美国航母电磁弹射技术

萧萧

2010年12月18日，在新泽西州麦克圭尔-迪克斯-莱克赫斯特联合基地，美国海军使用电磁弹射器（EMALS）成功弹射了1架F/A-18E“超级大黄蜂”战斗攻击机，此后又继续对T-45C舰载教练机、C-2A舰载运输机、E-2D舰载预警机等进行了100多架次弹射试验。2011年11月18日，美国海军又在麦克圭尔-迪克斯-莱克赫斯特联合基地使用电磁弹射器威功弹射了1架F-35C。2011年末，美国通用原子公司电磁系统部交付第12个也是最后一个用于航母电磁弹射器（EMALS）的储能电机。2013年3月14日，美国海军航母电磁弹射器完成了储能电机共享试验，比预定日期有所提前。

2013年6月25日，美国海军开始进入第二阶段航母电磁弹射器的弹射试验，并于当天成功弹射了1架EA-18G“咆哮者”电子战机。美国海军电磁弹射器综合项目小组负责人乔治·苏利奇表示，今年后半年进行的第二阶段测试将会进行300架次弹射，而且这些弹射将模拟不同航母工况，包括偏心弹射和设定系统故障弹射，从而验证飞机能达到起飞末速度，验证临界弹射可靠性。这一系列事例，表明美国新型航母电磁弹射系统正在快速走向实用。如果它能按照原计划装上“福特”号航母，意味着航母弹射技术将发生一次革命。

电磁弹射器的优点

为何美军要采用电磁弹射器？因为这种弹射器有很多优点。

首先是加速均匀且力量可控。C-13-1型蒸汽弹射器发射时最大过载达到6g，但整个行程的平均加速度仅有2g多一点，执行空优任务的F/A-1B飞行员常常调侃C-13-1弹射器在后段往往没有飞机自身的发动机加速得快。过热蒸汽的膨胀随着速度和汽缸容积的增加，绝大多数能量用于蒸汽本身的加速和推动上了，而体积增加后膨胀所需蒸汽的比例呈立方关系增加。目前的蒸汽弹射器的长度和汽缸容积几乎达到极限，到弹射冲程的末段，蒸汽基本上只能加速活塞，对飞机的帮助不大。

电磁弹射器的推力在启动段没有蒸汽那种突发爆炸性的冲击，可以将最大加速度从6g降低到3g，这不仅对飞机结构和寿命有着巨大好处，对飞行员的身体承受能力也是一个不错的改善。此外，由于电磁弹射的加速和弹射器的长度没有关系，除了受到气动阻力和摩擦阻力的影响外，弹射的初段到末段基本加速度不会出现太大的波动，这就比蒸汽弹射的逐步下降来的更有效率。根据计算，假设平均加速度一样，电磁弹射器将比蒸汽弹射器让飞机多载重8%-15%。

其次，电磁弹射器具有很大的能量输出调节范围。蒸汽弹射器的功率输出依靠一个叫速率阀的东西，它利用控制蒸汽流量的方式控制弹射器的功率输出，机械的可调节性能输出达到1：6差不多就是极限了。而电磁弹射的功率输出是由电路系统控制，从大功率民用变电的经验可知1：100以内的变化是相当容易的，能够弹射4.5-45吨的飞机，弹射速度范围为100～400千米，小时。美国海军未来将大量使用轻重不一的无人机，而目前的蒸汽弹射器很难适应这个要求。

再次是反应灵敏。在系统完全冷态的条件下，电磁弹射器在15分钟内即可发射，克服了蒸汽弹射器要总处于常备作战状态的缺陷。特别是在应对突发情况时，电磁弹射器的反应速度及可靠性是蒸汽弹射器无法比拟的。

第四是体积小、重量轻。对航母的设计师和海军操作人员来说，电磁弹射器是一个大福音，它不仅将机库甲板的占用面积缩减到原来的1/3，重量还轻了一半。大幅减轻高过重心位置的重量，对航母的稳性设计是很有益的，同时所节约的空间可用来增加舰载机的数量，这对提升整个航母编队的作战能力有着十分重要的意义。

第五是结构简单，维护成本降低。电磁弹射器的结构要比蒸汽弹射器简单得多，因此维护人员既不用再为复杂的蒸汽管道迷宫所困扰，也不用再为灼热的蒸汽泄露和四处污溅、难以清洁的润滑油所发愁。试验显示，使用电磁弹射器后，可以减少近30%全寿命维护费用和近20%的维护人员，同时战机的作战安全性和可用度提高近两成。

第六是工作效率高。电磁弹射器的能量利用率可达到60%以上，而蒸汽弹射器仅为5%，这就好比是现代电力机车与老式蒸汽机车的对比。

第七是机械磨损低。蒸汽弹射器在工作时存在各种机械摩擦，尤其是金属密封条的磨损。而电磁弹射器的电力元件采用无接触瞬间电磁力，几乎没有机械损耗，这就增加了各部件使用寿命，从而降低了维护费用。

电磁弹射器的结构

总体来讲，航母电磁弹射器在结构上可以分为六大子系统。

发射电机系统采用紧凑的模块化集成飞行甲板结构，直线感应电机配置，能将电流转换为电磁力，将飞机加速送进发射道，和蒸汽弹射装置一样通过一个简单的移动穿梭仓发射飞机。飞机发射后，电机电流逆转将穿梭仓完全制动，而无需使用水刹装置。由此可见，直线感应电机是整个电磁弹射器的核心部件。美国目前研制的直线感应电机要求的峰值功率必须在100兆瓦以上，而民用的功率远远低于这个水平，为此，美国只好给每部电磁弹射器都配备4台30兆瓦直线感应电机。

电力储能系统航母自身的电力主要来自于核反应堆，但是该电力无法提供100兆瓦以上的峰值功率，因此需要电力储能系统将电力储存，经积累后再高密度释放，以达到整个系统正常工作时的需求。电力储能系统为每次2～3秒的发射过程输送所需能量，并在弹射间隙接受航母电源充电。

主电源连接系统与航母的电力传输系统连接，并向电力储能系统输送电力。

功率转换电子系统将从电力储能系统接收的电力转换为电压电流合适的能量波，驱动穿梭仓沿发射道运动。这个功率转换系统，采用了通用原子商用电源装置生产线的可靠技术，被封装为一个盒装压缩模块，安装在甲板下面。系统仅作用于对弹射起作用的线圈，从而使整个系统高效运转。它还能通过改变对直线感应电机供电的电压、频率，使电磁弹射器在整个速度范围内都以高效率运转。

发射控制系统电磁弹射器采用闭环系统对进入发射电机的电流采取实时控制。由于尽可能采用现成的商用零部件，其性能高度可靠，结构上具有大量冗余。进入发射电机的电流实现了实时精确控制，保证了最优化的推出速度及更平稳的加速，因而能适应不同重量的飞机。endprint

能量输送系统包括电缆、连接器及终端负载，将能量从转换系统输送到发射电机。美国人的步步推进

美国海军给航母配置电磁弹射器的想法已经有60多年了。早在1945年，美国海军就在夏威夷的陆地机场上和西屋公司联手建造了一台电磁弹射器，可以在178米的距离上把4吨重的飞机加速到180千米，小时。然而，这个能力距离当时主流的液压弹射器有很大差距，并且制造电磁弹射器需要消耗大量的铜，使用上也需要非常强大的电能供应，因此这台电磁弹射器尽管非常可靠和耐用，但限于当时的技术水平不可能获得什么发展。

直到20世纪80年代，美国海军才开始重启电磁弹射器发展项目。当时，美国海军在经过可行性研究后，出资委托卡曼电磁系统公司设计并建造了一套半尺寸实验室原理验证样机，可提供529.5千牛的推力，并对全套的电力加速和减速控制技术进行验证。

卡曼公司是美国当时最有经验的电磁系统提供商，能提供百米高楼使用的电磁驱动的超高速电梯，也为一些娱乐设施设计生产强大的电磁推进弹射装置，例如有种电磁过山车可以让2吨多重的过山车以3g的过载加速到160千米，小时。美国海军看重卡曼公司的实际经验和技术开发能力，最关键的是卡曼公司提出的一系列技术和设备都是比较成熟、可实现性很高的系统。例如该公司提出的电磁弹射系统方案并没采用前卫的超导体，而是使用可靠性和耐用性都较好的高强永磁和常规的铜绕组电磁技术，在能耗和体积重量上求得一个不错的平衡。

1992年12月，美国海军空战中心与卡曼公司签订了联合研制航母电磁弹射系统关键组件验证阶段的合同。在关键组件验证期间，重点在弹射专用测试设备上，卡曼公司设计并制造了全尺寸样机用于验证设计原则、性能预测，尤其是可控性、推力和效率。根据卡曼公司的估计，全尺寸电磁弹射系统比现装备的蒸汽弹射系统轻1000吨；系统适合C-13-2蒸汽弹射器的安装位置，可以通过主推进系统提供的独立电力工作；可根据飞机的型号、载荷和风速等因素调节发射推力和加速度。据卡曼公司计算，电磁航母弹射系统的效率大约为70%，而蒸汽弹射系统只有6%。

1994年，电磁弹射系统项目的首席技术专家麦克·多伊尔及其同事们坚信他们在脉；中电源、电源转换、储能和控制方面的连续进展已能保证航母电磁弹射器的最终实现。20世纪90年代后期，美国海军确定将CVX项目（即CVN-78“福特”号航母）作为电磁弹射器的目标平台。当时计划CVX于2013年编入现役，后来项目推迟了两年。

1999年12月，美国海军空战中心与两个军工巨头——诺思罗普·格鲁曼公司和通用原子公司分别签订了两份类似的合同，委托他们进行为期48个月的航母电磁弹射器项目评估及风险降低阶段的研究及试验。美国海军给这两家公司都拨了6177万美元，供其展开验证原型机的建造。

两家公司分别承担其中一些关键性系统的开发，美国海军给出38项具体的技术建议、7项竞争性报价、2项突破奖励的条款。研发工作的90%在加州的阳光谷完成，10%在新泽西的麦克圭尔-迪克斯-莱克赫斯特联合基地完成。

诺·格公司于2003年率先展示了一台长度50米的1：4缩比样机，并计划以此作为验证机来研发工程样机。可是美国海军空战中心在2004年初对两家公司的验证机进行审查后，决定选择通用原子公司为电磁弹射器的主承包商。2004年4月，美国海军空战中心将总额1.45亿美元、为期5年的正式合同授予通用原子公司。自此，通用原子与北美Qinetiq、Kato工程、Cur-tiss-Wright EMD、德克萨斯大学电磁中心、Alion科技、STV及L-3通讯脉冲科技等公司一起合作，研发和建造电磁弹射器工程样机。

在电磁弹射器中，直线感应电机、电力储能系统虽然都是关键部件，研制难度也大，但它们与高功率循环变频器比起来不算什么难题，因为后者才是电磁弹射器的真正技术瓶颈，也是最关键、技术难度最大的部件。

从设计而言，循环变频器是一个多路的桥式电路，通过串联或并联多路桥式电路，来获得叠加和控制功率输出。它不使用开关和串联电容器，省略了电流分享电抗器，实现了完全数字化管理的无电弧的电能源变频管理输出。其每一相的输出能力为0～1520伏，峰值电流6400安，可变化频率为0-644赫兹。循环变频器设计非常复杂，不仅需要将4台交流发电机的24相输入电能准确地输入正确的模块端口，还必须准确地管理298个直线电机的电磁模块，在滑动组运行到来前0.35秒内让电磁体充电，而在滑组经过后0.2秒之内停止送电并将电能输送到下一个模块。循环变频器工作时间虽然不长，每次弹射中仅10～15秒，但热耗散非常大，一组循环变频器需要528千瓦的冷却功率。冷却剂是去离子水，流量高达1 363升，分钟，注入温度35%的情况下可确保系统温度低于84℃。

美国海军空战中心在2004年和通用原子签订合同，要求用7年时间完成这一部件的实体工作，可见其研制难度之大。美国对这一核心部件自然是高度保密，除了基本原理外，到目前为止没有披露任何模型结构和工程图片。

2007年，电磁弹射器的系统开发及验证项目关键设计评估完成，往下得以进行零部件软硬件及系统集成测试。2008年3月，完成电力储能子系统电机部件的工厂验收测试。2008年4月全尺寸电磁弹射器的直线感应电机首次测试完成，至此。在Kato工程公司工厂进行的为期30天的工厂验收测试告一段落。

2009年6月，通用原子接到了5.73亿美元的固定价格合同，承担“福特”号航母的电磁弹射器生产及交付任务。

自2010年12月18日以来，在麦克圭尔-迪克斯-莱克赫斯特联合基地顺利进行的上百次电磁弹射器弹射舰载机试验，以及近2000次固定负载发射试验，令通用原子公司充满了自信。“我们按下发射按钮时不再有任何疑虑。”一位通用原子公司的高管如此说道。“当然，我们还得注意控制同时进行测试和生产所带来的风险，但我们下定决心不但要保证质量，还要如期将系统交付船厂。”2013年5月8日，在弗吉尼亚州纽波特纽斯造船厂内，1050吨龙门吊为“福特”号航母吊装了电磁弹射器的前端部件。至此，美国航母进入电磁弹射时代。

中国的追赶

中国尽管由“瓦良格”号改装而来的“辽宁”号航母依然采用原先的滑跃起飞方式，但外界普遍认为未来中国必定会发展采用弹射器的国产航母。鉴于电磁弹射器相比蒸汽弹射器的优势，外界推测中国可能会跳过蒸汽弹射器阶段，直接采用电磁弹射器。

从目前所获悉的情况看，中国在电磁弹射技术领域里处于和美国理论研究同步，试验研究验证的小规模发展地步。线圈炮方面，1996年中国曾发布一个口径90毫米的4磁体级的样炮原型机，可达到电能转换50%以上，瞬间能源有成熟的20兆焦输出的和100兆焦级别的器件。而且中国是稀土永磁体生产大国，高磁强度稀土永磁体研究水平较好。而从中国媒体广泛报道的海军工程大学电力电子技术研究所所长、中国工程院院士马伟明少将的事迹来看，中国似乎已经攻克了电磁弹射器的多项关键技术，并已进入样机研制和试验阶段。外界推测，中国在“辽宁”号之后发展的国产航母可能仍将是滑跃型，再后面才会是弹射型，这就意味着中国有比较充裕的时间来试验和完善其电磁弹射器技术，而这也符合中国现在采取的关键技术先行的发展模式。 [编辑/秦蓁]endprint