自制航母電磁彈射演示系統

高旸

2022 年6 月17 日，我國第三艘航空母艦下水命名儀式在中國船舶集團有限公司江南造船廠舉行。儀式上，軍地領導共同為我國第三艘航空母艦下水剪彩，并向接艦部隊主官授予命名證書。經中央軍委批準，我國第三艘航空母艦命名為“中國人民解放軍海軍福建艦”，舷號為“18”。

與已經服役的遼寧艦和山東艦不同，福建艦是我國完全自主設計建造的首艘彈射型航空母艦，采用平直通長飛行甲板，配置電磁彈射和阻攔裝置，滿載排水量8 萬余噸。隨著該艦服役的腳步越來越近，我國航母將正式步入彈射時代，并且是一舉邁入電磁彈射時代。對比世界各國，擁有航母的國家屈指可數，裝備彈射技術的航母更是鳳毛麟角。老牌海軍強國英國的新航母，使用的是短距起降+ 滑躍起飛方案，而法國戴高樂航母上裝備的蒸汽彈射器則購自美國。可以說，在彈射技術領域，中美兩國已經站在同一起跑線上。值得一提的是，美國最新一代航母福特號雖然已于2017 年7月22 日正式進入美國海軍服役，但因電磁彈射技術不成熟，其形成戰斗力的時間被一推再推。

作為一名少年宮的科技模型教師，筆者在教學中一直非常注重學生科學素養的培養，通過設計制作一些演示模型，可以將復雜難懂的科學原理與知識形象地展示出來。看到我國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”的想法，一方面通過這套演示系統可以開展STEM 教學活動，讓學生了解航母艦載機電磁彈射技術的科學原理；另一方面還可以借助它向學生普及國防知識，激發孩子們的擔當意識與愛國情懷。

這套演示系統由艦艏模型、電磁彈射器和控制器3 部分組成。

其中艦艏模型是整個系統的安裝承載平臺。作為最大的水面戰斗艦艇，一艘航母動輒二三百米長，即使做出滿足彈射演示系統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，用激光切割機切出造型。之所以使用透明材質的甲板，是為了讓學生能清楚地觀察電磁彈射演示的全過程。

控制器面板上設有充電口、電池電壓顯示器、充電電壓顯示器、總開關、充電開關、彈射開關、復位開關，側面還有快插線端口和散熱風扇，主要用于對彈射器的發射、回收等進行控制。

電磁彈射器是整個系統的核心，主要由升壓模塊、控制板（包括電容、可控硅、光電傳感器）、8 級電磁線圈、發射滑軌（發射管）、磁鐵彈丸、牽引滑塊和彈丸回收裝置等部分組成，可演示電磁彈射過程中的儲能、彈射和回收三大階段。系統工作時，首先將電源升壓并將電能儲存在電容中；之后控制板逐級為電磁線圈通電，驅動線圈中的磁鐵彈丸逐漸加速；高速彈丸擊中滑塊，使其沿發射軌道向前滑動，同時帶動模型飛機向前加速滑行起飛；最后，彈丸由回收裝置牽引回到原位，準備下次彈射。通過控制電容的充電電壓，即可改變存儲在電容中的電能，進而調整彈射速度與重量。這也是航母上電磁彈射比傳統的蒸汽彈射更加先進的一大特點，即電磁彈射器可通過控制電流獲得大小可調的推力，不僅能彈射重型飛機，也能彈射較輕的無人機。

下面結合這三大階段對電磁彈射器的結構和功能進行詳細介紹。

1. 儲能階段

這一階段中起作用的主要是升壓模塊和儲能電容。按下控制器上的儲能開關后，低壓直流電（電源）通過升壓模塊的高頻振蕩電路轉化為低壓交流電，再通過脈沖變壓器升壓轉化為高壓交流電，最后通過脈沖整流電路轉化為高壓直流電，電能經一系列轉化，被儲存在大容量電容中。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8 級電磁線圈，纏繞在發射管外間隔分布。各級線圈長度依次增大，線圈間布置用于探測磁鐵彈丸的光電傳感器。按下控制器面板上的彈射開關后，第一級電容將儲存的高壓直流電輸出到纏繞在發射管外的第一級線圈上，線圈產生磁場牽引發射管內的磁鐵彈丸直線加速運動；經過線圈間的第一個光電傳感器時，其將信息傳遞給可控硅（相當于開關），并由它控制第二級電容給第二級線圈放電形成磁場，繼續牽引磁鐵彈丸加速；以此類推，直到最后一級線圈將彈丸加到最大速度。之后磁鐵彈丸繼續沿發射管高速運動，撞擊艦載機牽引滑塊使其沿管道向前運動，并牽引艦載機加速滑跑。隨著艦載機速度的增加，其升力增大到超過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程。

使電磁線圈為磁鐵彈丸逐級加速是電磁彈射器能否實現演示功能的關鍵，為此，筆者花費大量精力完成了控制程序的編寫，并通過反復測試優化調整各項參數，使加速效果達到最優。

而看似簡單的牽引滑塊，在具體設計時也費了一番功夫。牽引滑塊要裝在發射管中，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數控加工而成，中間部分凸出，主要用于承受磁鐵彈丸的高速碰撞。滑塊上下各有一對圓孔，用于安裝滾動軸承以夾住發射管，使其不在管中晃動。牽引滑塊的上半部分，使用3D 打印機打印而成，用于固定艦載機的前起落架。

3. 回收階段

彈射完成后，彈丸和牽引滑塊會運動到發射管末端。為了方便繼續進行下一次彈射，筆者設計了彈丸回收機，利用電機驅動兩端帶有鐵限位塊的鋼絲繩在彈射管中來回滑動，吸引彈丸并將其拉回起點。

彈丸回收機由電機、橡膠輪、鋼絲繩等部分組成。電機帶動橡膠輪旋轉，輪邊的摩擦力使鋼絲繩在彈射管中運動，待繩端的限位塊2 碰到磁鐵彈丸后與之吸到一起，隨后電機反轉，鋼絲繩便可帶著彈丸一起回到起點。為了實現全自動控制，筆者在發射管下方加裝了一根與之平行的鋼絲繩導管。在發射管與鋼絲繩導管終端各固定一個觸碰開關，當按下控制器面板上的復位開關后，電機先正轉，至鋼絲繩限位塊1 碰撞到導管上的開關后（此時限位塊2 剛好吸住彈丸），電機立即反轉將彈丸吸回。當鋼絲繩限位塊2碰撞到發射管上的開關后，說明彈丸已回到原位，電機停轉。

筆者還在牽引滑塊下半部分凸起處擰入一顆鐵螺絲，這樣彈丸在回收時就能吸住牽引滑塊一同復位。而且，因為鋼絲繩上的限位塊2 的磁力更大，牽引滑塊到達彈射起始點時會自動與磁鐵彈丸分離，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力的設備，這套航母電磁彈射演示系統在原理上真實還原了航母電磁彈射系統，能更直觀地演示電磁轉換原理；而且在儲能階段還可以通過調節升壓參數，將測試小車彈射出不同的距離，其他教具則很難實現這一功能。