美國航母電磁彈射技術

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”戰斗攻擊機，此后又繼續對T-45C艦載教練機、C-2A艦載運輸機、E-2D艦載預警機等進行了100多架次彈射試驗。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部交付第12個也是最后一個用于航母電磁彈射器（EMALS）的儲能電機。2013年3月14日，美國海軍航母電磁彈射器完成了儲能電機共享試驗，比預定日期有所提前。

2013年6月25日，美國海軍開始進入第二階段航母電磁彈射器的彈射試驗，并于當天成功彈射了1架EA-18G“咆哮者”電子戰機。美國海軍電磁彈射器綜合項目小組負責人喬治·蘇利奇表示，今年后半年進行的第二階段測試將會進行300架次彈射，而且這些彈射將模擬不同航母工況，包括偏心彈射和設定系統故障彈射，從而驗證飛機能達到起飛末速度，驗證臨界彈射可靠性。這一系列事例，表明美國新型航母電磁彈射系統正在快速走向實用。如果它能按照原計劃裝上“福特”號航母，意味著航母彈射技術將發生一次革命。

電磁彈射器的優點

為何美軍要采用電磁彈射器？因為這種彈射器有很多優點。

首先是加速均勻且力量可控。C-13-1型蒸汽彈射器發射時最大過載達到6g，但整個行程的平均加速度僅有2g多一點，執行空優任務的F/A-1B飛行員常常調侃C-13-1彈射器在后段往往沒有飛機自身的發動機加速得快。過熱蒸汽的膨脹隨著速度和汽缸容積的增加，絕大多數能量用于蒸汽本身的加速和推動上了，而體積增加后膨脹所需蒸汽的比例呈立方關系增加。目前的蒸汽彈射器的長度和汽缸容積幾乎達到極限，到彈射沖程的末段，蒸汽基本上只能加速活塞，對飛機的幫助不大。

電磁彈射器的推力在啟動段沒有蒸汽那種突發爆炸性的沖擊，可以將最大加速度從6g降低到3g，這不僅對飛機結構和壽命有著巨大好處，對飛行員的身體承受能力也是一個不錯的改善。此外，由于電磁彈射的加速和彈射器的長度沒有關系，除了受到氣動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太大的波動，這就比蒸汽彈射的逐步下降來的更有效率。根據計算，假設平均加速度一樣，電磁彈射器將比蒸汽彈射器讓飛機多載重8%-15%。

其次，電磁彈射器具有很大的能量輸出調節范圍。蒸汽彈射器的功率輸出依靠一個叫速率閥的東西，它利用控制蒸汽流量的方式控制彈射器的功率輸出，機械的可調節性能輸出達到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控制，從大功率民用變電的經驗可知1：100以內的變化是相當容易的，能夠彈射4.5-45噸的飛機，彈射速度范圍為100～400千米，小時。美國海軍未來將大量使用輕重不一的無人機，而目前的蒸汽彈射器很難適應這個要求。

再次是反應靈敏。在系統完全冷態的條件下，電磁彈射器在15分鐘內即可發射，克服了蒸汽彈射器要總處于常備作戰狀態的缺陷。特別是在應對突發情況時，電磁彈射器的反應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。對航母的設計師和海軍操作人員來說，電磁彈射器是一個大福音，它不僅將機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，對航母的穩性設計是很有益的，同時所節約的空間可用來增加艦載機的數量，這對提升整個航母編隊的作戰能力有著十分重要的意義。

第五是結構簡單，維護成本降低。電磁彈射器的結構要比蒸汽彈射器簡單得多，因此維護人員既不用再為復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愁。試驗顯示，使用電磁彈射器后，可以減少近30%全壽命維護費用和近20%的維護人員，同時戰機的作戰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到60%以上，而蒸汽彈射器僅為5%，這就好比是現代電力機車與老式蒸汽機車的對比。

第七是機械磨損低。蒸汽彈射器在工作時存在各種機械摩擦，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，幾乎沒有機械損耗，這就增加了各部件使用壽命，從而降低了維護費用。

電磁彈射器的結構

總體來講，航母電磁彈射器在結構上可以分為六大子系統。

發射電機系統采用緊湊的模塊化集成飛行甲板結構，直線感應電機配置，能將電流轉換為電磁力，將飛機加速送進發射道，和蒸汽彈射裝置一樣通過一個簡單的移動穿梭倉發射飛機。飛機發射后，電機電流逆轉將穿梭倉完全制動，而無需使用水剎裝置。由此可見，直線感應電機是整個電磁彈射器的核心部件。美國目前研制的直線感應電機要求的峰值功率必須在100兆瓦以上，而民用的功率遠遠低于這個水平，為此，美國只好給每部電磁彈射器都配備4臺30兆瓦直線感應電機。

電力儲能系統航母自身的電力主要來自于核反應堆，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將電力儲存，經積累后再高密度釋放，以達到整個系統正常工作時的需求。電力儲能系統為每次2～3秒的發射過程輸送所需能量，并在彈射間隙接受航母電源充電。

主電源連接系統與航母的電力傳輸系統連接，并向電力儲能系統輸送電力。

功率轉換電子系統將從電力儲能系統接收的電力轉換為電壓電流合適的能量波，驅動穿梭倉沿發射道運動。這個功率轉換系統，采用了通用原子商用電源裝置生產線的可靠技術，被封裝為一個盒裝壓縮模塊，安裝在甲板下面。系統僅作用于對彈射起作用的線圈，從而使整個系統高效運轉。它還能通過改變對直線感應電機供電的電壓、頻率，使電磁彈射器在整個速度范圍內都以高效率運轉。

發射控制系統電磁彈射器采用閉環系統對進入發射電機的電流采取實時控制。由于盡可能采用現成的商用零部件，其性能高度可靠，結構上具有大量冗余。進入發射電機的電流實現了實時精確控制，保證了最優化的推出速度及更平穩的加速，因而能適應不同重量的飛機。endprint

能量輸送系統包括電纜、連接器及終端負載，將能量從轉換系統輸送到發射電機。美國人的步步推進

美國海軍給航母配置電磁彈射器的想法已經有60多年了。早在1945年，美國海軍就在夏威夷的陸地機場上和西屋公司聯手建造了一臺電磁彈射器，可以在178米的距離上把4噸重的飛機加速到180千米，小時。然而，這個能力距離當時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大的電能供應，因此這臺電磁彈射器盡管非常可靠和耐用，但限于當時的技術水平不可能獲得什么發展。

直到20世紀80年代，美國海軍才開始重啟電磁彈射器發展項目。當時，美國海軍在經過可行性研究后，出資委托卡曼電磁系統公司設計并建造了一套半尺寸實驗室原理驗證樣機，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進行驗證。

卡曼公司是美國當時最有經驗的電磁系統提供商，能提供百米高樓使用的電磁驅動的超高速電梯，也為一些娛樂設施設計生產強大的電磁推進彈射裝置，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。美國海軍看重卡曼公司的實際經驗和技術開發能力，最關鍵的是卡曼公司提出的一系列技術和設備都是比較成熟、可實現性很高的系統。例如該公司提出的電磁彈射系統方案并沒采用前衛的超導體，而是使用可靠性和耐用性都較好的高強永磁和常規的銅繞組電磁技術，在能耗和體積重量上求得一個不錯的平衡。

1992年12月，美國海軍空戰中心與卡曼公司簽訂了聯合研制航母電磁彈射系統關鍵組件驗證階段的合同。在關鍵組件驗證期間，重點在彈射專用測試設備上，卡曼公司設計并制造了全尺寸樣機用于驗證設計原則、性能預測，尤其是可控性、推力和效率。根據卡曼公司的估計，全尺寸電磁彈射系統比現裝備的蒸汽彈射系統輕1000噸；系統適合C-13-2蒸汽彈射器的安裝位置，可以通過主推進系統提供的獨立電力工作；可根據飛機的型號、載荷和風速等因素調節發射推力和加速度。據卡曼公司計算，電磁航母彈射系統的效率大約為70%，而蒸汽彈射系統只有6%。

1994年，電磁彈射系統項目的首席技術專家麥克·多伊爾及其同事們堅信他們在脈；中電源、電源轉換、儲能和控制方面的連續進展已能保證航母電磁彈射器的最終實現。20世紀90年代后期，美國海軍確定將CVX項目（即CVN-78“福特”號航母）作為電磁彈射器的目標平臺。當時計劃CVX于2013年編入現役，后來項目推遲了兩年。

1999年12月，美國海軍空戰中心與兩個軍工巨頭——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，委托他們進行為期48個月的航母電磁彈射器項目評估及風險降低階段的研究及試驗。美國海軍給這兩家公司都撥了6177萬美元，供其展開驗證原型機的建造。

兩家公司分別承擔其中一些關鍵性系統的開發，美國海軍給出38項具體的技術建議、7項競爭性報價、2項突破獎勵的條款。研發工作的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，并計劃以此作為驗證機來研發工程樣機。可是美國海軍空戰中心在2004年初對兩家公司的驗證機進行審查后，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，研發和建造電磁彈射器工程樣機。

在電磁彈射器中，直線感應電機、電力儲能系統雖然都是關鍵部件，研制難度也大，但它們與高功率循環變頻器比起來不算什么難題，因為后者才是電磁彈射器的真正技術瓶頸，也是最關鍵、技術難度最大的部件。

從設計而言，循環變頻器是一個多路的橋式電路，通過串聯或并聯多路橋式電路，來獲得疊加和控制功率輸出。它不使用開關和串聯電容器，省略了電流分享電抗器，實現了完全數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。循環變頻器設計非常復雜，不僅需要將4臺交流發電機的24相輸入電能準確地輸入正確的模塊端口，還必須準確地管理298個直線電機的電磁模塊，在滑動組運行到來前0.35秒內讓電磁體充電，而在滑組經過后0.2秒之內停止送電并將電能輸送到下一個模塊。循環變頻器工作時間雖然不長，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1 363升，分鐘，注入溫度35%的情況下可確保系統溫度低于84℃。

美國海軍空戰中心在2004年和通用原子簽訂合同，要求用7年時間完成這一部件的實體工作，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構和工程圖片。

2007年，電磁彈射器的系統開發及驗證項目關鍵設計評估完成，往下得以進行零部件軟硬件及系統集成測試。2008年3月，完成電力儲能子系統電機部件的工廠驗收測試。2008年4月全尺寸電磁彈射器的直線感應電機首次測試完成，至此。在Kato工程公司工廠進行的為期30天的工廠驗收測試告一段落。

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

自2010年12月18日以來，在麥克圭爾-迪克斯-萊克赫斯特聯合基地順利進行的上百次電磁彈射器彈射艦載機試驗，以及近2000次固定負載發射試驗，令通用原子公司充滿了自信。“我們按下發射按鈕時不再有任何疑慮。”一位通用原子公司的高管如此說道。“當然，我們還得注意控制同時進行測試和生產所帶來的風險，但我們下定決心不但要保證質量，還要如期將系統交付船廠。”2013年5月8日，在弗吉尼亞州紐波特紐斯造船廠內，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，美國航母進入電磁彈射時代。

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，但外界普遍認為未來中國必定會發展采用彈射器的國產航母。鑒于電磁彈射器相比蒸汽彈射器的優勢，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領域里處于和美國理論研究同步，試驗研究驗證的小規模發展地步。線圈炮方面，1996年中國曾發布一個口徑90毫米的4磁體級的樣炮原型機，可達到電能轉換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大國，高磁強度稀土永磁體研究水平較好。而從中國媒體廣泛報道的海軍工程大學電力電子技術研究所所長、中國工程院院士馬偉明少將的事跡來看，中國似乎已經攻克了電磁彈射器的多項關鍵技術，并已進入樣機研制和試驗階段。外界推測，中國在“遼寧”號之后發展的國產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間來試驗和完善其電磁彈射器技術，而這也符合中國現在采取的關鍵技術先行的發展模式。 [編輯/秦蓁]endprint