美軍最新型“福特”級航母上的電磁彈射系統(tǒng)

宮春科

據(jù)中國國防科技信息網(wǎng)報道，通用原子公司獲得為美海軍建造的第二艘“福特”級航母提供電磁彈射系統(tǒng)的合同?！案Ｌ亍奔壓侥甘?0多年來美國航母發(fā)展歷程上的一個里程碑，從飛行甲板、艦體、艦島、動力單元到航空設(shè)施的設(shè)計(jì)配置，都異于以往航母，引進(jìn)了眾多突破性新技術(shù)，打破了以往延續(xù)半個世紀(jì)之久的航母設(shè)計(jì)慣例。全面采用電磁彈射系統(tǒng)取代蒸汽彈射系統(tǒng)就是其重要標(biāo)志之一。

按部就班的成長歷程

“福特”級第2艘航母“肯尼迪”號設(shè)想圖

“福特”級航母的電磁彈射系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電磁彈射軌道組成。供電系統(tǒng)由電動機(jī)、飛輪儲能裝置和大功率發(fā)電機(jī)組成。“福特”級航母共有4個彈射器，每個彈射器由2套供電系統(tǒng)和1套電磁彈射軌道組成。電磁彈射系統(tǒng)利用直線感應(yīng)電機(jī)的直線運(yùn)動，帶動艦載機(jī)加速到起飛速度，其工作原理是：直線感應(yīng)電機(jī)的固定部分輸入交流電后，產(chǎn)生交變磁場，磁場在直線感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)動部分產(chǎn)生感應(yīng)電流，使運(yùn)動部分變?yōu)橛懈袘?yīng)電流的導(dǎo)體，該部分就會受到電磁驅(qū)動力的作用向前運(yùn)動。電磁驅(qū)動力和電流的平方成正比，只要能夠保持電流輸出達(dá)到足夠的量，便能產(chǎn)生以平方數(shù)量增加的電磁推動力，確保運(yùn)動部分有感應(yīng)電流的導(dǎo)體（艦載機(jī)或動能彈等）在足夠推力的推動下，達(dá)到起飛速度。此原理及作用和電磁炮是相同的。

美軍蒸汽彈射器與飛機(jī)鏈接裝置滑梭

電磁彈射系統(tǒng)第一階段的實(shí)驗(yàn)大致完成于2008年9月。通過1萬次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了彈射系統(tǒng)的電力、熱力設(shè)備的性能及儲能系統(tǒng)的充放電頻率，通過每天近250次高強(qiáng)度模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并解決了電機(jī)振動問題，降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和壽命。2009年7月，電磁彈射系統(tǒng)完成了海上真實(shí)環(huán)境、電力熱動力滿功率系列實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了設(shè)備在最大熱區(qū)間的電動發(fā)電機(jī)的可操作性，降低了彈射器的系統(tǒng)風(fēng)險。2009年9月以后，美國還先后進(jìn)行了高加速壽命實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)功能演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、電磁干擾屏蔽實(shí)驗(yàn)等等，也取得了一定的進(jìn)展。

美軍日常維護(hù)蒸汽彈射器

“槍彈”結(jié)合讓電磁彈射進(jìn)入運(yùn)用新階段。2010年12月18日，美國海軍成功使用電磁彈射系統(tǒng)彈射成功F/A-18E“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗攻擊機(jī)，此后又繼續(xù)對T-45C艦載教練機(jī)、E-2D艦載預(yù)警機(jī)、EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)等所有型號現(xiàn)役戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行了電磁彈射實(shí)驗(yàn)，均獲得成功。

2009年6月，美國正式?jīng)Q定在“福特”級航母上安裝電磁彈射系統(tǒng)，并授予通用原子公司研制合同。合同規(guī)定，該公司于2015年7月交付相關(guān)硬件，首艘“福特”級航母預(yù)計(jì)于2017年交付美國海軍。在即將交付該系統(tǒng)硬件時刻，通用原子公司獲得第二艘“福特”級航母電磁彈射系統(tǒng)建造合同（該航母預(yù)計(jì)將于2022年交付美國海軍）。這體現(xiàn)了美國政府和軍方對前一階段與通用公司合作研制的電磁彈射系統(tǒng)比較滿意，關(guān)于電磁彈射各項(xiàng)研制的進(jìn)展及性能達(dá)到了預(yù)期。

全面超越的彈射系統(tǒng)

常規(guī)固定翼艦載機(jī)在航母上的起飛方式包括滑越式和彈射式兩種?；绞绞翘K聯(lián)和其軍事技術(shù)主要繼承國俄羅斯采用的起飛方式，即依靠自身滑翔慣性起飛，這種方式要求飛機(jī)重量輕，因此效率較低，影響有效載荷和作戰(zhàn)效能。目前較為通用的是彈射方式，借助外部力量實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)起飛。彈射起飛方式以蒸汽彈射為主，但隨著現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)性能、質(zhì)量、速度的提高，蒸汽彈射已難以滿足發(fā)展要求，因此美國等軍事強(qiáng)國正在競相研制采用電子和電氣技術(shù)的彈射系統(tǒng)，以取代蒸汽彈射系統(tǒng)。電磁彈射系統(tǒng)是一種利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力將艦載機(jī)在航母甲板上加速到起飛速度的彈射裝置。是用蒸汽力還是電磁力來推動艦載機(jī)上天是兩種彈射系統(tǒng)最根本的不同所在。形象地說，二者的差如同是弓弦推動箭矢前進(jìn)與火藥催動彈頭前進(jìn)的不同那么大，電磁彈射的性能作用較之蒸汽彈射呈幾何級上升，可全面超越取代蒸汽彈射，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面。

“福特”級航母結(jié)構(gòu)示意圖

推力靈活可控。蒸汽彈射系統(tǒng)彈射功率相對固定，調(diào)節(jié)空間小，無法彈射質(zhì)量較低的無人機(jī)和質(zhì)量超重的大型航空器。電磁彈射比蒸汽彈射具有更大的輸出調(diào)節(jié)范圍，彈射重量范圍為200千克～45噸，彈射速度范圍為100～4000千米/時，也就是說，利用蒸汽彈射無法在航母上起飛輕重不一的無人機(jī)、大型預(yù)警機(jī)、運(yùn)輸機(jī)及各種新型飛機(jī)，在電磁彈射作用下均可在航母甲板上起降。除此以外，電磁彈射系統(tǒng)將比蒸汽彈射系統(tǒng)讓飛機(jī)多載重8%～15%，彈射時平均加速度只有蒸汽彈射的1/3。也就是說，電磁彈射飛機(jī)有效載荷更大，起飛時對飛行員的沖擊更小。

效率高成本低。蒸汽彈射系統(tǒng)能量效率只有6%，電磁彈射系統(tǒng)高達(dá)60%。蒸汽彈射系統(tǒng)在使用前預(yù)熱需十幾個小時甚至24小時，電磁彈射系統(tǒng)從關(guān)閉時的冷鐵狀態(tài)到發(fā)射準(zhǔn)備狀態(tài)只需15分鐘。蒸汽彈射系統(tǒng)質(zhì)量為538噸，體積為1133立方米，是“福特”級航母電磁彈射系統(tǒng)預(yù)計(jì)質(zhì)量、體積的2倍。蒸汽彈射系統(tǒng)一次彈射作業(yè)需消耗614千克蒸汽，耗用航母大量淡水資源和加熱淡水所需要的能源，這對裝載量無法無限增加的航母來說無疑是頑疾，而電磁彈射的彈射功率僅為41.5兆瓦/小時。除此以外，電磁彈射系統(tǒng)還省掉了蒸汽彈射系統(tǒng)數(shù)噸的配套設(shè)備和排布眾多、占空間極大的蒸汽管線，大大減少了質(zhì)量、空間，使系統(tǒng)更加簡化，便于維修。蒸汽彈射被稱為“硬彈射”，彈射系統(tǒng)運(yùn)行時沒有反饋控制，彈射產(chǎn)生的瞬間拖動力易對飛機(jī)產(chǎn)生較大損傷，降低了飛機(jī)使用壽命。而電磁彈射被稱作“軟彈射”，直流電動機(jī)可產(chǎn)生較低的峰值推力和均值推力，從而減少彈射時傳遞給飛機(jī)的沖擊載荷，由于飛機(jī)所受的應(yīng)力降低，使用電磁彈射的艦載機(jī)使用壽命比蒸汽彈射系統(tǒng)延長31%。

形成戰(zhàn)力還需時日

任何新事物在產(chǎn)生初期都會存在一系列問題，“福特”級航母上的電磁彈射系統(tǒng)也不例外，但新事物都是在克服和解決問題中不斷成長壯大，從而迸發(fā)出無以倫比的適應(yīng)力。就目前掌握的資料來看，“福特”級航母上的電磁彈射系統(tǒng)需要并正在克服的問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

重量需求超過預(yù)期導(dǎo)致航母其他位置重量需重新分配。從理論上看，電磁彈射系統(tǒng)無論從重量還是體積上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的蒸汽彈射系統(tǒng)。然而，整個“福特”級航母除了安裝電磁彈射系統(tǒng)外，還包括升級的核動力裝置，更大的甲板、更先進(jìn)的攔阻索技術(shù)、雙波段雷達(dá)、更多的艦載機(jī)等，不僅舊的裝置技術(shù)有革命性改進(jìn)，還有新的裝備技術(shù)需要上艦，對電磁彈射系統(tǒng)的各種設(shè)備的體積、重量提出了新要求。而各種設(shè)備的體積、重量均處于未定型狀態(tài)。海軍確定的電磁彈射系統(tǒng)需求分離了電磁彈射系統(tǒng)的部件，使整個系統(tǒng)重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最初設(shè)計(jì)重量，為了保持整個艦體的平衡，其他位置的重量不得不重新分配，這直接影響到其他部位新型設(shè)備的設(shè)計(jì)，可以說牽一發(fā)而動全身，與此同時，其他部位設(shè)備設(shè)計(jì)改變與否，也將影響沖擊到彈射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作，影響到整個艦體的布局，最終出臺的實(shí)施方案可能與初步設(shè)想大相徑庭，其性能作用也具有較大的不可預(yù)期性。

電磁屏蔽減少人體傷害和電磁干擾問題。如同磁懸浮列車一樣，電磁彈射裝置也會產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖式電磁輻射波，對人體造成一定程度的傷害。航母上的電磁彈射產(chǎn)生的脈沖輻射波不僅會對人體造成傷害，而且會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，影響其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行。由于產(chǎn)生電磁波的主體是開縫的電磁軌道，更是增加了輻射的強(qiáng)度和屏蔽的難度。如何屏蔽降低輻射，減輕電磁輻射對人體產(chǎn)生的傷害和對其他電磁設(shè)備產(chǎn)生的干擾，也是“福特”級航母電磁彈射系統(tǒng)必須面臨并解決的問題。

快速散熱減少彈射間隔期提高彈射效率問題。電磁彈射系統(tǒng)運(yùn)行過程中，巨大功率施加到電磁模塊后，設(shè)備溫度會急劇升高，溫度升高導(dǎo)致彈射所需要的力量源磁場強(qiáng)度不斷下降，只有溫度恢復(fù)常態(tài)后，才能再次進(jìn)行艦載機(jī)彈射。否則，高溫會損壞產(chǎn)生磁場的導(dǎo)軌。

此外，研制經(jīng)費(fèi)超過預(yù)期，壓縮撥款是否影響研發(fā)進(jìn)度，制約部分系統(tǒng)預(yù)期，以及電磁彈射系統(tǒng)在功能運(yùn)行過程中產(chǎn)生的震動和擺動對整個艦體平衡影響的不可預(yù)期性等問題，都有待進(jìn)一步解決。這些問題的存在都將注定電磁彈射系統(tǒng)和其他新型裝備與“福特”級航母系統(tǒng)的磨合之路絕不是一帆風(fēng)順的，必將面臨著新的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。

千里之行，始于足下。電磁彈射系統(tǒng)以及和其一起將在“福特”級航母上列裝的激光炮及電磁炮等新概念武器，即將和“福特”級航母建造、試航、服役一道，用嶄新的理念、先進(jìn)的技術(shù)翻開科技和軍事史上嶄新的一頁。

責(zé)任編輯：彭振忠