自制航母電磁彈射演示系統(tǒng)

高旸

2022 年6 月17 日，我國(guó)第三艘航空母艦下水命名儀式在中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司江南造船廠舉行。儀式上，軍地領(lǐng)導(dǎo)共同為我國(guó)第三艘航空母艦下水剪彩，并向接艦部隊(duì)主官授予命名證書。經(jīng)中央軍委批準(zhǔn)，我國(guó)第三艘航空母艦命名為“中國(guó)人民解放軍海軍福建艦”，舷號(hào)為“18”。

與已經(jīng)服役的遼寧艦和山東艦不同，福建艦是我國(guó)完全自主設(shè)計(jì)建造的首艘彈射型航空母艦，采用平直通長(zhǎng)飛行甲板，配置電磁彈射和阻攔裝置，滿載排水量8 萬(wàn)余噸。隨著該艦服役的腳步越來(lái)越近，我國(guó)航母將正式步入彈射時(shí)代，并且是一舉邁入電磁彈射時(shí)代。對(duì)比世界各國(guó)，擁有航母的國(guó)家屈指可數(shù)，裝備彈射技術(shù)的航母更是鳳毛麟角。老牌海軍強(qiáng)國(guó)英國(guó)的新航母，使用的是短距起降+ 滑躍起飛方案，而法國(guó)戴高樂(lè)航母上裝備的蒸汽彈射器則購(gòu)自美國(guó)?？梢哉f(shuō)，在彈射技術(shù)領(lǐng)域，中美兩國(guó)已經(jīng)站在同一起跑線上。值得一提的是，美國(guó)最新一代航母福特號(hào)雖然已于2017 年7月22 日正式進(jìn)入美國(guó)海軍服役，但因電磁彈射技術(shù)不成熟，其形成戰(zhàn)斗力的時(shí)間被一推再推。

作為一名少年宮的科技模型教師，筆者在教學(xué)中一直非常注重學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，通過(guò)設(shè)計(jì)制作一些演示模型，可以將復(fù)雜難懂的科學(xué)原理與知識(shí)形象地展示出來(lái)?？吹轿覈?guó)第三艘航空母艦福建艦下水的消息，本人萌生了研究制作“航母電磁彈射演示系統(tǒng)”的想法，一方面通過(guò)這套演示系統(tǒng)可以開展STEM 教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生了解航母艦載機(jī)電磁彈射技術(shù)的科學(xué)原理；另一方面還可以借助它向?qū)W生普及國(guó)防知識(shí)，激發(fā)孩子們的擔(dān)當(dāng)意識(shí)與愛國(guó)情懷。

這套演示系統(tǒng)由艦艏模型、電磁彈射器和控制器3 部分組成。

其中艦艏模型是整個(gè)系統(tǒng)的安裝承載平臺(tái)。作為最大的水面戰(zhàn)斗艦艇，一艘航母動(dòng)輒二三百米長(zhǎng)，即使做出滿足彈射演示系統(tǒng)需要的等比例縮小模型，尺寸也非常巨大。為此，筆者決定按照福建艦的外形，只做出艦艏部分的縮比模型。該艦艏模型使用厚木板制作，尺寸為1.8米×0.65 米×0.3 米。艦體中部留出彈射器安裝槽，右后方為控制器留出安裝位。甲板使用8 毫米厚的透明亞克力板，用激光切割機(jī)切出造型。之所以使用透明材質(zhì)的甲板，是為了讓學(xué)生能清楚地觀察電磁彈射演示的全過(guò)程。

控制器面板上設(shè)有充電口、電池電壓顯示器、充電電壓顯示器、總開關(guān)、充電開關(guān)、彈射開關(guān)、復(fù)位開關(guān)，側(cè)面還有快插線端口和散熱風(fēng)扇，主要用于對(duì)彈射器的發(fā)射、回收等進(jìn)行控制。

電磁彈射器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由升壓模塊、控制板（包括電容、可控硅、光電傳感器）、8 級(jí)電磁線圈、發(fā)射滑軌（發(fā)射管）、磁鐵彈丸、牽引滑塊和彈丸回收裝置等部分組成，可演示電磁彈射過(guò)程中的儲(chǔ)能、彈射和回收三大階段。系統(tǒng)工作時(shí)，首先將電源升壓并將電能儲(chǔ)存在電容中；之后控制板逐級(jí)為電磁線圈通電，驅(qū)動(dòng)線圈中的磁鐵彈丸逐漸加速；高速?gòu)椡钃糁谢瑝K，使其沿發(fā)射軌道向前滑動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)模型飛機(jī)向前加速滑行起飛；最后，彈丸由回收裝置牽引回到原位，準(zhǔn)備下次彈射。通過(guò)控制電容的充電電壓，即可改變存儲(chǔ)在電容中的電能，進(jìn)而調(diào)整彈射速度與重量。這也是航母上電磁彈射比傳統(tǒng)的蒸汽彈射更加先進(jìn)的一大特點(diǎn)，即電磁彈射器可通過(guò)控制電流獲得大小可調(diào)的推力，不僅能彈射重型飛機(jī)，也能彈射較輕的無(wú)人機(jī)。

下面結(jié)合這三大階段對(duì)電磁彈射器的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1. 儲(chǔ)能階段

這一階段中起作用的主要是升壓模塊和儲(chǔ)能電容。按下控制器上的儲(chǔ)能開關(guān)后，低壓直流電（電源）通過(guò)升壓模塊的高頻振蕩電路轉(zhuǎn)化為低壓交流電，再通過(guò)脈沖變壓器升壓轉(zhuǎn)化為高壓交流電，最后通過(guò)脈沖整流電路轉(zhuǎn)化為高壓直流電，電能經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化，被儲(chǔ)存在大容量電容中。這些電容被裝在控制板下方，沿電磁線圈一字排開。

2. 彈射階段

彈射器共設(shè)8 級(jí)電磁線圈，纏繞在發(fā)射管外間隔分布。各級(jí)線圈長(zhǎng)度依次增大，線圈間布置用于探測(cè)磁鐵彈丸的光電傳感器。按下控制器面板上的彈射開關(guān)后，第一級(jí)電容將儲(chǔ)存的高壓直流電輸出到纏繞在發(fā)射管外的第一級(jí)線圈上，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)牽引發(fā)射管內(nèi)的磁鐵彈丸直線加速運(yùn)動(dòng)；經(jīng)過(guò)線圈間的第一個(gè)光電傳感器時(shí)，其將信息傳遞給可控硅（相當(dāng)于開關(guān)），并由它控制第二級(jí)電容給第二級(jí)線圈放電形成磁場(chǎng)，繼續(xù)牽引磁鐵彈丸加速；以此類推，直到最后一級(jí)線圈將彈丸加到最大速度。之后磁鐵彈丸繼續(xù)沿發(fā)射管高速運(yùn)動(dòng)，撞擊艦載機(jī)牽引滑塊使其沿管道向前運(yùn)動(dòng)，并牽引艦載機(jī)加速滑跑。隨著艦載機(jī)速度的增加，其升力增大到超過(guò)自身重量后即可從航母甲板上起飛，完成電磁彈射起飛的全過(guò)程。

使電磁線圈為磁鐵彈丸逐級(jí)加速是電磁彈射器能否實(shí)現(xiàn)演示功能的關(guān)鍵，為此，筆者花費(fèi)大量精力完成了控制程序的編寫，并通過(guò)反復(fù)測(cè)試優(yōu)化調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，使加速效果達(dá)到最優(yōu)。

而看似簡(jiǎn)單的牽引滑塊，在具體設(shè)計(jì)時(shí)也費(fèi)了一番功夫。牽引滑塊要裝在發(fā)射管中，為此，需要在管上銑出一條4 毫米寬的通槽。牽引滑塊由兩部分組成，分別位于甲板上下。其中下半部分用一塊鋁錠經(jīng)數(shù)控加工而成，中間部分凸出，主要用于承受磁鐵彈丸的高速碰撞?；瑝K上下各有一對(duì)圓孔，用于安裝滾動(dòng)軸承以?shī)A住發(fā)射管，使其不在管中晃動(dòng)。牽引滑塊的上半部分，使用3D 打印機(jī)打印而成，用于固定艦載機(jī)的前起落架。

3. 回收階段

彈射完成后，彈丸和牽引滑塊會(huì)運(yùn)動(dòng)到發(fā)射管末端。為了方便繼續(xù)進(jìn)行下一次彈射，筆者設(shè)計(jì)了彈丸回收機(jī)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩端帶有鐵限位塊的鋼絲繩在彈射管中來(lái)回滑動(dòng)，吸引彈丸并將其拉回起點(diǎn)。

彈丸回收機(jī)由電機(jī)、橡膠輪、鋼絲繩等部分組成。電機(jī)帶動(dòng)橡膠輪旋轉(zhuǎn)，輪邊的摩擦力使鋼絲繩在彈射管中運(yùn)動(dòng)，待繩端的限位塊2 碰到磁鐵彈丸后與之吸到一起，隨后電機(jī)反轉(zhuǎn)，鋼絲繩便可帶著彈丸一起回到起點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，筆者在發(fā)射管下方加裝了一根與之平行的鋼絲繩導(dǎo)管。在發(fā)射管與鋼絲繩導(dǎo)管終端各固定一個(gè)觸碰開關(guān)，當(dāng)按下控制器面板上的復(fù)位開關(guān)后，電機(jī)先正轉(zhuǎn)，至鋼絲繩限位塊1 碰撞到導(dǎo)管上的開關(guān)后（此時(shí)限位塊2 剛好吸住彈丸），電機(jī)立即反轉(zhuǎn)將彈丸吸回。當(dāng)鋼絲繩限位塊2碰撞到發(fā)射管上的開關(guān)后，說(shuō)明彈丸已回到原位，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

筆者還在牽引滑塊下半部分凸起處擰入一顆鐵螺絲，這樣彈丸在回收時(shí)就能吸住牽引滑塊一同復(fù)位。而且，因?yàn)殇摻z繩上的限位塊2 的磁力更大，牽引滑塊到達(dá)彈射起始點(diǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)與磁鐵彈丸分離，確保滑塊與彈丸分別回到各自的起始位。

相較于以往使用橡皮筋或壓縮氣體作為彈射動(dòng)力的設(shè)備，這套航母電磁彈射演示系統(tǒng)在原理上真實(shí)還原了航母電磁彈射系統(tǒng)，能更直觀地演示電磁轉(zhuǎn)換原理；而且在儲(chǔ)能階段還可以通過(guò)調(diào)節(jié)升壓參數(shù)，將測(cè)試小車彈射出不同的距離，其他教具則很難實(shí)現(xiàn)這一功能。