美軍航母電磁彈射器發展現狀

王　兵　陳　練

電磁彈射器被認為是蒸汽彈射器的可行替代方案，美海軍的航母電磁彈射器(EMALS)研究最早可追溯到20世紀40年代。1988年，美國開發出電磁彈射器的小比例模型，該模型長3.66米，寬為實際尺寸的一半，試驗表明，其靜態推力可達到500千牛以上，彈射直線電機的電磁輻射也能夠被控制在槽型結構內。此后，美國就此項研究進行了許多設計研究，硬件演示和技術探討，但受經費限制，研究的范圍和規模有限。20世紀90年代后期，美國在論證未來航母的過程中，正式將電磁彈射系統擺上了議事日程。1999年，美國海軍完成了電磁彈射器的概念探討和定義工作，并發布招標書。2004年4月2日，美國海軍空戰中心選擇了通用原子公司的電磁彈射器方案，確定由該公司領導的團隊承擔電磁彈射器的研制和驗證工作。2008年9月3日，美國航母電磁彈射器完成第一階段高周試驗(HCT-1)，通過海量重復試驗(10000次)，驗證了電磁彈射器的電氣、熱力設備的性能以及儲能系統的充放電周期率。2009年冬，將開始第二階段高周試驗，包括滿功率試驗以及環境適應性測試，給出電磁彈射器的性能預報。

電磁彈射器的基本原理和系統組成

電磁彈射器利用直線感應電機的直線運動，帶動艦載機加速到起飛速度，其工作原理是：直線感應電機的初級(固定部分)通上交流電后，產生交變磁場，這種磁場在直線感應電機的次級(運動部分)產生感應電流，使次級變為有感應電流的導體，這樣，處于交變磁場的次級部分就會受到安培力的作用，向前運動。電磁彈射器的核心構成包括：

彈射直線電機

彈射直線電機是電磁彈射器的核心部分。目前美國采用的是直線感應電機，其主要技術難點有三：一是高峰值功率直線電機的開發。電磁彈射器的峰值功率要求很高，可能達到100兆瓦以上，而目前能實現工程應用的直線電機單機功率僅為幾百千瓦。為了降低對直線電機功率的要求，美國的每部電磁彈射器都采用了4臺直線電機(單機功率超過30兆瓦)，它們的總功率可達到百兆瓦級；二是電磁泄露。需要對電磁彈射器可能產生的全部頻段進行模擬，并將飛行甲板上的磁感應強度與各種艦載機設備的敏感度進行對比，防止對艦上設備造成影響；三是散熱。用于電磁彈射器的永磁彈射直線電機初級的峰值功率損失可達到13.3兆瓦，銅片的最高溫度可達118.2℃，需要利用主動冷卻系統對其進行冷卻。直線感應電機的功率損失可能會超過永磁直線電機，因此必須考慮如何高效散熱。

儲能系統

電磁彈射器對電力的需求很大，在彈射較重的艦載機時，整個電磁彈射器的峰值功率可能會達到100兆瓦甚至更高，在目前的條件下，這部分用電無法直接依賴航母電力系統實時供給，必須依靠儲能系統將所需的電能事先儲存起來，在需要的時候瞬間釋放。由于體積和重量等原因，能夠滿足電磁彈射器儲能需要的現成系統無法直接用于航母。目前美國海軍的電磁彈射器采用的是飛輪儲能(FES)裝置。

電力電子變換系統

電力電子變換系統從儲能系統獲取電能，在長約103米的直線電機上，電力電子變換系統能夠在特定時間僅僅接通對彈射起作用的線圈，而不是把整個直線電機的線圈一起接通，從而使整個系統有效運轉。它還能通過改變供電的電壓，頻率，使電磁彈射器在各種速度上都以最高效率運轉。電磁彈射器所用的電力電子變換系統由可以高效控制強電能的現成民用電力電子裝置組成，可精確控制供給彈射電動機電脈沖的電壓和頻率。

控制與狀態監測系統

電磁彈射系統對控制與狀態監測系統的要求很高。在整個彈射過程中，控制與狀態監測系統不間斷地監視著電磁彈射器全系統的性能。該系統可根據飛機、環境的變化實施調控，使艦載機達到要求的末速度，并擔負整個電磁彈射器的報警任務。

電磁彈射器的優勢

美國海軍之所以為未來航母選擇電磁彈射器，主裝置、彈射汽缸、活塞、復位機械等構成，尤其是其復雜的管道系統被稱為“迷宮”。相比而言，電磁彈射器的構成要簡單得多，主要由彈射直線電機、儲能系統、電力電子變換系統和控制與狀態監測系統四部分組成。另外，電磁彈射器只使用電力，航母的原動機選擇靈活；而蒸汽彈射器需要蒸汽源，如果航母不采用蒸汽動力或核動力裝置，還需要專門為蒸汽彈射器配備輔助鍋爐提供蒸汽，極不經濟，且將占據航母大量的空間和重量。

反應快，可靠、易維護、效率高

電磁彈射器利用直線電機進行彈射、制動并使往復車復位，在完全關閉的條件下不到15分鐘就能達到待用狀態；而蒸汽彈射器需要不斷給彈射槽加熱，在儲汽筒無蒸汽的情況下，達到待用狀態需要數小時。

蒸汽彈射器工作時，活塞在蒸汽的作用下沿汽缸運動，機械磨損相對嚴重，需要不斷檢修，系統構成的復雜性也使其可靠性降低。電磁彈射器用直線電機對艦載機加速，結構簡單，其電力電子變換系統、控制系統都由民用成熟技術發展而來，整個系統采用容錯設計，出現故障時具有快速糾錯的能力，使電磁彈射器具有很高的可靠性。

蒸汽彈射器在使用中需要大量的人力，電磁彈射器可實時自動監視系統運行，提供故障和維護信息，大大減少檢修工作量和對人員數量的需求(相比蒸汽彈射器減少30％左右)，全壽期費用低。

在能量利用率方面，典型的蒸汽彈射器一次彈射作業一般要消耗614千克蒸汽，每次彈射結束都有大量蒸汽被排出，帶走大量能量，其效率一般在4％～6％之間。電磁彈射器的效率可達到60％甚至更高，彈射作業時對能量的需求大為降低。

易于控制和調節，可彈射艦載機的范圍廣

電磁彈射器可在幾百微秒內不斷修正推力偏差，將推力峰一均比控制在1.05以內，對艦載機的作用力均衡。蒸汽彈射器沒有閉環控制系統，彈射時對艦載機的推力峰一均比最大可達到2.0，對艦載機的機身的作用力極不均衡，易造成艦載機機體的疲勞損傷。

蒸汽彈射器最大的彈射能力足夠當前的固定翼有人艦載機使用，其最大彈射能力約為101.69兆焦。電磁彈射器擴展了航母使用飛機的能力范圍：電磁彈射器彈射飛機的最大能力約為122兆焦，能使更重和起飛速度更高的飛機上艦。從美國海軍當前的艦載機發展情況來看，短期內不會出現更重的艦載機，因而，電磁彈射器目前最明顯的優勢之一在于，它能夠通過調節電流等措施，對彈射力進行大幅度調節，同時滿足彈射重型艦載機和輕質艦載機《如較輕的無人機》的需要，而蒸汽彈射器不能對彈射力進行大范圍的調節，不能彈射輕質無人機。

順應艦艇全電化趨勢

艦艇的全電化是不可阻擋的趨勢，電磁彈射器與蒸汽彈射器相比，更加匹配全電化的航母。如果兩艘航母除了彈射器之外，其余系統均采用電力，那么，采用電磁

彈射器的航母將能夠提供更高的發電總量，也能夠為彈射器以外的其他系統提供更多的電力。這是因為：采用蒸汽彈射器的航母，其彈射器需要消耗大量的蒸汽，這部分蒸汽不能用于發電，在彈射艦載機時，效率也非常低，只有6％左右，因此該航母必須提供更多的能量給彈射器，導致其發電總量少，能夠供其他系統使用的電量也少。

而在采用電磁彈射器的全電化航母上，所有的系統都采用電力，航母可以將全部的能量轉化為電力，發電總量較蒸汽彈射器的航母多，航母可以根據需要對更多的電力進行分配；電磁彈射器的效率可達60％甚至更高，它消耗的能量也遠比蒸汽彈射器少，因而，同樣在彈射艦載機時，采用電磁彈射器的航母能夠為其他系統提供更多的電力。

與民用聯系緊密

首先，在研發上可借鑒民用技術。電磁彈射器最核心的技術之一是直線電機技術。直線電機有很強的民用基礎，電梯、機床、磁懸浮列車、軌道列車等都已經運用了這一技術，電磁彈射器可以在研制的過程中借鑒相關方面的研究成果。美國海軍研究電磁彈射器的牽頭單位是通用原子公司，磁懸浮列車就是該公司的業務領域之一，通用原子公司能夠在競爭中獲勝與其這方面的業務不無關系。電磁彈射器的其他關鍵技術，如飛輪儲能技術、電力電子變換技術、控制技術均在民用技術的基礎上研發。20世紀80年代，正是因為相關的民用技術有了巨大的進步，人們看到了電磁彈射器以較低成本研制成功的曙光，才正式開始了電磁彈射器的工程研制。可見，民用技術本身的進步已經對電磁彈射器的研制起到了較強的推動作用。

其次，有利于形成軍民良性互動的發展局面。與蒸汽彈射器不同，電磁彈射器的研制成果將具有廣泛的民用市場，這種民用的前景已經不是潛力，而是有實實在在的市場需求。如美國航空航天局(NASA)已在空間站安裝了48個飛輪儲能系統，可提供超過150千瓦的電能；美國得克薩斯大學研制的汽車用飛輪儲能系統，其提供的能量能使滿載車輛速度達到100千米／小時：德國西門子公司研制的長1 5米、寬0.75米的飛輪儲能系統，可為火車提供3兆瓦的功率；中速飛輪儲能系統已用于關鍵的工業不間斷電源系統等。電磁彈射器的這些關鍵技術轉為民用后，還可能在激烈的競爭中變得更為成熟、可靠，在其取得重大突破時再通過技術移植進一步提高電磁彈射器的性能，如此往復，形成一個軍用與民用良性互動、共同提高的局面。

此外，從工業基礎的角度來看，由于電磁彈射器的關鍵設備和技術有很強的民用背景，民用市場的支持使得相關的企業不需要過多的國防經費投入就能夠維持自己的生存和發展。相比之下，蒸汽彈射器只能用于航母，無法市場化，每年都需要大量的經費投入才能維持其生產線。英國是蒸汽彈射器的發明國，但由于英國二戰后發展的航母不采用蒸汽彈射器，該國早已沒有了蒸汽彈射器的生產企業；法國雖然使用蒸汽彈射器，但選擇從美國購買，而不是自己研制生產，其原因與維護蒸汽彈射器的生產線需要大量經費不無關系。相信隨著相關民用技術的進步，有朝一日，電磁彈射器很可能將不為美國所獨有，其他國家也可以在相關的民用技術基礎上研制出電磁彈射器，并繼續保持這種能力。

電磁彈射器能夠與某些軍用系統在技術上相互借鑒

電磁彈射器與電磁炮有相同的基本原理，它們在技術上能夠更多地相互借鑒。電磁炮、激光武器，電熱化學炮等都需要大量的脈沖電力，艦艇要能提供這么高的脈；中電力，必須利用儲能系統，這與電磁彈射器類似。相應地，為了能夠將儲能系統儲存的電力按照需要的電壓、電流、頻率等參數輸出，電力電子變換必不可少，這些系統在這方面的要求與電磁彈射器接近，都有電流和電壓大、瞬時性強的特點。另外，上述系統要能夠按照預想的方式工作，良好的控制也是必不可少的，電磁彈射器的大電流控制技術與上述系統也具有較高的相似性。此外，電磁彈射器的儲能系統、電力電子變換系統也是綜合電力系統的關鍵系統。

電磁彈射器與其他軍用高能系統的諸多相似性決定，其四項關鍵技術均能與其他軍用系統或多或少地產生“共鳴”，如果電磁彈射器的研究超前，將能夠對上述高能系統的研制產生帶動作用，反之，電磁彈射器也可以借鑒上述高能系統的研究成果。

美海軍電磁彈射器研制面臨的風險與挑戰

2007年8月，美國總審計署發布的評審報告稱，由于技術難度大，且難以滿足海軍的需求，電磁彈射器在完成系統整合階段時，已經延期超過15個月，同時也已嚴重超支。但是“福特”級航母首艦已經延期了一年時間，為電磁彈射器趕上裝艦使用的進度又提供了契機。盡管承包商已去掉了進度表上所有的時間余度，但是修改后的進度表不足以應對意料之外的測試和生產問題。雖然承包商認為系統整合中出現的問題已經解決，而且電磁彈射器也會按時交付，但是時間依然十分緊迫，在未來的電磁彈射器研制、試驗或生產過程中，不能出現任何重大問題和差錯。

一旦電磁彈射器的研制趕不上“福特”號航母的建造進度，美國海軍將只有兩種選擇：其一，推遲“福特”號航母的建造和服役進度，為電磁彈射器的研制爭取更多時間。只要電磁彈射器不是面臨不可逾越的技術障礙，這將是最可能出現的情況，美國可以延長現役航母的服役時間，以彌補推遲“福特”號服役時間造成的影響。二是修改“福特”號航母的設計，對已經建造完畢的內部結構進行調整，重新采用蒸汽彈射器。但這種情況出現的可能性很小，除非電磁彈射器遇到了極大的技術困難。因為，如果“福特”號航母在設計時沒有考慮采用蒸汽彈射器的可能，就需要改動航母內部的空間，以容納蒸氣管道、儲汽罐所需的空間，在各種空間已經確定的情況下，這種改動難度將很大。此外，重新采用蒸汽彈射器將使“福特”號航母的部分性能難以充分發揮，如發電能力將受到影響，其電氣化程度將大打折扣。