熟的蒸汽弹射器相比，采用EMALS会让福特号多花费3亿美元，工期也要延长，但是由于EMALS的优越的性能，美国海军仍旧决定在该舰上采用EMALS。

EMALS结构图 

根据相关资料，美国海军对于EMALS的设计指标为：最大弹射重量22.5吨,起飞速度28-103米/秒,最短弹射时间45秒,最大弹射能量122焦耳,重量225吨,体积425立方米, EMALS1实质是.直线电机的动子滑块在电磁力作用下 ,通过拖钩拖动飞机 ,使其达到起飞速度.主要包括储能系统、电力电子系统、线电机、控制系统 ,另外还要有冷却系统、预加动装置、减速缓冲与刹车装置等.这些分系统、装置合在一起 ,形成一个高性能的弹射系统,储能系统在特定的时间周期内从航空母舰的配系统获得电能 ,并将储存的能量在 2～3秒的弹射内以脉冲形式转换为电能.电力电子系统控制储系统脉冲放电 ,调节直线电机动子速度 ,使飞机达起飞速度.控制系统保证弹射过程按规定的参数成弹射,其中最关键的就是循环变换器即功率电子装置只有在通过线圈的特定时间内才起作用，而不整个电动机 通过改变供电电压和频率，可使EALS在最有效位置内以全速移动。循环变换器是可换向的桥式电路，通过一条桥式线路与另一条桥式线路的并联 / 串联的输出而得到所要求的功率水平,并且本身不需要开关这种设计,取消了共用电流电抗器和串联电容器循环变换器的。根据有关资料EMALS的最大弹射速度时其循变换器输出波形的峰值电流高达6400 A,因此EMALS另外一个难点就是高功率瞬发电源,美国的EMALS采用的NASA为电磁炮和激光炮研制的盘式发电机,每个重量大约9吨,转子旋转速度高达6400转/分,存储能量为121焦耳,一部EMALS由4台电动机带动,可以在一台电动机故障的情况下继续工作,较大冗余度就可以保证每台电动机弹射一次消耗能量较少,可以迅速补充,从而提高弹射器的循环工作时间。

美国研制的EMALS 

与蒸汽弹射器相比，EMALS由于功率增加，从而提高作战飞机的最大起飞重量，从而让进一步增加了作战飞机的作战能力，特别是EMALS由于采用电子控制，可以迅速的纠正加速度的偏差，从而具备“更高精度的弹射和回收”能力，这样的优点在于可以降低对飞机结构的应力，减少对飞机结构不必要的损耗，有资料指采用EMALS后，可以让飞机机体寿命增加大约30%，这在作战飞机价格日益昂贵的今天显然是非常宝贵的。还有一点就是让弹射器的适应范围更广，可以迅速完成轻型和重型飞机的转换，我们知道随着X-47等无人作战飞机的成熟，美国海军航母将会越来越多的配备无人作战飞机，EMALS这种能力可以显著提高美国海军航母使用无人作战飞机的能力。此外由于EMALS的重量和体积比蒸汽弹射器显著降低，从而降低了航母的重量，有助于控制整舰的重量和成本，同时占用甲板下的面积减少也有助于扩大机库，提高航母的搭载作战飞机的能力，EMALS的结构也远比蒸汽弹射器简单，蒸汽弹射器的各子系统的复杂，并且需要利用大量液压水用于制动以及电力机械进行驱动，这些子系统。它们相关的泵、电动机和控制系统一起，使整个弹射系统统变得更复杂，增加重量和体积，并且降低了可靠性，而采用 EMALS进行弹射时，制动和回收将通过弹射电动机来实现，因此可减少辅助部件可简化整个系统 这时可取消蒸汽弹射器每次弹射所需的液压油、压缩空气以及污染环境的润滑油，特别是EMALS主要是电动和电子器件，可以实现自动监测系统，实现维修保障的自动化，特别是可以在系统出故障前发出预报，可以有效的降低操作和维护所需要的人数和劳动强度，这样就有效的降低了航母的舰员人数。美国海军估计采用EMALS效率提高20%，可以节省劳动力成本30%以上，舰员减少33%，降低全寿命成本20%。

EMALS对于X-47这样的无人机运用特别有用处 

当然EMALS也有自己的缺点，一个比较大的缺点就是电磁辐射外泄的问题，我们知道EMALS和蒸汽弹射器一样采用开槽设计，因此电动机的电磁容易泄露，而现代作战飞机的电子系统日益繁杂，因此会受到EMALS的干扰，所以EMALS采用了复杂的磁密封条，以保证在离甲板15厘米处就保证电磁强度在正常水平之内，由于电动机采用了高速旋转机械，因此在航母这个运动平台保持相关部件的稳定性就非常重要。另外就是目前EMALS的效率还较低，目前其效率还不到70%，因此有相当的能量转化为热量，所以运行时对散热要求较高。

尾声

从以上分析我们可以看到，在航空母舰上安装EMALS可以适应不同类型舰载机的起飞 ,大幅提高舰载机起飞效率 ,改善飞机受力情况 ,延长飞机寿命,从而提高航母海空作战能力，这也是为什么美国海军坚持为新型航母安装EMALS的原因，目前EMALS项目正在按部就班的进行，根据美国海军的计划明年将进行包括C-2运输机和T-45“苍鹰”喷气教练机在内的其他舰载机的弹射试验。将于2011年向新航母交付首部弹射器。

根据海外资料，我国也在发展自己的航空母舰，从提高航母的作战能力出发，我国未来航母可能也要使用弹射器，考虑到后发的优势，以及跟踪国外先进水平，特别是我国是稀土大国，在稀土永磁器件方面有一定的水平，并且在电磁炮等领域也进行了一定的探索，所以对我国来说，未来航母采用EMALS可以全面提高航母的作战能力。