电磁弹射的发展和应用前景

王婧贤

（石家庄市第一中学，河北 石家庄 050035）

航母战斗力的发挥依赖于各种舰载机，舰载机能适应多种海洋环境，可以对地面、海上甚至空中目标造成强有力的打击，具有很强的战斗力。因此，舰载机的起飞能力和效率很大程度上决定着航母编队的作战能力。

当前舰载机有以下几种起飞方式：（1）滑跑起飞，是在末端翘起的甲板上直接加速获得升力来起飞，类似于飞机起飞。（2）弹射起飞，是利用弹射器助推使飞机获得更高的加速度，这样对甲板的长度要求得以降低，但对舰载机的强度要求会升高。（3）垂直起飞，是利用向下高温高速气流的喷射获得向上的反作用力直接起飞，但是起飞时需要大量燃料，效率低且安全性低。

电磁弹射是将电能转化为电磁能，进而转化为抛射物体所需的瞬时动能，从而完成对物体推进的技术。电磁弹射技术具有弹射效率高、弹射能力强、环境适应性好、易于控制、易于维护等诸多优势。

1 电磁弹射系统的原理及组成

1.1 物理原理

电磁弹射系统是采用电能转化为磁能进而转化为载荷所需动能来推动物体快速达到一定速度的系统。作为电磁弹射器动力装置的是直线电机，系统输入强大的电流使线圈产生磁场，从而给予与磁力模块相连接的“往复车”能量使其加速，推动战机加速起飞。

1.2 硬件组成和工作流程

电磁弹射系统主要包括直线电机、储能系统、控制系统和电力电子系统等。其中，储能系统是在一定时间内从航母配电系统中获取并储存足够能量，然后再在极短时间内释放。电力电子系统是用来控制脉冲放电，从而控制直线电机。控制系统对各种信息进行综合处理，保证各个装置正常运行。这些装置系统一起配合运行，达到最佳的弹射效果。如图1所示为电磁弹射系统组成示意图。

图1 电磁弹射系统的工作流程

2 电磁弹射的主要难点及发展现状

2.1 直线电机技术

在大载荷、低初速的飞机电磁弹射情况下，需要要求弹射器具有很高的效率和推力/体积比，这就需要成熟的直线电机技术。电磁弹射器不仅要求直线电机的输出推力足够大，还需要推力波动尽量小，以防止产生的冲击和过应力对飞机及相关设备造成损害。提升直线电机推力性能和抑制其推力波动是重点研究内容，其关键技术就在于电机本体的优化设计和高性能的控制方法。

直线电机可以将电能直接转化为直线运动所需动能。直线电机与旋转电机相比，主要具有易于维护、定位精度高、响应时间短和可靠性高的优势。现有电磁弹射器的直线电机主要有永磁直线电机、直线感应电机和直线磁阻电机三类。

2.2 储能技术

电磁弹射器需要在几毫秒内将发射体推射到高速度，对电源有非常高的要求。储能技术也成为电磁发射技术发展的关键技术，目前主要有飞轮储能和超级电容两种。

2.2.1 飞轮储能

飞轮储能的基本原理是把电能转换成旋转体的动能进行能量存储。在储能阶段，通过电动机做功于飞轮，使飞轮本体加速到一定的转速，拥有一定的机械能，达到储存能量的效果；在能量释放阶段，通过飞轮向外做功，带动电动机作为发电机，从而将动能转化为电能。飞轮储能系统的基本结构如图2所示。

图2 飞轮储能结构示意图

2.2.2 超级电容器

作为一种新型储能装置，超级电容器利用电极与电解质之间形成的的界面双层来储存能量，其能量密度和比功率都高于一般储能装置，工作温度范围长、使用寿命长且无污染。如图3所示为超级电容的基本结构。

图3 超级电容结构示意图

2.3 其他关键技术

抑制电磁弹射过程中产生的强磁场环境对机载电子设备的影响也是一项重要内容。弹射过程中机载电子设备可能会受到电磁强脉冲的影响，这就需要通过电磁屏蔽技术来减弱这种影响。此外，开展电磁兼容与高电压安全性方面的研究将有利于建立装备安全的试验评估系统，为装备的发展提供保障。

3 电磁弹射的应用前景

电磁弹射技术表现出的优势十分突出，直接指明了对发射技术的重点研究方向，舰载机利用电磁弹射器进行弹射起飞，能量利用率将大大增加，节约了更多能源，同时弹射效率和可靠性更高，将会大大提高航母战斗力。

4 结语

电磁弹射器对航空母舰战斗力的提升助力极大。电磁弹射技术是将电能间接转化为抛体动能的技术，具有效率高、易维护、易控制等很多的技术优势。此外，电磁弹射技术可运用电磁炮和卫星发射等领域，应用于电磁弹射系统的直线电机技术和储能技术发展迅速，电磁弹射技术具有广阔的应用前景。

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