美國航母電磁彈射技術(shù)

蕭蕭

2010年12月18日，在新澤西州麥克圭爾-迪克斯-萊克赫斯特聯(lián)合基地，美國海軍使用電磁彈射器（EMALS）成功彈射了1架F/A-18E“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗攻擊機(jī)，此后又繼續(xù)對T-45C艦載教練機(jī)、C-2A艦載運(yùn)輸機(jī)、E-2D艦載預(yù)警機(jī)等進(jìn)行了100多架次彈射試驗(yàn)。2011年11月18日，美國海軍又在麥克圭爾-迪克斯-萊克赫斯特聯(lián)合基地使用電磁彈射器威功彈射了1架F-35C。2011年末，美國通用原子公司電磁系統(tǒng)部交付第12個(gè)也是最后一個(gè)用于航母電磁彈射器（EMALS）的儲能電機(jī)。2013年3月14日，美國海軍航母電磁彈射器完成了儲能電機(jī)共享試驗(yàn)，比預(yù)定日期有所提前。

2013年6月25日，美國海軍開始進(jìn)入第二階段航母電磁彈射器的彈射試驗(yàn)，并于當(dāng)天成功彈射了1架EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)機(jī)。美國海軍電磁彈射器綜合項(xiàng)目小組負(fù)責(zé)人喬治·蘇利奇表示，今年后半年進(jìn)行的第二階段測試將會進(jìn)行300架次彈射，而且這些彈射將模擬不同航母工況，包括偏心彈射和設(shè)定系統(tǒng)故障彈射，從而驗(yàn)證飛機(jī)能達(dá)到起飛末速度，驗(yàn)證臨界彈射可靠性。這一系列事例，表明美國新型航母電磁彈射系統(tǒng)正在快速走向?qū)嵱?。如果它能按照原?jì)劃裝上“福特”號航母，意味著航母彈射技術(shù)將發(fā)生一次革命。

電磁彈射器的優(yōu)點(diǎn)

為何美軍要采用電磁彈射器？因?yàn)檫@種彈射器有很多優(yōu)點(diǎn)。

首先是加速均勻且力量可控。C-13-1型蒸汽彈射器發(fā)射時(shí)最大過載達(dá)到6g，但整個(gè)行程的平均加速度僅有2g多一點(diǎn)，執(zhí)行空優(yōu)任務(wù)的F/A-1B飛行員常常調(diào)侃C-13-1彈射器在后段往往沒有飛機(jī)自身的發(fā)動(dòng)機(jī)加速得快。過熱蒸汽的膨脹隨著速度和汽缸容積的增加，絕大多數(shù)能量用于蒸汽本身的加速和推動(dòng)上了，而體積增加后膨脹所需蒸汽的比例呈立方關(guān)系增加。目前的蒸汽彈射器的長度和汽缸容積幾乎達(dá)到極限，到彈射沖程的末段，蒸汽基本上只能加速活塞，對飛機(jī)的幫助不大。

電磁彈射器的推力在啟動(dòng)段沒有蒸汽那種突發(fā)爆炸性的沖擊，可以將最大加速度從6g降低到3g，這不僅對飛機(jī)結(jié)構(gòu)和壽命有著巨大好處，對飛行員的身體承受能力也是一個(gè)不錯(cuò)的改善。此外，由于電磁彈射的加速和彈射器的長度沒有關(guān)系，除了受到氣動(dòng)阻力和摩擦阻力的影響外，彈射的初段到末段基本加速度不會出現(xiàn)太大的波動(dòng)，這就比蒸汽彈射的逐步下降來的更有效率。根據(jù)計(jì)算，假設(shè)平均加速度一樣，電磁彈射器將比蒸汽彈射器讓飛機(jī)多載重8%-15%。

其次，電磁彈射器具有很大的能量輸出調(diào)節(jié)范圍。蒸汽彈射器的功率輸出依靠一個(gè)叫速率閥的東西，它利用控制蒸汽流量的方式控制彈射器的功率輸出，機(jī)械的可調(diào)節(jié)性能輸出達(dá)到1：6差不多就是極限了。而電磁彈射的功率輸出是由電路系統(tǒng)控制，從大功率民用變電的經(jīng)驗(yàn)可知1：100以內(nèi)的變化是相當(dāng)容易的，能夠彈射4.5-45噸的飛機(jī)，彈射速度范圍為100～400千米，小時(shí)。美國海軍未來將大量使用輕重不一的無人機(jī)，而目前的蒸汽彈射器很難適應(yīng)這個(gè)要求。

再次是反應(yīng)靈敏。在系統(tǒng)完全冷態(tài)的條件下，電磁彈射器在15分鐘內(nèi)即可發(fā)射，克服了蒸汽彈射器要總處于常備作戰(zhàn)狀態(tài)的缺陷。特別是在應(yīng)對突發(fā)情況時(shí)，電磁彈射器的反應(yīng)速度及可靠性是蒸汽彈射器無法比擬的。

第四是體積小、重量輕。對航母的設(shè)計(jì)師和海軍操作人員來說，電磁彈射器是一個(gè)大福音，它不僅將機(jī)庫甲板的占用面積縮減到原來的1/3，重量還輕了一半。大幅減輕高過重心位置的重量，對航母的穩(wěn)性設(shè)計(jì)是很有益的，同時(shí)所節(jié)約的空間可用來增加艦載機(jī)的數(shù)量，這對提升整個(gè)航母編隊(duì)的作戰(zhàn)能力有著十分重要的意義。

第五是結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)成本降低。電磁彈射器的結(jié)構(gòu)要比蒸汽彈射器簡單得多，因此維護(hù)人員既不用再為復(fù)雜的蒸汽管道迷宮所困擾，也不用再為灼熱的蒸汽泄露和四處污濺、難以清潔的潤滑油所發(fā)愁。試驗(yàn)顯示，使用電磁彈射器后，可以減少近30%全壽命維護(hù)費(fèi)用和近20%的維護(hù)人員，同時(shí)戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)安全性和可用度提高近兩成。

第六是工作效率高。電磁彈射器的能量利用率可達(dá)到60%以上，而蒸汽彈射器僅為5%，這就好比是現(xiàn)代電力機(jī)車與老式蒸汽機(jī)車的對比。

第七是機(jī)械磨損低。蒸汽彈射器在工作時(shí)存在各種機(jī)械摩擦，尤其是金屬密封條的磨損。而電磁彈射器的電力元件采用無接觸瞬間電磁力，幾乎沒有機(jī)械損耗，這就增加了各部件使用壽命，從而降低了維護(hù)費(fèi)用。

電磁彈射器的結(jié)構(gòu)

總體來講，航母電磁彈射器在結(jié)構(gòu)上可以分為六大子系統(tǒng)。

發(fā)射電機(jī)系統(tǒng)采用緊湊的模塊化集成飛行甲板結(jié)構(gòu)，直線感應(yīng)電機(jī)配置，能將電流轉(zhuǎn)換為電磁力，將飛機(jī)加速送進(jìn)發(fā)射道，和蒸汽彈射裝置一樣通過一個(gè)簡單的移動(dòng)穿梭倉發(fā)射飛機(jī)。飛機(jī)發(fā)射后，電機(jī)電流逆轉(zhuǎn)將穿梭倉完全制動(dòng)，而無需使用水剎裝置。由此可見，直線感應(yīng)電機(jī)是整個(gè)電磁彈射器的核心部件。美國目前研制的直線感應(yīng)電機(jī)要求的峰值功率必須在100兆瓦以上，而民用的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)水平，為此，美國只好給每部電磁彈射器都配備4臺30兆瓦直線感應(yīng)電機(jī)。

電力儲能系統(tǒng)航母自身的電力主要來自于核反應(yīng)堆，但是該電力無法提供100兆瓦以上的峰值功率，因此需要電力儲能系統(tǒng)將電力儲存，經(jīng)積累后再高密度釋放，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)正常工作時(shí)的需求。電力儲能系統(tǒng)為每次2～3秒的發(fā)射過程輸送所需能量，并在彈射間隙接受航母電源充電。

主電源連接系統(tǒng)與航母的電力傳輸系統(tǒng)連接，并向電力儲能系統(tǒng)輸送電力。

功率轉(zhuǎn)換電子系統(tǒng)將從電力儲能系統(tǒng)接收的電力轉(zhuǎn)換為電壓電流合適的能量波，驅(qū)動(dòng)穿梭倉沿發(fā)射道運(yùn)動(dòng)。這個(gè)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，采用了通用原子商用電源裝置生產(chǎn)線的可靠技術(shù)，被封裝為一個(gè)盒裝壓縮模塊，安裝在甲板下面。系統(tǒng)僅作用于對彈射起作用的線圈，從而使整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。它還能通過改變對直線感應(yīng)電機(jī)供電的電壓、頻率，使電磁彈射器在整個(gè)速度范圍內(nèi)都以高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。

發(fā)射控制系統(tǒng)電磁彈射器采用閉環(huán)系統(tǒng)對進(jìn)入發(fā)射電機(jī)的電流采取實(shí)時(shí)控制。由于盡可能采用現(xiàn)成的商用零部件，其性能高度可靠，結(jié)構(gòu)上具有大量冗余。進(jìn)入發(fā)射電機(jī)的電流實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)精確控制，保證了最優(yōu)化的推出速度及更平穩(wěn)的加速，因而能適應(yīng)不同重量的飛機(jī)。endprint

能量輸送系統(tǒng)包括電纜、連接器及終端負(fù)載，將能量從轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸送到發(fā)射電機(jī)。美國人的步步推進(jìn)

美國海軍給航母配置電磁彈射器的想法已經(jīng)有60多年了。早在1945年，美國海軍就在夏威夷的陸地機(jī)場上和西屋公司聯(lián)手建造了一臺電磁彈射器，可以在178米的距離上把4噸重的飛機(jī)加速到180千米，小時(shí)。然而，這個(gè)能力距離當(dāng)時(shí)主流的液壓彈射器有很大差距，并且制造電磁彈射器需要消耗大量的銅，使用上也需要非常強(qiáng)大的電能供應(yīng)，因此這臺電磁彈射器盡管非常可靠和耐用，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平不可能獲得什么發(fā)展。

直到20世紀(jì)80年代，美國海軍才開始重啟電磁彈射器發(fā)展項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)，美國海軍在經(jīng)過可行性研究后，出資委托卡曼電磁系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)并建造了一套半尺寸實(shí)驗(yàn)室原理驗(yàn)證樣機(jī)，可提供529.5千牛的推力，并對全套的電力加速和減速控制技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

卡曼公司是美國當(dāng)時(shí)最有經(jīng)驗(yàn)的電磁系統(tǒng)提供商，能提供百米高樓使用的電磁驅(qū)動(dòng)的超高速電梯，也為一些娛樂設(shè)施設(shè)計(jì)生產(chǎn)強(qiáng)大的電磁推進(jìn)彈射裝置，例如有種電磁過山車可以讓2噸多重的過山車以3g的過載加速到160千米，小時(shí)。美國海軍看重卡曼公司的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)開發(fā)能力，最關(guān)鍵的是卡曼公司提出的一系列技術(shù)和設(shè)備都是比較成熟、可實(shí)現(xiàn)性很高的系統(tǒng)。例如該公司提出的電磁彈射系統(tǒng)方案并沒采用前衛(wèi)的超導(dǎo)體，而是使用可靠性和耐用性都較好的高強(qiáng)永磁和常規(guī)的銅繞組電磁技術(shù)，在能耗和體積重量上求得一個(gè)不錯(cuò)的平衡。

1992年12月，美國海軍空戰(zhàn)中心與卡曼公司簽訂了聯(lián)合研制航母電磁彈射系統(tǒng)關(guān)鍵組件驗(yàn)證階段的合同。在關(guān)鍵組件驗(yàn)證期間，重點(diǎn)在彈射專用測試設(shè)備上，卡曼公司設(shè)計(jì)并制造了全尺寸樣機(jī)用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)原則、性能預(yù)測，尤其是可控性、推力和效率。根據(jù)卡曼公司的估計(jì)，全尺寸電磁彈射系統(tǒng)比現(xiàn)裝備的蒸汽彈射系統(tǒng)輕1000噸；系統(tǒng)適合C-13-2蒸汽彈射器的安裝位置，可以通過主推進(jìn)系統(tǒng)提供的獨(dú)立電力工作；可根據(jù)飛機(jī)的型號、載荷和風(fēng)速等因素調(diào)節(jié)發(fā)射推力和加速度。據(jù)卡曼公司計(jì)算，電磁航母彈射系統(tǒng)的效率大約為70%，而蒸汽彈射系統(tǒng)只有6%。

1994年，電磁彈射系統(tǒng)項(xiàng)目的首席技術(shù)專家麥克·多伊爾及其同事們堅(jiān)信他們在脈；中電源、電源轉(zhuǎn)換、儲能和控制方面的連續(xù)進(jìn)展已能保證航母電磁彈射器的最終實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)90年代后期，美國海軍確定將CVX項(xiàng)目（即CVN-78“福特”號航母）作為電磁彈射器的目標(biāo)平臺。當(dāng)時(shí)計(jì)劃CVX于2013年編入現(xiàn)役，后來項(xiàng)目推遲了兩年。

1999年12月，美國海軍空戰(zhàn)中心與兩個(gè)軍工巨頭——諾思羅普·格魯曼公司和通用原子公司分別簽訂了兩份類似的合同，委托他們進(jìn)行為期48個(gè)月的航母電磁彈射器項(xiàng)目評估及風(fēng)險(xiǎn)降低階段的研究及試驗(yàn)。美國海軍給這兩家公司都撥了6177萬美元，供其展開驗(yàn)證原型機(jī)的建造。

兩家公司分別承擔(dān)其中一些關(guān)鍵性系統(tǒng)的開發(fā)，美國海軍給出38項(xiàng)具體的技術(shù)建議、7項(xiàng)競爭性報(bào)價(jià)、2項(xiàng)突破獎(jiǎng)勵(lì)的條款。研發(fā)工作的90%在加州的陽光谷完成，10%在新澤西的麥克圭爾-迪克斯-萊克赫斯特聯(lián)合基地完成。

諾·格公司于2003年率先展示了一臺長度50米的1：4縮比樣機(jī)，并計(jì)劃以此作為驗(yàn)證機(jī)來研發(fā)工程樣機(jī)?？墒敲绹＼娍諔?zhàn)中心在2004年初對兩家公司的驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行審查后，決定選擇通用原子公司為電磁彈射器的主承包商。2004年4月，美國海軍空戰(zhàn)中心將總額1.45億美元、為期5年的正式合同授予通用原子公司。自此，通用原子與北美Qinetiq、Kato工程、Cur-tiss-Wright EMD、德克薩斯大學(xué)電磁中心、Alion科技、STV及L-3通訊脈沖科技等公司一起合作，研發(fā)和建造電磁彈射器工程樣機(jī)。

在電磁彈射器中，直線感應(yīng)電機(jī)、電力儲能系統(tǒng)雖然都是關(guān)鍵部件，研制難度也大，但它們與高功率循環(huán)變頻器比起來不算什么難題，因?yàn)楹笳卟攀请姶艔椛淦鞯恼嬲夹g(shù)瓶頸，也是最關(guān)鍵、技術(shù)難度最大的部件。

從設(shè)計(jì)而言，循環(huán)變頻器是一個(gè)多路的橋式電路，通過串聯(lián)或并聯(lián)多路橋式電路，來獲得疊加和控制功率輸出。它不使用開關(guān)和串聯(lián)電容器，省略了電流分享電抗器，實(shí)現(xiàn)了完全數(shù)字化管理的無電弧的電能源變頻管理輸出。其每一相的輸出能力為0～1520伏，峰值電流6400安，可變化頻率為0-644赫茲。循環(huán)變頻器設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，不僅需要將4臺交流發(fā)電機(jī)的24相輸入電能準(zhǔn)確地輸入正確的模塊端口，還必須準(zhǔn)確地管理298個(gè)直線電機(jī)的電磁模塊，在滑動(dòng)組運(yùn)行到來前0.35秒內(nèi)讓電磁體充電，而在滑組經(jīng)過后0.2秒之內(nèi)停止送電并將電能輸送到下一個(gè)模塊。循環(huán)變頻器工作時(shí)間雖然不長，每次彈射中僅10～15秒，但熱耗散非常大，一組循環(huán)變頻器需要528千瓦的冷卻功率。冷卻劑是去離子水，流量高達(dá)1 363升，分鐘，注入溫度35%的情況下可確保系統(tǒng)溫度低于84℃。

美國海軍空戰(zhàn)中心在2004年和通用原子簽訂合同，要求用7年時(shí)間完成這一部件的實(shí)體工作，可見其研制難度之大。美國對這一核心部件自然是高度保密，除了基本原理外，到目前為止沒有披露任何模型結(jié)構(gòu)和工程圖片。

2007年，電磁彈射器的系統(tǒng)開發(fā)及驗(yàn)證項(xiàng)目關(guān)鍵設(shè)計(jì)評估完成，往下得以進(jìn)行零部件軟硬件及系統(tǒng)集成測試。2008年3月，完成電力儲能子系統(tǒng)電機(jī)部件的工廠驗(yàn)收測試。2008年4月全尺寸電磁彈射器的直線感應(yīng)電機(jī)首次測試完成，至此。在Kato工程公司工廠進(jìn)行的為期30天的工廠驗(yàn)收測試告一段落。

2009年6月，通用原子接到了5.73億美元的固定價(jià)格合同，承擔(dān)“福特”號航母的電磁彈射器生產(chǎn)及交付任務(wù)。

自2010年12月18日以來，在麥克圭爾-迪克斯-萊克赫斯特聯(lián)合基地順利進(jìn)行的上百次電磁彈射器彈射艦載機(jī)試驗(yàn)，以及近2000次固定負(fù)載發(fā)射試驗(yàn)，令通用原子公司充滿了自信?！拔覀儼聪掳l(fā)射按鈕時(shí)不再有任何疑慮?！币晃煌ㄓ迷庸镜母吖苋绱苏f道?！爱?dāng)然，我們還得注意控制同時(shí)進(jìn)行測試和生產(chǎn)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，但我們下定決心不但要保證質(zhì)量，還要如期將系統(tǒng)交付船廠。”2013年5月8日，在弗吉尼亞州紐波特紐斯造船廠內(nèi)，1050噸龍門吊為“福特”號航母吊裝了電磁彈射器的前端部件。至此，美國航母進(jìn)入電磁彈射時(shí)代。

中國的追趕

中國盡管由“瓦良格”號改裝而來的“遼寧”號航母依然采用原先的滑躍起飛方式，但外界普遍認(rèn)為未來中國必定會發(fā)展采用彈射器的國產(chǎn)航母。鑒于電磁彈射器相比蒸汽彈射器的優(yōu)勢，外界推測中國可能會跳過蒸汽彈射器階段，直接采用電磁彈射器。

從目前所獲悉的情況看，中國在電磁彈射技術(shù)領(lǐng)域里處于和美國理論研究同步，試驗(yàn)研究驗(yàn)證的小規(guī)模發(fā)展地步。線圈炮方面，1996年中國曾發(fā)布一個(gè)口徑90毫米的4磁體級的樣炮原型機(jī)，可達(dá)到電能轉(zhuǎn)換50%以上，瞬間能源有成熟的20兆焦輸出的和100兆焦級別的器件。而且中國是稀土永磁體生產(chǎn)大國，高磁強(qiáng)度稀土永磁體研究水平較好。而從中國媒體廣泛報(bào)道的海軍工程大學(xué)電力電子技術(shù)研究所所長、中國工程院院士馬偉明少將的事跡來看，中國似乎已經(jīng)攻克了電磁彈射器的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并已進(jìn)入樣機(jī)研制和試驗(yàn)階段。外界推測，中國在“遼寧”號之后發(fā)展的國產(chǎn)航母可能仍將是滑躍型，再后面才會是彈射型，這就意味著中國有比較充裕的時(shí)間來試驗(yàn)和完善其電磁彈射器技術(shù)，而這也符合中國現(xiàn)在采取的關(guān)鍵技術(shù)先行的發(fā)展模式。 [編輯/秦蓁]endprint