電磁彈射的發(fā)展和應(yīng)用前景

王婧賢

（石家莊市第一中學(xué)，河北 石家莊 050035）

航母戰(zhàn)斗力的發(fā)揮依賴于各種艦載機(jī)，艦載機(jī)能適應(yīng)多種海洋環(huán)境，可以對(duì)地面、海上甚至空中目標(biāo)造成強(qiáng)有力的打擊，具有很強(qiáng)的戰(zhàn)斗力。因此，艦載機(jī)的起飛能力和效率很大程度上決定著航母編隊(duì)的作戰(zhàn)能力。

當(dāng)前艦載機(jī)有以下幾種起飛方式：（1）滑跑起飛，是在末端翹起的甲板上直接加速獲得升力來(lái)起飛，類似于飛機(jī)起飛。（2）彈射起飛，是利用彈射器助推使飛機(jī)獲得更高的加速度，這樣對(duì)甲板的長(zhǎng)度要求得以降低，但對(duì)艦載機(jī)的強(qiáng)度要求會(huì)升高。（3）垂直起飛，是利用向下高溫高速氣流的噴射獲得向上的反作用力直接起飛，但是起飛時(shí)需要大量燃料，效率低且安全性低。

電磁彈射是將電能轉(zhuǎn)化為電磁能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為拋射物體所需的瞬時(shí)動(dòng)能，從而完成對(duì)物體推進(jìn)的技術(shù)。電磁彈射技術(shù)具有彈射效率高、彈射能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好、易于控制、易于維護(hù)等諸多優(yōu)勢(shì)。

1 電磁彈射系統(tǒng)的原理及組成

1.1 物理原理

電磁彈射系統(tǒng)是采用電能轉(zhuǎn)化為磁能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為載荷所需動(dòng)能來(lái)推動(dòng)物體快速達(dá)到一定速度的系統(tǒng)。作為電磁彈射器動(dòng)力裝置的是直線電機(jī)，系統(tǒng)輸入強(qiáng)大的電流使線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而給予與磁力模塊相連接的“往復(fù)車”能量使其加速，推動(dòng)戰(zhàn)機(jī)加速起飛。

1.2 硬件組成和工作流程

電磁彈射系統(tǒng)主要包括直線電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電力電子系統(tǒng)等。其中，儲(chǔ)能系統(tǒng)是在一定時(shí)間內(nèi)從航母配電系統(tǒng)中獲取并儲(chǔ)存足夠能量，然后再在極短時(shí)間內(nèi)釋放。電力電子系統(tǒng)是用來(lái)控制脈沖放電，從而控制直線電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)各種信息進(jìn)行綜合處理，保證各個(gè)裝置正常運(yùn)行。這些裝置系統(tǒng)一起配合運(yùn)行，達(dá)到最佳的彈射效果。如圖1所示為電磁彈射系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 電磁彈射系統(tǒng)的工作流程

2 電磁彈射的主要難點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 直線電機(jī)技術(shù)

在大載荷、低初速的飛機(jī)電磁彈射情況下，需要要求彈射器具有很高的效率和推力/體積比，這就需要成熟的直線電機(jī)技術(shù)。電磁彈射器不僅要求直線電機(jī)的輸出推力足夠大，還需要推力波動(dòng)盡量小，以防止產(chǎn)生的沖擊和過(guò)應(yīng)力對(duì)飛機(jī)及相關(guān)設(shè)備造成損害。提升直線電機(jī)推力性能和抑制其推力波動(dòng)是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，其關(guān)鍵技術(shù)就在于電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和高性能的控制方法。

直線電機(jī)可以將電能直接轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)能。直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，主要具有易于維護(hù)、定位精度高、響應(yīng)時(shí)間短和可靠性高的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有電磁彈射器的直線電機(jī)主要有永磁直線電機(jī)、直線感應(yīng)電機(jī)和直線磁阻電機(jī)三類。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)

電磁彈射器需要在幾毫秒內(nèi)將發(fā)射體推射到高速度，對(duì)電源有非常高的要求。儲(chǔ)能技術(shù)也成為電磁發(fā)射技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，目前主要有飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容兩種。

2.2.1 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能的基本原理是把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)體的動(dòng)能進(jìn)行能量存儲(chǔ)。在儲(chǔ)能階段，通過(guò)電動(dòng)機(jī)做功于飛輪，使飛輪本體加速到一定的轉(zhuǎn)速，擁有一定的機(jī)械能，達(dá)到儲(chǔ)存能量的效果；在能量釋放階段，通過(guò)飛輪向外做功，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，從而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 飛輪儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 超級(jí)電容器

作為一種新型儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容器利用電極與電解質(zhì)之間形成的的界面雙層來(lái)儲(chǔ)存能量，其能量密度和比功率都高于一般儲(chǔ)能裝置，工作溫度范圍長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)且無(wú)污染。如圖3所示為超級(jí)電容的基本結(jié)構(gòu)。

圖3 超級(jí)電容結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 其他關(guān)鍵技術(shù)

抑制電磁彈射過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的影響也是一項(xiàng)重要內(nèi)容。彈射過(guò)程中機(jī)載電子設(shè)備可能會(huì)受到電磁強(qiáng)脈沖的影響，這就需要通過(guò)電磁屏蔽技術(shù)來(lái)減弱這種影響。此外，開(kāi)展電磁兼容與高電壓安全性方面的研究將有利于建立裝備安全的試驗(yàn)評(píng)估系統(tǒng)，為裝備的發(fā)展提供保障。

3 電磁彈射的應(yīng)用前景

電磁彈射技術(shù)表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)十分突出，直接指明了對(duì)發(fā)射技術(shù)的重點(diǎn)研究方向，艦載機(jī)利用電磁彈射器進(jìn)行彈射起飛，能量利用率將大大增加，節(jié)約了更多能源，同時(shí)彈射效率和可靠性更高，將會(huì)大大提高航母戰(zhàn)斗力。

4 結(jié)語(yǔ)

電磁彈射器對(duì)航空母艦戰(zhàn)斗力的提升助力極大。電磁彈射技術(shù)是將電能間接轉(zhuǎn)化為拋體動(dòng)能的技術(shù)，具有效率高、易維護(hù)、易控制等很多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。此外，電磁彈射技術(shù)可運(yùn)用電磁炮和衛(wèi)星發(fā)射等領(lǐng)域，應(yīng)用于電磁彈射系統(tǒng)的直線電機(jī)技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，電磁彈射技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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