美軍航母電磁彈射器發(fā)展現(xiàn)狀

王　兵　陳　練

電磁彈射器被認(rèn)為是蒸汽彈射器的可行替代方案，美海軍的航母電磁彈射器(EMALS)研究最早可追溯到20世紀(jì)40年代。1988年，美國(guó)開(kāi)發(fā)出電磁彈射器的小比例模型，該模型長(zhǎng)3.66米，寬為實(shí)際尺寸的一半，試驗(yàn)表明，其靜態(tài)推力可達(dá)到500千牛以上，彈射直線電機(jī)的電磁輻射也能夠被控制在槽型結(jié)構(gòu)內(nèi)。此后，美國(guó)就此項(xiàng)研究進(jìn)行了許多設(shè)計(jì)研究，硬件演示和技術(shù)探討，但受經(jīng)費(fèi)限制，研究的范圍和規(guī)模有限。20世紀(jì)90年代后期，美國(guó)在論證未來(lái)航母的過(guò)程中，正式將電磁彈射系統(tǒng)擺上了議事日程。1999年，美國(guó)海軍完成了電磁彈射器的概念探討和定義工作，并發(fā)布招標(biāo)書(shū)。2004年4月2日，美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心選擇了通用原子公司的電磁彈射器方案，確定由該公司領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)承擔(dān)電磁彈射器的研制和驗(yàn)證工作。2008年9月3日，美國(guó)航母電磁彈射器完成第一階段高周試驗(yàn)(HCT-1)，通過(guò)海量重復(fù)試驗(yàn)(10000次)，驗(yàn)證了電磁彈射器的電氣、熱力設(shè)備的性能以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電周期率。2009年冬，將開(kāi)始第二階段高周試驗(yàn)，包括滿功率試驗(yàn)以及環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，給出電磁彈射器的性能預(yù)報(bào)。

電磁彈射器的基本原理和系統(tǒng)組成

電磁彈射器利用直線感應(yīng)電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)艦載機(jī)加速到起飛速度，其工作原理是：直線感應(yīng)電機(jī)的初級(jí)(固定部分)通上交流電后，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)在直線感應(yīng)電機(jī)的次級(jí)(運(yùn)動(dòng)部分)產(chǎn)生感應(yīng)電流，使次級(jí)變?yōu)橛懈袘?yīng)電流的導(dǎo)體，這樣，處于交變磁場(chǎng)的次級(jí)部分就會(huì)受到安培力的作用，向前運(yùn)動(dòng)。電磁彈射器的核心構(gòu)成包括：

彈射直線電機(jī)

彈射直線電機(jī)是電磁彈射器的核心部分。目前美國(guó)采用的是直線感應(yīng)電機(jī)，其主要技術(shù)難點(diǎn)有三：一是高峰值功率直線電機(jī)的開(kāi)發(fā)。電磁彈射器的峰值功率要求很高，可能達(dá)到100兆瓦以上，而目前能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的直線電機(jī)單機(jī)功率僅為幾百千瓦。為了降低對(duì)直線電機(jī)功率的要求，美國(guó)的每部電磁彈射器都采用了4臺(tái)直線電機(jī)(單機(jī)功率超過(guò)30兆瓦)，它們的總功率可達(dá)到百兆瓦級(jí)；二是電磁泄露。需要對(duì)電磁彈射器可能產(chǎn)生的全部頻段進(jìn)行模擬，并將飛行甲板上的磁感應(yīng)強(qiáng)度與各種艦載機(jī)設(shè)備的敏感度進(jìn)行對(duì)比，防止對(duì)艦上設(shè)備造成影響；三是散熱。用于電磁彈射器的永磁彈射直線電機(jī)初級(jí)的峰值功率損失可達(dá)到13.3兆瓦，銅片的最高溫度可達(dá)118.2℃，需要利用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行冷卻。直線感應(yīng)電機(jī)的功率損失可能會(huì)超過(guò)永磁直線電機(jī)，因此必須考慮如何高效散熱。

儲(chǔ)能系統(tǒng)

電磁彈射器對(duì)電力的需求很大，在彈射較重的艦載機(jī)時(shí)，整個(gè)電磁彈射器的峰值功率可能會(huì)達(dá)到100兆瓦甚至更高，在目前的條件下，這部分用電無(wú)法直接依賴航母電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)供給，必須依靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)將所需的電能事先儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候瞬間釋放。由于體積和重量等原因，能夠滿足電磁彈射器儲(chǔ)能需要的現(xiàn)成系統(tǒng)無(wú)法直接用于航母。目前美國(guó)海軍的電磁彈射器采用的是飛輪儲(chǔ)能(FES)裝置。

電力電子變換系統(tǒng)

電力電子變換系統(tǒng)從儲(chǔ)能系統(tǒng)獲取電能，在長(zhǎng)約103米的直線電機(jī)上，電力電子變換系統(tǒng)能夠在特定時(shí)間僅僅接通對(duì)彈射起作用的線圈，而不是把整個(gè)直線電機(jī)的線圈一起接通，從而使整個(gè)系統(tǒng)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。它還能通過(guò)改變供電的電壓，頻率，使電磁彈射器在各種速度上都以最高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。電磁彈射器所用的電力電子變換系統(tǒng)由可以高效控制強(qiáng)電能的現(xiàn)成民用電力電子裝置組成，可精確控制供給彈射電動(dòng)機(jī)電脈沖的電壓和頻率。

控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電磁彈射系統(tǒng)對(duì)控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求很高。在整個(gè)彈射過(guò)程中，控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不間斷地監(jiān)視著電磁彈射器全系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)可根據(jù)飛機(jī)、環(huán)境的變化實(shí)施調(diào)控，使艦載機(jī)達(dá)到要求的末速度，并擔(dān)負(fù)整個(gè)電磁彈射器的報(bào)警任務(wù)。

電磁彈射器的優(yōu)勢(shì)

美國(guó)海軍之所以為未來(lái)航母選擇電磁彈射器，主裝置、彈射汽缸、活塞、復(fù)位機(jī)械等構(gòu)成，尤其是其復(fù)雜的管道系統(tǒng)被稱為“迷宮”。相比而言，電磁彈射器的構(gòu)成要簡(jiǎn)單得多，主要由彈射直線電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力電子變換系統(tǒng)和控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四部分組成。另外，電磁彈射器只使用電力，航母的原動(dòng)機(jī)選擇靈活；而蒸汽彈射器需要蒸汽源，如果航母不采用蒸汽動(dòng)力或核動(dòng)力裝置，還需要專門為蒸汽彈射器配備輔助鍋爐提供蒸汽，極不經(jīng)濟(jì)，且將占據(jù)航母大量的空間和重量。

反應(yīng)快，可靠、易維護(hù)、效率高

電磁彈射器利用直線電機(jī)進(jìn)行彈射、制動(dòng)并使往復(fù)車復(fù)位，在完全關(guān)閉的條件下不到15分鐘就能達(dá)到待用狀態(tài)；而蒸汽彈射器需要不斷給彈射槽加熱，在儲(chǔ)汽筒無(wú)蒸汽的情況下，達(dá)到待用狀態(tài)需要數(shù)小時(shí)。

蒸汽彈射器工作時(shí)，活塞在蒸汽的作用下沿汽缸運(yùn)動(dòng)，機(jī)械磨損相對(duì)嚴(yán)重，需要不斷檢修，系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜性也使其可靠性降低。電磁彈射器用直線電機(jī)對(duì)艦載機(jī)加速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電力電子變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都由民用成熟技術(shù)發(fā)展而來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，出現(xiàn)故障時(shí)具有快速糾錯(cuò)的能力，使電磁彈射器具有很高的可靠性。

蒸汽彈射器在使用中需要大量的人力，電磁彈射器可實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行，提供故障和維護(hù)信息，大大減少檢修工作量和對(duì)人員數(shù)量的需求(相比蒸汽彈射器減少30％左右)，全壽期費(fèi)用低。

在能量利用率方面，典型的蒸汽彈射器一次彈射作業(yè)一般要消耗614千克蒸汽，每次彈射結(jié)束都有大量蒸汽被排出，帶走大量能量，其效率一般在4％～6％之間。電磁彈射器的效率可達(dá)到60％甚至更高，彈射作業(yè)時(shí)對(duì)能量的需求大為降低。

易于控制和調(diào)節(jié)，可彈射艦載機(jī)的范圍廣

電磁彈射器可在幾百微秒內(nèi)不斷修正推力偏差，將推力峰一均比控制在1.05以內(nèi)，對(duì)艦載機(jī)的作用力均衡。蒸汽彈射器沒(méi)有閉環(huán)控制系統(tǒng)，彈射時(shí)對(duì)艦載機(jī)的推力峰一均比最大可達(dá)到2.0，對(duì)艦載機(jī)的機(jī)身的作用力極不均衡，易造成艦載機(jī)機(jī)體的疲勞損傷。

蒸汽彈射器最大的彈射能力足夠當(dāng)前的固定翼有人艦載機(jī)使用，其最大彈射能力約為101.69兆焦。電磁彈射器擴(kuò)展了航母使用飛機(jī)的能力范圍：電磁彈射器彈射飛機(jī)的最大能力約為122兆焦，能使更重和起飛速度更高的飛機(jī)上艦。從美國(guó)海軍當(dāng)前的艦載機(jī)發(fā)展情況來(lái)看，短期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)更重的艦載機(jī)，因而，電磁彈射器目前最明顯的優(yōu)勢(shì)之一在于，它能夠通過(guò)調(diào)節(jié)電流等措施，對(duì)彈射力進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)，同時(shí)滿足彈射重型艦載機(jī)和輕質(zhì)艦載機(jī)《如較輕的無(wú)人機(jī)》的需要，而蒸汽彈射器不能對(duì)彈射力進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)，不能彈射輕質(zhì)無(wú)人機(jī)。

順應(yīng)艦艇全電化趨勢(shì)

艦艇的全電化是不可阻擋的趨勢(shì)，電磁彈射器與蒸汽彈射器相比，更加匹配全電化的航母。如果兩艘航母除了彈射器之外，其余系統(tǒng)均采用電力，那么，采用電磁

彈射器的航母將能夠提供更高的發(fā)電總量，也能夠?yàn)閺椛淦饕酝獾钠渌到y(tǒng)提供更多的電力。這是因?yàn)椋翰捎谜羝麖椛淦鞯暮侥?，其彈射器需要消耗大量的蒸汽，這部分蒸汽不能用于發(fā)電，在彈射艦載機(jī)時(shí)，效率也非常低，只有6％左右，因此該航母必須提供更多的能量給彈射器，導(dǎo)致其發(fā)電總量少，能夠供其他系統(tǒng)使用的電量也少。

而在采用電磁彈射器的全電化航母上，所有的系統(tǒng)都采用電力，航母可以將全部的能量轉(zhuǎn)化為電力，發(fā)電總量較蒸汽彈射器的航母多，航母可以根據(jù)需要對(duì)更多的電力進(jìn)行分配；電磁彈射器的效率可達(dá)60％甚至更高，它消耗的能量也遠(yuǎn)比蒸汽彈射器少，因而，同樣在彈射艦載機(jī)時(shí)，采用電磁彈射器的航母能夠?yàn)槠渌到y(tǒng)提供更多的電力。

與民用聯(lián)系緊密

首先，在研發(fā)上可借鑒民用技術(shù)。電磁彈射器最核心的技術(shù)之一是直線電機(jī)技術(shù)。直線電機(jī)有很強(qiáng)的民用基礎(chǔ)，電梯、機(jī)床、磁懸浮列車、軌道列車等都已經(jīng)運(yùn)用了這一技術(shù)，電磁彈射器可以在研制的過(guò)程中借鑒相關(guān)方面的研究成果。美國(guó)海軍研究電磁彈射器的牽頭單位是通用原子公司，磁懸浮列車就是該公司的業(yè)務(wù)領(lǐng)域之一，通用原子公司能夠在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝與其這方面的業(yè)務(wù)不無(wú)關(guān)系。電磁彈射器的其他關(guān)鍵技術(shù)，如飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、電力電子變換技術(shù)、控制技術(shù)均在民用技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)。20世紀(jì)80年代，正是因?yàn)橄嚓P(guān)的民用技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，人們看到了電磁彈射器以較低成本研制成功的曙光，才正式開(kāi)始了電磁彈射器的工程研制?？梢?jiàn)，民用技術(shù)本身的進(jìn)步已經(jīng)對(duì)電磁彈射器的研制起到了較強(qiáng)的推動(dòng)作用。

其次，有利于形成軍民良性互動(dòng)的發(fā)展局面。與蒸汽彈射器不同，電磁彈射器的研制成果將具有廣泛的民用市場(chǎng)，這種民用的前景已經(jīng)不是潛力，而是有實(shí)實(shí)在在的市場(chǎng)需求。如美國(guó)航空航天局(NASA)已在空間站安裝了48個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，可提供超過(guò)150千瓦的電能；美國(guó)得克薩斯大學(xué)研制的汽車用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其提供的能量能使?jié)M載車輛速度達(dá)到100千米／小時(shí)：德國(guó)西門子公司研制的長(zhǎng)1 5米、寬0.75米的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，可為火車提供3兆瓦的功率；中速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已用于關(guān)鍵的工業(yè)不間斷電源系統(tǒng)等。電磁彈射器的這些關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)為民用后，還可能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中變得更為成熟、可靠，在其取得重大突破時(shí)再通過(guò)技術(shù)移植進(jìn)一步提高電磁彈射器的性能，如此往復(fù)，形成一個(gè)軍用與民用良性互動(dòng)、共同提高的局面。

此外，從工業(yè)基礎(chǔ)的角度來(lái)看，由于電磁彈射器的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)有很強(qiáng)的民用背景，民用市場(chǎng)的支持使得相關(guān)的企業(yè)不需要過(guò)多的國(guó)防經(jīng)費(fèi)投入就能夠維持自己的生存和發(fā)展。相比之下，蒸汽彈射器只能用于航母，無(wú)法市場(chǎng)化，每年都需要大量的經(jīng)費(fèi)投入才能維持其生產(chǎn)線。英國(guó)是蒸汽彈射器的發(fā)明國(guó)，但由于英國(guó)二戰(zhàn)后發(fā)展的航母不采用蒸汽彈射器，該國(guó)早已沒(méi)有了蒸汽彈射器的生產(chǎn)企業(yè)；法國(guó)雖然使用蒸汽彈射器，但選擇從美國(guó)購(gòu)買，而不是自己研制生產(chǎn)，其原因與維護(hù)蒸汽彈射器的生產(chǎn)線需要大量經(jīng)費(fèi)不無(wú)關(guān)系。相信隨著相關(guān)民用技術(shù)的進(jìn)步，有朝一日，電磁彈射器很可能將不為美國(guó)所獨(dú)有，其他國(guó)家也可以在相關(guān)的民用技術(shù)基礎(chǔ)上研制出電磁彈射器，并繼續(xù)保持這種能力。

電磁彈射器能夠與某些軍用系統(tǒng)在技術(shù)上相互借鑒

電磁彈射器與電磁炮有相同的基本原理，它們?cè)诩夹g(shù)上能夠更多地相互借鑒。電磁炮、激光武器，電熱化學(xué)炮等都需要大量的脈沖電力，艦艇要能提供這么高的脈；中電力，必須利用儲(chǔ)能系統(tǒng)，這與電磁彈射器類似。相應(yīng)地，為了能夠?qū)?chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的電力按照需要的電壓、電流、頻率等參數(shù)輸出，電力電子變換必不可少，這些系統(tǒng)在這方面的要求與電磁彈射器接近，都有電流和電壓大、瞬時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。另外，上述系統(tǒng)要能夠按照預(yù)想的方式工作，良好的控制也是必不可少的，電磁彈射器的大電流控制技術(shù)與上述系統(tǒng)也具有較高的相似性。此外，電磁彈射器的儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力電子變換系統(tǒng)也是綜合電力系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)。

電磁彈射器與其他軍用高能系統(tǒng)的諸多相似性決定，其四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均能與其他軍用系統(tǒng)或多或少地產(chǎn)生“共鳴”，如果電磁彈射器的研究超前，將能夠?qū)ι鲜龈吣芟到y(tǒng)的研制產(chǎn)生帶動(dòng)作用，反之，電磁彈射器也可以借鑒上述高能系統(tǒng)的研究成果。

美海軍電磁彈射器研制面臨的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

2007年8月，美國(guó)總審計(jì)署發(fā)布的評(píng)審報(bào)告稱，由于技術(shù)難度大，且難以滿足海軍的需求，電磁彈射器在完成系統(tǒng)整合階段時(shí)，已經(jīng)延期超過(guò)15個(gè)月，同時(shí)也已嚴(yán)重超支。但是“福特”級(jí)航母首艦已經(jīng)延期了一年時(shí)間，為電磁彈射器趕上裝艦使用的進(jìn)度又提供了契機(jī)。盡管承包商已去掉了進(jìn)度表上所有的時(shí)間余度，但是修改后的進(jìn)度表不足以應(yīng)對(duì)意料之外的測(cè)試和生產(chǎn)問(wèn)題。雖然承包商認(rèn)為系統(tǒng)整合中出現(xiàn)的問(wèn)題已經(jīng)解決，而且電磁彈射器也會(huì)按時(shí)交付，但是時(shí)間依然十分緊迫，在未來(lái)的電磁彈射器研制、試驗(yàn)或生產(chǎn)過(guò)程中，不能出現(xiàn)任何重大問(wèn)題和差錯(cuò)。

一旦電磁彈射器的研制趕不上“福特”號(hào)航母的建造進(jìn)度，美國(guó)海軍將只有兩種選擇：其一，推遲“福特”號(hào)航母的建造和服役進(jìn)度，為電磁彈射器的研制爭(zhēng)取更多時(shí)間。只要電磁彈射器不是面臨不可逾越的技術(shù)障礙，這將是最可能出現(xiàn)的情況，美國(guó)可以延長(zhǎng)現(xiàn)役航母的服役時(shí)間，以彌補(bǔ)推遲“福特”號(hào)服役時(shí)間造成的影響。二是修改“福特”號(hào)航母的設(shè)計(jì)，對(duì)已經(jīng)建造完畢的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，重新采用蒸汽彈射器。但這種情況出現(xiàn)的可能性很小，除非電磁彈射器遇到了極大的技術(shù)困難。因?yàn)?，如果“福特”?hào)航母在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮采用蒸汽彈射器的可能，就需要改動(dòng)航母內(nèi)部的空間，以容納蒸氣管道、儲(chǔ)汽罐所需的空間，在各種空間已經(jīng)確定的情況下，這種改動(dòng)難度將很大。此外，重新采用蒸汽彈射器將使“福特”號(hào)航母的部分性能難以充分發(fā)揮，如發(fā)電能力將受到影響，其電氣化程度將大打折扣。