電磁彈射的發展和應用前景

王婧賢

（石家莊市第一中學，河北 石家莊 050035）

航母戰斗力的發揮依賴于各種艦載機，艦載機能適應多種海洋環境，可以對地面、海上甚至空中目標造成強有力的打擊，具有很強的戰斗力。因此，艦載機的起飛能力和效率很大程度上決定著航母編隊的作戰能力。

當前艦載機有以下幾種起飛方式：（1）滑跑起飛，是在末端翹起的甲板上直接加速獲得升力來起飛，類似于飛機起飛。（2）彈射起飛，是利用彈射器助推使飛機獲得更高的加速度，這樣對甲板的長度要求得以降低，但對艦載機的強度要求會升高。（3）垂直起飛，是利用向下高溫高速氣流的噴射獲得向上的反作用力直接起飛，但是起飛時需要大量燃料，效率低且安全性低。

電磁彈射是將電能轉化為電磁能，進而轉化為拋射物體所需的瞬時動能，從而完成對物體推進的技術。電磁彈射技術具有彈射效率高、彈射能力強、環境適應性好、易于控制、易于維護等諸多優勢。

1 電磁彈射系統的原理及組成

1.1 物理原理

電磁彈射系統是采用電能轉化為磁能進而轉化為載荷所需動能來推動物體快速達到一定速度的系統。作為電磁彈射器動力裝置的是直線電機，系統輸入強大的電流使線圈產生磁場，從而給予與磁力模塊相連接的“往復車”能量使其加速，推動戰機加速起飛。

1.2 硬件組成和工作流程

電磁彈射系統主要包括直線電機、儲能系統、控制系統和電力電子系統等。其中，儲能系統是在一定時間內從航母配電系統中獲取并儲存足夠能量，然后再在極短時間內釋放。電力電子系統是用來控制脈沖放電，從而控制直線電機。控制系統對各種信息進行綜合處理，保證各個裝置正常運行。這些裝置系統一起配合運行，達到最佳的彈射效果。如圖1所示為電磁彈射系統組成示意圖。

圖1 電磁彈射系統的工作流程

2 電磁彈射的主要難點及發展現狀

2.1 直線電機技術

在大載荷、低初速的飛機電磁彈射情況下，需要要求彈射器具有很高的效率和推力/體積比，這就需要成熟的直線電機技術。電磁彈射器不僅要求直線電機的輸出推力足夠大，還需要推力波動盡量小，以防止產生的沖擊和過應力對飛機及相關設備造成損害。提升直線電機推力性能和抑制其推力波動是重點研究內容，其關鍵技術就在于電機本體的優化設計和高性能的控制方法。

直線電機可以將電能直接轉化為直線運動所需動能。直線電機與旋轉電機相比，主要具有易于維護、定位精度高、響應時間短和可靠性高的優勢。現有電磁彈射器的直線電機主要有永磁直線電機、直線感應電機和直線磁阻電機三類。

2.2 儲能技術

電磁彈射器需要在幾毫秒內將發射體推射到高速度，對電源有非常高的要求。儲能技術也成為電磁發射技術發展的關鍵技術，目前主要有飛輪儲能和超級電容兩種。

2.2.1 飛輪儲能

飛輪儲能的基本原理是把電能轉換成旋轉體的動能進行能量存儲。在儲能階段，通過電動機做功于飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉速，擁有一定的機械能，達到儲存能量的效果；在能量釋放階段，通過飛輪向外做功，帶動電動機作為發電機，從而將動能轉化為電能。飛輪儲能系統的基本結構如圖2所示。

圖2 飛輪儲能結構示意圖

2.2.2 超級電容器

作為一種新型儲能裝置，超級電容器利用電極與電解質之間形成的的界面雙層來儲存能量，其能量密度和比功率都高于一般儲能裝置，工作溫度范圍長、使用壽命長且無污染。如圖3所示為超級電容的基本結構。

圖3 超級電容結構示意圖

2.3 其他關鍵技術

抑制電磁彈射過程中產生的強磁場環境對機載電子設備的影響也是一項重要內容。彈射過程中機載電子設備可能會受到電磁強脈沖的影響，這就需要通過電磁屏蔽技術來減弱這種影響。此外，開展電磁兼容與高電壓安全性方面的研究將有利于建立裝備安全的試驗評估系統，為裝備的發展提供保障。

3 電磁彈射的應用前景

電磁彈射技術表現出的優勢十分突出，直接指明了對發射技術的重點研究方向，艦載機利用電磁彈射器進行彈射起飛，能量利用率將大大增加，節約了更多能源，同時彈射效率和可靠性更高，將會大大提高航母戰斗力。

4 結語

電磁彈射器對航空母艦戰斗力的提升助力極大。電磁彈射技術是將電能間接轉化為拋體動能的技術，具有效率高、易維護、易控制等很多的技術優勢。此外，電磁彈射技術可運用電磁炮和衛星發射等領域，應用于電磁彈射系統的直線電機技術和儲能技術發展迅速，電磁彈射技術具有廣闊的應用前景。

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