電磁彈射器

電磁彈射器是航空母艦上的一種艦載機起飛裝置，已由美國最新下水的（2013年10月11日）福特號航母首先裝備。與傳統的蒸汽式彈射器相比，電磁彈射具有容積小、對艦上輔助系統要求低、效率高、重量輕、運行和維護費用低廉的好處。是未來航空母艦的核心技術之一。

彈射器（系統）由4個子系統組成：①來自艦上電源的能量的貯存子系統把提供的能量貯存起來；②能量轉換子系統，它把貯存的能量轉變成高頻脈衝，可控制的能量輸出以驅動線性感應電動機；③線性感應電動機本身就是彈射電動機；④控制台，由操作人員設定彈射參數並監視整個系統。

基本介紹

• 中文名：電磁彈射器
• 組成部分：強迫儲能裝置、電力電子系統等
• 優點：飛機發射過程加速均勻且力量可控
• 類型：艦載機起飛裝置

物品介紹

20世紀40年代，美國海軍曾經利用感應電動機設計技術，建造線性電動機並對飛機進行彈射試驗。然而由於該系統成本太高，在二次世界大戰結束時就放棄了電磁彈射器（電磁彈射器）的開發研究工作。由於艦載飛機重量不斷增加和起飛速度的提高，1978年美國海軍又重新開始對電磁彈射器進行開發，目的是解決目前使用的蒸汽彈射器不能滿足艦載飛機重量增加和起飛速度提高的問題。從1992年開始進行概念可行性研究，1998年海軍電磁彈射器小組研製了小比尺模型，大小為彈射電動機實際尺寸的一半（12英尺），電磁彈射器小組分別對其進行了彈射、制動和回收的演示。並用該模型做了性能和電磁輻射場試驗，證明埋在飛行甲板上槽型結構中的電動機的電磁輻射場符合禁止要求。該電磁彈射器能夠彈射範圍很寬的有人和無人駕駛的飛機，從小型的靶機到大型的戰鬥機，例如聯合攻擊戰鬥機。通常海軍艦船，尤其是航空母艦上的蒸汽和液壓裝置維修很麻煩，維修勞動強度大，運行成本高。這是海軍考慮投資3.22億美元，制訂7年計畫製造電磁裝置取代在航空母艦上使用幾十年的蒸汽彈射器的主要原因。根據20世紀90年代的研究，在1999年與兩個主要承包商諾斯羅普·格魯曼（NorthropGrumman）和通用原子（GeneralAtomics）簽訂了初步契約，還與其他分承包商簽訂了許多子契約，各獨立開發演示系統並將完成最終契約。根據契約，通用原子公司和諾斯羅普·格魯曼（NorthropGrumman）航海系統等兩個承包商進行的早期開發階段將在2003年末結束。隨後，將進一步制訂開發該技術的5年工程計畫，在制訂該計畫之前，對海軍艦隊未來的套用的可能性進行了評估。根據當時的評估，到2005年，海軍設計師可以在航空母艦上開始用電磁彈射器取代巨大的蒸汽彈射器。這些系統將安裝在2013年左右投入運行的下一代航空母艦CVNX-1上。其後續航空母艦CVNX-2除了將採用電磁彈射器外，還可能安裝電磁阻攔飛機裝置取代現有的阻攔裝置。2003年美國海軍正式將CVNX-1(CVN-78)和CVNX-2(CVN-79)合併為CVN-21項目。

優點

電磁彈射器與蒸汽彈射器比較具有許多優點：能簡化艦上維修工作，電磁彈射器將“自動進行狀態監測”，發出系統失效的預報和在完成維修工作後跟蹤可維持保持多少次彈射。據Sulich估計，海軍用它可以比用蒸汽彈射器節省勞動力成本達30%以上，由此幾年節省下來的費用足以抵消開發電磁彈射器的成本；電磁彈射器的另一個重要優點是精度高。它將使海軍擴大航空母艦上彈射從輕型到重型飛機的能力，有更好的“高精確度控制彈射和回收”；電磁彈射器將允許用閉路控制整個彈射過程，減少彈射應力並對彈射性能進行更加嚴密的控制；減少對飛機的作用力；其重量和體積大約只有蒸汽彈射器的一半。電磁彈射器與海軍正在努力研製的全電力系統艦匹配。它將有更好的控制，安排程式的適應性以及更好利用動力來進行操作監視。此外，為了更換目前使用的液壓系統，電磁彈射器設計可以製造目前艦所使用的電力為基礎的飛機阻攔系統。

組成部分

分別介紹如下：

電源裝置

電磁彈射器用的是直流電源，而且在電磁彈射器工作時是負荷衝擊性非常大。雖然有了儲能裝置，但由於要求彈射器在很短時間內起飛更多架次的飛機，所以對電磁彈射器的電源容量要求也比較大，一般容量在5~8KVA左右（但輸出電壓卻不高）。這么大的功率的交流發電機當然不是問題，但如果是直流發電機則必須是無刷穩流直流發電機，否則滑環的強大電流會灼傷換向器。

直線電機的原理並不複雜．構想把一台旋轉運動的感應電動機沿著半徑的方向剖開，並且展平，這就成了一台直線感應電動機。在直線電機中，相當於旋轉電機定子的，叫初級；相當於旋轉電機轉子的，叫次級。初級中通以交流，次級就在電磁力的作用下沿著初級做直線運動．這時初級要做得很長，延伸到運動所需要達到的位置，而次級則不需要那么長。實際上，直線電機既可以把初級做得很長，也可以把次級做得很長；既可以初級固定、次級移動，也可以次級固定、初級移動。然而，電磁彈射器也決不是僅靠直線電機工作的，它總共有強迫儲能裝置、大功率電力控制設備、中央微機工控控制及直線感應電機

強迫儲能裝置

強迫儲能裝置是電磁彈射器的核心部件，它不僅緩解了發電機的壓力，同時在彈射器不工作時吸收發電機的能量，使發電機幾乎不受衝擊性負荷的影響。強迫儲能裝置原理不複雜，但實施起來很麻煩。早期美國使用的強迫儲能裝置是這樣的：用一個交流發電機給一個交流電動機供電，這其實很容易辦到，但這個電動機的轉子同時拖動直流發電機和一個慣性特別大的自由轉子（約上百噸）一起旋轉。

我們知道，這么重的自由轉子起動起來有一定的難度，然而這么重的自由轉子運行到高速時具有非常大的動能。而在彈射器工作時，在發電機看來是接近短路的電流會產生強大的制動力阻止發電機繼續運行，電動機將無能力拖動，但此時由自由轉子強大的儲能強制拖動直流發電機運行，從而完成衝擊性負荷過程。自由轉子會因此速度降低，但起動結束後電動機會在發電機沒有負荷下把自由轉子拖動到一定的速度，從而完成儲能。但需要說明的一點是，這裡的電動機既不是鼠籠式電機，也不是繞線式電機，還是轉子有一家電感及線圈的電機。

電磁彈射系統的強迫儲能系統要求在45秒內充滿所需要的能量。最大的艦載機起飛一般需要消耗的能量不會超過120兆焦,而這強迫儲能系統最大能儲存140兆焦的能量,此時充電功率為3.1兆瓦,算上損失,4兆瓦左右（實際上達不到的），四部電磁彈射系統同時充電,充電總功率可達16兆瓦（1兆瓦=1000KW），可見沒有強大的電源是無法滿足電磁彈射需求的。當然，航母上耗電的又豈止是四部電磁彈射器，另外還有電磁軌道炮、升降機、雷射（雷射的功率都不算大）等其它用電加起來的話必須要航母總功率達60兆瓦以上,否則電磁彈射器充電時也會影響其它系統用電的。

直線電機

磁懸浮列車就是用直線電機來驅動的。關於直線感應電機實際上原理簡單，在實際生活中也可遇到不少。美國的電梯轎廂門就是採用直線電機驅動，而中國在還大部分停在車床上等不太多的場合。用於電磁彈射器的直線電機與它們相比可謂超功率的，而且其工藝方面也比普通的高。電磁彈射器的直線電機動子是採用鋁筒（大部分材料為鋁），為U型狀，其中3面與直線電機的定子相對，其中往復道與航母存在摩擦外，其餘均不會產生摩擦，而且鋁筒質量輕，遠遠小於蒸汽彈射器的活塞，因此返回非常容易，減速道也可短的多。實際上，其中動子部分一部分專家認為還可以進一步減輕，那么電磁彈射器效率是明顯的.

在整個電磁彈射系統中，彈射電動機是電磁彈射系統的核心組成部分，是一種把輸入的電能轉換為動能，從而在一定距離內推動艦載飛機加速至規定彈出速度的功率執行部件[5]。直線電機既是系統動力的提供者，同時又是整個電磁彈射系統所要控制的對象，因此直線電機本身就是系統主要組成部分之一，直線電機性能的好壞對整個電磁彈射系統有著直接的影響。目前國際上主要通過對直線感應電機，直流電勵磁同步電動機，直線永磁同步電動機和超導磁體直線同步電動機進行對比分析，研究各種類型的直線電機在電磁彈射系統當中的套用以及相應的控制策略。

控制系統

控制系統是整個EMALS 系統的大腦，通過運算控制程式，大量的位置、溫度、速度等不同類型的感測器，不間斷地指揮、監視著EMALS 全系統的工作。控制系統要根據飛機類型、環境氣候、航母運行狀態，發出控制指令，按照要求使飛機達到起飛速度。同時，通過控制，還要使發電、儲能、電力電子分系統高度協同，從而使系統工作獲得高速度、高精度和高可靠性。力的載入時間、大小控制非常關鍵。通過載入方式的改變，一方面滿足飛機起飛要求，另一方面，儘可能降低對電力電子系統、電源、儲能系統的衝擊。另外，還要儘量使管理對象模組化，即不同類型飛機對應一個模組，同一類型飛機不同環境條件對應一個子模組。這樣，便於進行“傻瓜式”操作，提高工作效率。該控制系統應該是艦上計算機集成指揮系統的子系統，必須建立良好的上下游通訊、控制聯繫。

導軌

電磁彈射器的導軌與電磁軌道炮的差異很大，也比其複雜的多。

電磁彈射器的導軌共有4個，分別為上部2個，下部2個。但每跟導軌都非常長（200米以上），安裝在起飛甲板的下面。並且每跟導軌內部均有超導體與其熔接，中間是高壓冷卻油，其冷卻油在進入導軌前的溫度低於-40℃，而從導軌出口的溫度低於-30℃。不僅如此，導軌與飛機牽引桿的接觸面至導軌中心還有很多特細的小孔，所以其冷卻油不僅僅是為超導體降溫，還有潤滑的作用，而且會使飛機牽引桿在運行時降溫。

飛機牽引桿是在飛機前輪下與飛機前輪連為一體的裝置，可收縮並放置在飛機的腹腔內。其中間也為超導體，但無油冷卻通道，而且與導軌連線處面積較大，均為軟接觸。在起飛前，飛機牽引桿伸出至上下導軌之間，飛機發動機起動並開如運行，但約一秒鐘時彈射器通電，強大的電流從導軌經飛機牽引桿後再流回另一對導軌並形成迴路，牽引桿在強大的電磁力下被推動運行到高速（未到起飛速度，但只差一點）後電流被強制截止，牽引桿將不再受力，但在飛機發動機的推力下達到起飛速度。為什麼未達到起飛速度就斷電呢？是因為由於飛機牽引桿與飛機連為一體，如果這時繼續通電的話，飛機起飛時將把飛機牽引桿拉出，斷電時會產生強大的電弧灼傷飛機牽引桿。

脈衝發生器

以上過程實際上是脈衝發生器（電力電子系統控制儲能系統脈衝放電，調節直線電機轉速）完成的。蒸汽彈射器為使發動機與彈射器同步運行（縮短起飛距離），用一根鋼棍先擋住飛機運行，由於飛機發動機推力無法推斷鋼棍，但與彈射器合力卻可推斷鋼棍，從而使飛機在彈射器與發動機合力下起飛。但電磁彈射器卻無需鋼棍擋住，在飛機起飛時電磁彈射器同步通電，但電流是逐漸增加起來，而且在起飛末段將電流截止。

輔助系統

即冷卻系統、預加動力裝置、減速緩衝與剎車裝置等。

設計

美國海軍正在研究用電磁彈射器取代當前和未來航空母艦上使用的蒸汽彈射器的工作。目前，電磁彈射器設計的著重點放線上性同步電動機上，由脈衝盤式交流發電機通過循環變換器供電。平均功率由主平台獨立電源供給，在盤式交流發電機的轉子中貯存的動能，可在彈射的2～3s脈衝時間內釋放出來。這種高功率可給予循環變換器提高電壓和彈射電動機的頻率。線性同步電動機利用循環變換器輸出的功率將加速飛機下面的彈射滑塊的行程。始終提供“實時”閉合迴路控制。從主電源得到的平均功率經過整流後提供給反向變換器。利用反向變換器輸出的功率，在彈射的45s循環時間內，4台盤式交流發電機像電動機轉子那樣運轉。盤式交流發電機是雙重定子，軸向磁場的永磁機。轉子既作為動能貯存部件也作為產生電力的磁場源，把它放在2個定子之間。在定子上有2個分開的繞組，一組供電動機；另一組供發電機使用。電動機的繞組放在深糟中旨在便於向機殼外更好地散熱；發電機繞組接近空氣隙以減少脈衝時產生的電抗。採用高強度永磁體可以使用20對磁極，以便較好地利用整個有效面積。轉子由加預應力的Inconel合金鍛件箍提供，4台盤式交流發電機安裝在扭轉框內，並且成對以反向轉動的安裝，目的在於減少扭矩和旋轉效應。轉子以最大6400r/m的速度旋轉，每個轉子可貯存總計121MJ的能量，該能量可使轉子具有18.1kJ/kg的能量密度，不包括扭矩框。每台盤式交流發電機有6相，每相電阻和阻抗分別為8.6mΩ和10.4mH。在最大轉速下，每台盤式交流發電機輸出81.6MW的匹配負載。在最大彈射速度時，輸出的頻率是2133Hz,而在脈衝結束時，頻率則會降低到1734Hz。電機的勵磁由放在轉子罩內的磁能積為35高·奧斯特的NdFeB永磁體提供的。該磁體在40℃下有剩磁感應1.05T,並在工作氣隙產生平均磁通量密度0.976T,齒的磁通密度約1.7T。定子由240個有效槽，沿著徑向槽的疊層芯和液態冷卻板組成。背鐵產生的最大電動勢（EMF）是1122V。最大輸出電壓是1700V（峰值），每相的峰值電流是6400A。每台盤式交流發電機的總效率是89.3%，每台發電機總損耗為127kW。發電機的散熱是通過定子外面的冷卻板進行的。冷卻的WEG混合劑流量為151L/min。銅的平均溫度是84℃,這時背鐵溫度達61℃。

循環變換器或功率電子裝置一般是實現電磁彈射器安裝到艦上的關鍵技術。103m長的電動機，即功率電子裝置只有在通過線圈的特定時間內才起作用，而不是整個電動機。通過改變供電電壓和頻率，可使電磁彈射器在最有效位置內以全速移動。循環變換器是可換向的3f-1f橋式電路，通過一條橋式線路與另一條橋式線路的並聯/串聯的輸出而得到所要求的功率水平，並且本身不需要開關。這種設計取消了共用電流電抗器和串聯電容器。循環變換器的輸出頻率和電壓分別是0～644Hz和0～1520V。目前已完成循環變換器的模擬試驗，最大彈射速度時循環變換器輸出波形的峰值電流是6400A。

開關組件的冷卻是通過安裝在部件上的液體冷卻板來實現的。輸入的冷卻介質溫度為35℃，最大壓力為0.7MPa，流量為1363L/min的脫離子水。彈射電動機是一種線性同步“線圈槍”，開槽與蒸汽彈射器相同，以便讓滑塊在槽內往返移動。電動機本身是一對具有有效面積的面朝外的垂直定子結構。轉子或者滑塊（滑架）位於定子上面，像馬鞍形狀，位於飛行甲板上凸起的地方並與飛機連線。滑塊是由160塊完整的永磁體組成。在盤式發電機上使用同樣的永磁體。滑塊受兩軸上滾輪的限制，滾輪在焊成的定子框架的槽內移動，這可使定子和槽隨艦彎曲。滑塊將伴隨著這種裝置產生彎曲並始終保持著6.35mm的空氣隙。定子由0.640m長度的分段組成，高度為0.686m,厚度大約為0.076m。當滑塊通過各分段上面時就會產生彈射或制動作用。定位感應系統是以霍爾效應感測器為基礎的，很像目前旋轉的無刷換向電動機。定子通過飛行甲板上槽的偏置裝置進行保護。這是為了防止諸如噴氣燃料之類的污染物、螺母、螺栓、扳手和液壓流體等有可能通過槽口侵入槽內而影響定子工作。在定子之間用密封罩保護匯流排和靜態開關，用可控整流器控制輸送到定子段的功率。彈射用定子由稱為分段的模組單元做成，總共有298個分段，分布在兩側，每側設149個分段。對於整個彈射電動機，每一分段長0.640m。分段上的每個槽用6匝三相繞組疊加而成，總計有240個槽。這些繞組使每段變成極距為8cm的8個磁極。這些線圈用環氧樹脂黏結，做成具有G10隔離線圈腳的無槽定子結構。將無槽定子結構設計成具有低達18mH的相電感。當匯流排電阻為0.67mΩ時，相電阻為42mΩ，空氣隙工作磁通量為0.896T,電樞磁通量大約是0.24T。在全速推進時，永磁體受到0.26MPa的剪下應力作用。在103m衝擊行程的末端，滑塊前部進入制動狀態。這種制動在較短的定子段內發生，它通過渦流產生制動作用。正是在相同位置，滑塊仍覆蓋著一些起作用的定子段。在這些定子段中通過改變兩相電流，開始產生反向制動力。為了使定子達到70%的設計效率和限制最大損耗為13.3MW,因此必須進行有效地冷卻。電磁電動機有一塊供定子線圈和背鐵的散熱用的鋁冷卻板，其峰值溫度可達約155℃。經過45s彈射循環時間內的冷卻後，可冷卻到75℃。罩在永磁體上的滑塊將通過熱交換進行冷卻，用這種方式將散去來自滑塊結構和永磁體上渦流產生的少量熱量。

安裝電磁彈射器將對整個航空母艦有正面影響。彈射電動機具有很高的推進能量密度。正如半比尺模型所示，它的橫截面會受到9.1MPa的力，而蒸汽彈射器則會受到較低的3.1MPa的推進力作用。它對貯能裝置同樣有正面影響，與蒸汽彈射器的蒸汽蓄能器起的作用是類似的，低能密度蒸汽蓄能器將被高能密度飛輪所取代，這些飛輪可貯能28kJ/kg的能量密度。提高密度將減少系統的體積並將在艦上騰出更多空間安裝其他設備。

電磁彈射器可減少檢查和維護所需的人力要求，但這是對現有系統改進後得到的。因為現有系統需要大量人工進行維護和檢查的工作，但電磁彈射器檢測卻可從機械過渡到電氣/電子裝置。電磁彈射器可消除現有系統結構的各子系統的複雜性。蒸汽彈射器彈射時需要大約614kg蒸汽，並且需要利用大量液壓水用於制動以及電力機械。這些子系統與它們相關的泵、電動機和控制系統一起，使整個彈射系統變得更複雜。而採用電磁彈射器進行彈射時，制動和回收將通過彈射電動機來實現，因此可減少輔助部件並可簡化整個系統。這時可取消蒸汽彈射器每次彈射時所需的液壓油、壓縮空氣以及污染環境的潤滑油。

電磁彈射器可保持一個完全獨立於艦的主動力裝置系統，給艦的設計提供更大的適應性，使推進裝置更有效。電磁彈射的主要優點之一是具有集成全電力艦的能力。海軍根據先進水面艦艇船機計畫，進行了大量研究以開發下一代水面艦艇用電力推進系統；同時已經出現一個能夠良好工作的高功率電力武器系統。由此，將有越來越多的艦上系統採用電力系統來取代老的機械系統。

另一方面，電磁彈射器也有一些缺點。其中之一是高功率電磁電動機對電子裝置會產生干擾。當電磁彈射器工作時，位於電磁彈射電動機上的敏感的飛機電子裝置，會受到艦本身電子裝置產生的電磁波的影響。因此需要通過適當的電磁兼容設計和“磁封閉”電動機設計讓電磁波的影響降到最低程度。它的另一個缺點是與脈衝功率套用有關的高速旋轉機械。這種盤式發電機-電動機以6400r/m旋轉，每台可貯存121MJ能量，4台總計貯存484MJ。在實驗室這是不成問題的，但是，如果把這種電動機安裝在沉重的振動平台上就會形成很複雜的問題了。為了保證安全運行，飛輪和軸承必須比常規的有更大的剛性。

由於對電子裝置固有的高水平的精密控制，可減少對飛機的作用力。目前蒸汽彈射器有相當高的峰值與平均應力值比（正常是1.25，異常情況是2.00）。這導致對機身有很高的作用應力，一般地說這是有害的作用。用電磁系統就有可能在典型地數百毫秒內糾正加速圖的偏差而獲得較低的峰值與平均應力比。人們打算根據可控性範圍的模擬分析進行設計。與典型的蒸汽彈射器工況圖比較，電磁彈射器的加速工況圖很平穩。

模擬結果表明：在各種載入條件下，電磁彈射器能夠在加速作用下，使最大峰值與平均應力比控制在為1.05下運行，這種運行可減少對機身的作用應力。為了鑑別這種減少峰值與平均應力之比產生的效果，對這兩種彈射器的峰值與平均應力比的大小對機身的作用進行了斷裂力學分析。從分析結果可以看出，由於減少了對機身的作用應力，可使機身壽命提高了31%。這對海軍減少嚴格採購飛機的投資費用具有重大意義，同時也可給飛機創造較安全的運行環境。由於電磁彈射器在彈射時會遇到未預料的問題，需要它就能夠迅速調整和糾正彈射能力，即使部件在彈射時發生失效。

電磁彈射器滿足了下一代航空母艦提供增加彈射能的需要，解決了目前蒸汽彈射器彈射能接近設計極限的問題。電磁彈射器具有122MJ彈射能力，與蒸汽彈射器相比增加了29%，意味著它能彈射航空母艦所有艦載飛機和未來的飛機。

開發的部件包括循環變換器、定子、永磁體和控制系統。要求對這些部件進行分別演示。對循環變換器，要求它的功率密度、波形產生、熱控制和每個單元電力參數等所有都是設計所要求的。對定子段，必須說明推力密度、熱控制和每個單元等全部設計參數。永磁體必須能承受目前彈射器槽內將遇到的包括加熱、冷卻、腐蝕介質和衝擊等惡劣環境。當演示這些部件的要求時，要將它們集成在試驗裝置中。這套試驗裝置包括模擬彈射系統的部件，該裝置將驗證電磁彈射器的運行。同時，電磁干擾問題必須在設計過程初期就要加以考慮。在進行開發第二階段之前，對這些問題必須有所全面了解。高電磁場在相當接近飛機的周圍發生。飛機覆蓋著對電磁敏感的控制系統，武器和磁性異常檢測裝置。因此，確定電磁彈射器與它們附近系統之間的電磁干擾的可能性是非常重要的。關鍵部件演示提供了一個解決電磁兼容問題的機會。利用電磁FEA規則，將確定彈射器槽具有的禁止效應，不過，這會影響槽的幾何尺寸。用低功率水平的硬體驗證這種模型，一旦模擬和試驗數據有著良好的一致性，這種模擬就可擴大到電磁彈射器的範圍。

優點

美軍為何要採用電磁彈射器？這是因為這種彈射器有很多優點，首先是加速均勻且力量可控。C－13－1型蒸汽彈射器發射是最大過載可以達到6g，，而整個行程的平均加速度僅有2g多一點，F/A－18戰鬥攻擊機飛行員常常調侃C－13－1彈射器在後段往往沒有飛機自身的發動機加速得快。隨著速度和氣缸容積的增加，過熱蒸汽的膨脹絕大多數能量用於蒸汽本身的加速和推動上了，而體積增加後氣體膨脹所需蒸汽的比例成立方關係增加。

蒸汽彈射器長度和氣缸容積幾乎達到極限，到彈射衝程的末端，蒸汽基本上只能加速活塞，對飛機的幫助不大。電磁彈射器的推力啟動段沒有蒸汽那種突發爆炸性的衝擊，峰值過載從6g可以降低到3g，這不僅對飛機結構和壽命有著巨大的好處，對飛行員的身體承受能力也是一個不錯的改善。此外，由於電磁彈射的加速和彈射器的長度沒有關係，除了受到氣動阻力和摩擦阻力的影響外，彈射初段到末段的基本加速度不會出現太大的波動，這就比蒸汽彈射的逐步下降來得更有效率。根據計算，平均加速度一樣時，電磁彈射器可以比蒸汽彈射擊讓飛機多載重8%~15%。

另一個比較重要的好處在於電磁彈射器具有很大的能量輸出調節範圍。蒸汽彈射器的功率輸出依靠一個叫速率閥的東西，利用控制蒸汽流量的方式控制彈射器的功率輸出，機械的可調節性能輸出達到1：6差不多就是極限了；而電磁彈射的功率輸出是由電路系統控制的，從大功率民用變電的經驗可知1：100以內的變化是相當容易的。美國海軍未來將會大量使用輕重不一的無人機，蒸汽彈射器很難適應這個要求。對航母的設計是和海軍操作人員來說，電磁彈射器是一個大福音，它不僅將機庫甲板的占用面積縮減到原來的1/3，而且重量還輕了一半。大幅減輕高過重心位置的重量對航母的穩性設計是個很有益的舉措，同時既不用再為複雜的蒸汽管道迷宮所困擾，也不用再為灼熱的蒸汽泄漏和四處污濺、難以清潔的潤滑油所發愁。

還有一個好處是電磁彈射器能與滑躍式甲板巧妙融合，而蒸汽彈射器卻沒有電磁彈射器的靈活，它不能彎曲，就無法與滑躍起飛結合，而電磁彈射器與滑躍式起飛結合後能增加飛機的載重量。如果將來中國研製出了電磁彈射器，並實用於遼寧號，便可使遼寧號可以搭載更多像美國無人機一樣的機種，這樣就大大提升了遼寧號的作戰能力。

發展過程

美軍研發的電磁彈射器由三大主要部件構成，分別是線性同步電動機、盤式交流發電機和大功率數字循環變頻器，線性同步電動機是電磁彈射器的主體，它是20世紀80年代末期研究的電磁線圈炮的放大版。

電磁線圈炮也叫電磁線圈拋射器，1831年英國物理學家法拉弟發現電磁現象以後就有人開始構想電磁線圈炮。1845年，有科學家在理論試驗中將一個金屬柱拋出20米；1895年，美國有項專利設計了理論上能夠將炮彈拋射230千米的線圈炮；1900年，挪威物理學教授克里斯坦·勃蘭登獲得三項關於電磁炮的專利；1901年，勃蘭登在實驗室製造了一座長10米、口徑65毫米的模型，可以把10千克的金屬塊加速到100米/秒，這引起了挪威政府、德國政府的注意。德國著名的火炮生產廠商克虜伯公司為勃蘭登教授提供了5萬馬克的研究經費，勃蘭登設計了一門長27米、口徑380毫米的巨炮，預計可以將2噸重的炮彈發射到50千米遠，彈丸速度可以達到900米/秒。為了實現這個目的，勃蘭登設計了3800多個線圈，重量達到30噸。使用這門大炮需要3千伏、600千安的直流電源。當時的技術條件根本不可能提供這種直流電源，因此該炮最後被廢棄，炮上所用的大量銅絲在後來的戰爭中被作為重要戰略物資回收。

1970年，德國科隆大學的哈布和齊爾曼用單機磁線圈將一個1.3克的金屬圓環加速到490米/秒，這一成果迅速引起世界範圍內的高度重視。1976年，蘇聯科學家本達列托夫和伊凡諾夫宣布已將1.5克的圓環加速到4900米/秒。20世紀80年代，美國太空總署（NASA）桑地亞中心一直在進行電磁線圈炮的概念性研發工作，他們曾嘗試修建一個長700米、仰角30度、口徑500毫米、採用12級、每級3000個電磁線圈的巨炮，可以將2噸重的火箭加速到4000~5000米/秒，推送到200千米以上的高度。NASA預計使用這個系統發射小型衛星或者為未來興建大型近地空間站提供廉價的物資運送方式，其發射成本只有火箭的1/2000。

在早期概念性研究階段，NASA發展了一系列解決瞬間能源的技術方案，這些都成為電磁彈射的技術基礎。美國EMALS中的線性同步電動機採用了單機驅動的方式，只是用一台直線電機直接驅動，和以前的雙氣缸蒸汽彈射並聯輸出不同。線性電動機長95.36米，末段有7.6米的減速緩衝區，整個彈射器長103米。彈射器中心的動子滑動組，由190塊環形的第三代超級稀土釹鐵硼永磁體構成，每一塊永磁體間有細密的鈦合金製造的承力骨架和散熱器管路，中心布置有強力散熱器。雖然滑組在工作中其本身只有電感渦流和磁渦流效益產生不多的熱量，但是其位置處於中心地帶，散熱條件不好，且永磁體對溫度敏感，高過一定溫度就會失效。滑組和定子線圈間保持均勻的6.35毫米間隙，相互間不發生摩擦，依靠滑車和滑車軌道之間的滑輪保持這個間隙不變。滑動組上因為沒有需要使用電的裝置，所以結構比較簡單，且無摩擦設備，需要檢修和維修的工作量極少。彈射中，每一塊定子磁體將只承受2.7千克/平方厘米的應力。由於滑動組採用了固定的高磁永磁體，所以定子被設計成電磁，形狀為馬鞍形，左右將滑動組包圍，上部有和標準蒸汽彈射器相同大小的35.6毫米的開縫。定子採用模組化設計，共有298個模組，分為左右兩組，每個模組由寬640毫米、高686毫米、厚76毫米的片狀子模組構成。一個模組上有24個槽，每個槽用3相6線圈重疊繞制而成，這樣每一個模組就有8個極，磁極距為80毫米。槽間採用高絕緣的G10材料製成，每個槽都用環氧樹脂澆鑄，將其粘接成一個無槽的整體模組。通過數位化定位的霍爾元件，定子模組感應滑車上的磁強度信號，當滑車接近時，模組被充電，離開後斷開，這樣不需要對整個路徑上的線圈充電，可以大大節省能源。每一個模組的阻抗很小，只有0.67毫歐，它的設計效率為70%，一次彈射中消耗在定子中的能量有13.3兆瓦，銅線圈的溫度會被迅速加熱到118.2℃，加之受環境溫度影響，這一溫度可能會高達155℃。這將超過滑車永磁體的極限退磁溫度，因此需要強制冷卻，冷卻方案是定子模組間採用鋁製冷卻板，板上有細小的不鏽鋼冷卻管，可以在彈射器循環彈射的45秒重複時間內將線圈溫度從155℃降低到75℃。線性電動機的末段是反相段，通過電流反相就能讓滑組減速並停下來，同時自動恢復到起始位置。

從電磁線圈炮的發展歷史來看，阻礙電磁彈射器的現實化並不是線性電機本身，而是強大而穩定的瞬發能源。美國航母上採用20世紀90年NASA為電磁炮、雷射武器發展的慣性儲能裝置研製而來的盤式交流發電機。新設計的盤式交流發電機重約8.7噸，如果不算附加的安全殼體設備，其重量只有6.9噸。盤式交流發電機的轉子繞水平軸旋轉，重約5177千克，使用鎳鉻鐵的鑄件經熱處理而成，上面用鎳鎘鈦合金箍固定2對扇形軸心磁場的釹鐵硼永磁體。鎳鎘鈦合金箍具有很大的彈性預應力，可確保固定高速旋轉中的磁體。轉子旋轉速度為6400轉/分，一個轉子可存儲121兆焦的能量，儲能密度比蒸汽彈射器的儲氣罐高一倍多。一部彈射器由4台盤式交流發電機供電，安裝時一般採用成對布置，轉子反向旋轉，可減少因高速旋轉飛輪帶來的陀螺效應和單項扭矩。彈射一次僅使用每台發電機所儲備能量的22.5%，飛輪轉盤的轉動速度從6400轉/分下降到5200轉/分，能量消耗可以在彈射循環的45秒間歇中從主動力輸出中獲得補充。四蓄能發電機結構允許彈射器在其中一台發電機沒有工作的情況下正常使用。由於航母裝備4部彈射器，每兩部彈射器的動力組會安裝到一起，集中管理並允許其動力交聯，因而出現6台以上發動機故障而影響彈射的事故每300年才會重複一次。盤式交流發電機採用雙定子設計，分別處於盤的兩側，每一個定子由280個線圈繞組的放射性槽構成，槽間是支撐結構和液體冷卻板。採用雙定子結構，每台發電機的輸出電源是6相的，最大輸出電壓1700伏，峰值電流高達6400安，輸出的匹配載荷為8.16萬千瓦，輸出為2133～1735赫茲的變頻交流電。盤式儲能交流發電機的設計效率為89.3%，這已經通過縮比模型進行了驗證，也就是說每一次彈射將會有127千瓦的能量以熱量形式消耗掉。發電機定子線圈的電阻僅有8.6毫歐，這么大的功率會迅速將定子線圈加溫數百度，所以設計了定子強制冷卻。冷卻板布置在定子的外側，鑄鋁板上安裝不鏽鋼管，內充WEG混和液，採用流量為151升/分的泵強制散熱。根據1/2模型測試可知，上述設計可以保證45秒循環內銅芯溫度穩定在84℃，冷卻板表面溫度61℃。

真正最為關鍵、技術難度最大的部件是高功率循環變頻器。這個技術是電磁彈射器的真正技術瓶頸。EMALS正處於關鍵性部件工程驗證階段，循環變頻器僅僅是完成了計算機模擬，還沒有開始發展工程樣機。從設計上看，循環變頻器是通過串聯或者並聯多路橋式電路來獲得疊加和控制功率輸出的，它不使用開關和串聯電容器，省略了電流分享電抗器，實現了完全數位化管理的無電弧電能源變頻管理輸出。其每一相的輸出能力為0～1520伏，峰值電流6400安，可變化頻率為0～4.644赫茲。循環變頻器設計非常複雜，它不僅需要將4台交流發電機的24相輸入電能準確地將正確的相位輸入到正確的模組連線埠，還必須準確的管理298個直線電機的電磁模組，在滑塊組運行到來前0.35秒內讓電磁體充電，而在滑組經過後0.2秒之內停止送電並將電能輸送到下一個模組。循環變頻器工作時間雖然不長，每次彈射僅需工作10～15秒，但熱耗散非常大，一組循環變頻器需要528千瓦的冷卻功率，冷卻劑是去離子水，流量高達1363升/分，注入溫度35℃的情況下可確保系統溫度低於84℃。美國對這一核心部件的保密工作非常重視，除了基本原理外，幾乎沒有任何的模型結構、工程圖片披露。2003年，美國海軍和通用電氣公司簽訂契約，要求花費7年時間完成這一部件的實體工作。

到目前為止，美國在海軍航母電磁彈射器上花費了28年的時間和32億美金的經費，預計將在2014年服役的CVN－78航母上正式使用這一設備。從設計和工程實現的關鍵性部件的性能來看，成功地按時間表投入使用的可能性非常大。主要技術問題出線上形同步電機上，18米所必模型所顯示的效率僅為58%，而50米1/2模型顯示的效率僅有63.2%，這證明能量利用率還不足，功率也成倍增加，設計是不能完成散熱需求的。另外一個問題在於軍用系統的防火要求，永磁體對溫度比較敏感，存在退磁臨界溫度，一般在100～200℃之間，航母的火工品較多，火災事故並不罕見，如何保證磁體的磁強度不受大的影響還是一個很棘手的問題。電磁彈射器功率巨大，其磁場強度也非常可怕，現代戰鬥機上複雜的電磁設備都非常敏感，容易受到干擾，因此需要特別加強電磁彈射系統的磁禁止工作。由於彈射器的磁體是開槽形的，和蒸汽彈射器的蒸汽泄露一樣會有很強的磁泄露，所以設計了複雜的磁封閉條，在離飛行甲板15厘米的高度就能將磁場強度降低到正常環境的水準。相關的電磁干擾和兼容性問題將在2012年進行專門的適應性試驗。

軌道

彈射器示意圖

美國預期電磁彈射器達到如下指標：起飛速度：28～103米/秒；最大牽引力和平均牽引力之比：1.07；最大彈射能量：122兆焦；最短起飛循環時間：45秒；重量：225噸；體積：425立方米；補充能源需求：6350千瓦。

中國方面

中國在電磁彈射技術領域裡一直處於理論研究和同步試驗研究驗證的小規模發展階段。線圈炮方面，1996年中國曾發布了一個口徑90毫米的4磁體級的樣炮原型機，可以達到電能轉換50%以上，瞬間能源有成熟的20兆焦和100兆焦輸出級別的器件。我國是稀土永磁體生產大國，高磁強度稀土永磁體研究水平較好，但工程實際開發工作較少。在電磁彈射器方面，我國採用跟蹤研究體制，中國已經在2012年9月25日交付第一艘航母。中國作為製造業大國，電磁彈射器當然不是問題。中國電磁彈射器發明人--馬偉明。

馬偉明

自2002年開始，海軍工程大學教授、中國工程院院士馬偉明少將率課題組集智攻關，提出了具有當今世界先進水平的設計方案，於2008年首次完成一個電磁彈射器原理樣機的科研攻關，並開展了1：1電磁彈射器驗證設備的研製工作。

香港近日根據最新的衛星圖片報導稱，中國軍方已經在遼寧省的葫蘆島附近建設安裝了電磁彈射試驗裝置的最新軍用的機場跑道。最新的衛星圖片顯示，在中國軍方建設的兩條跑道當中建有彈射線，彈射的滑槽也是隱約可見，電磁彈射的試驗裝置長120到150米，電磁軌道估計長80米左右。目前世界上開展航母電磁彈射研究的只有美國、中國、英國、俄羅斯，而建造了全航母尺寸的實驗設施的只有中美兩國，美國最新下水“福特”號航空母艦已經首先裝備了電磁彈射器。

軌道

電磁飛機彈射系統

電磁彈射器的心臟就是100多米長的直線感應電動機，它推動與飛機相連線的電樞。而電樞基本上是一個U形鋁塊，裝在定子的3個側面。

電磁彈射器示意圖

強迫儲能裝置

強迫儲能裝置是電磁彈射器的一個瓶頸，在國防方面一直是高度機密的。作用就是能平時儲能，然後把大功率能量在短時間內釋放出來。電磁彈射器工作時間不長，但是在做功時段是個加速度做功的過程，因此不能把它當成恆功率設備來考慮。

建設中的電磁彈射測試設施

電磁彈射器難就難在電能不象蒸汽，根本不適合大容量儲存，象儲存彈射艦載機這樣的能量更是難上加難。通用原子公司在實驗電磁彈射器時對強迫儲能裝置隻字不提，可見其技術的高度機密性非同一般，想突破也非易事

某型艦船特種電力技術，只有個別已開發國家掌握。馬偉明率課題組集智攻關，提出了具有當今世界先進水平的設計方案。然而，沒有人相信他們能搞出來，原因是我國在這方面技術積累不夠。對此，馬偉明橫下一條心：“哪怕少活十年，也要攻下特種電力技術難關!”

經過5年的不懈衝刺，馬偉明帶領項目組完成了樣機研製和試驗的全過程，43項關鍵技術全部被攻克，申報國防專利32項。中國科學院、中國工程院7位院士在對這一重大成果評審時激動不已，認為這項重大關鍵技術的突破，其意義不亞於“兩彈一星”和載人航天。

中國建造的實驗設施

世界上開展研製電磁彈射器的國家僅有中國、美國、英國和俄羅斯，建造1：1全尺寸大型電磁彈射器地面試驗設施的國家僅有中美兩國。從衛星照片推測，這個試驗裝置大約長120至150米，電磁軌道估計長80米左右，能夠建造如此大規模的實驗設施足以證明中國已經全面驗證和掌握了大型直線感應電機、先進強迫儲能裝置以及高性能脈衝發生器等電磁彈射器關鍵技術。另外，由於電磁彈射器涉及到電磁工程技術、先進電機技術和先進的發電機技術等諸多相關領域，該項技術的突破實際上標誌著中國在艦船電氣工程領域的全面進步。

中國建造的實驗設施

美國某網站公布的衛星照片顯示中國在某地建造了某型電磁型導軌式高速牽引裝置工程樣機測試設施，該設施是繼美國之後世界第二條電磁彈射器地面實驗設施。