電磁飛機彈射系統

電磁飛機彈射系統（Electromagnetic Aircraft Launch System，Emals），是為美國海軍未來的 CVN-21航母設計的，在新航母上，將用4具電磁飛機彈射系統代替4具傳統的蒸汽彈射裝置，用電磁脈衝來將飛機推至起飛速度。對比傳統的蒸汽彈射裝置有很多優點。

基本介紹

• 中文名：電磁飛機彈射系統
• 外文名：Electromagnetic Aircraft Launch System，Emals
• 設計者：美國海軍
• 特點：降低維護和全壽期費用

特點

美國海軍要求電磁飛機彈射系統不比蒸汽彈射裝置差，並要求可能的情況下要好於蒸汽彈射裝置，新彈射系統的主要優勢在於降低維護和全壽期費用。系統的電磁特性意味著它天生就比蒸汽彈射裝置更易於控制。蒸汽彈射裝置只能通過簡單的閥門來釋放蒸汽壓力，極不均勻地將飛機快速推至起飛速度，而電磁飛機彈射系統的能量可以更均勻地以各種方式在彈射過程中加以控制，減小飛機因此而產生的應力，也緩解了機組人員的緊張程度。

關鍵技術

直線電機

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。而目前電樞基本上是一個U形鋁塊，裝在定子的3個側面。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。

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（目前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。

這么大的功率實際上大部分用於動力，蒸汽機機直接拖動螺旋槳而不是由發電機拖動，這樣做的目的是減少能量轉化產生的損失。由此可見，電磁軌道炮想在中、小型航母上恐怕短期內並不容易。而如果沒有強迫儲能裝置，僅靠航母發電機直接提供是根本無法想像的。因為彈射器工作時間短，此時最大功率已經超過航母發電機總功率了。蒸汽彈射器有一個儲汽罐，它可以把鍋爐的蒸汽能量儲存起來，而蒸汽彈射器彈射一架飛機後也至少需要近一分鐘的儲能（從鍋爐來），才能再彈射飛機，讓鍋爐直接驅動蒸汽彈射器的話是無法想像的。

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。

大功率電力控制設備

從原理上來說，它就是跟變頻器差不多，工作時通過變換器將升高電壓和頻率的電流輸入直線電機。於是電磁線圈便生成一個隨電樞運動的磁場。藉助這個運動的磁場，驅動彈射器的動子（實際上相當於電動機的轉子）來高速推動戰機起飛。而電磁線圈的電源來自大功率電力控制設備，它實際上是由特高功率的可控矽整流器組成其一次元件，它能在高達幾千伏的電壓作用下產生幾萬安培的電流。因為市場上的所有變頻器也不可能有這樣高的加速度，也就是說頻率的變化會有這么快。而且變頻器在頻率增加時存在電機定子線路電抗增加的因素，在這裡更是嚴重。

中央微機工控控制裝置

這方面技術並不是很高，尤其是在矽谷方面迅猛發展的今天。只不過這裡要求更高的可靠性和高速性、靈活性。控制裝置的輸出信號給大功率電力控制設備，同時又接受直線電機的反饋信號進行閉環控制，其速度是毫秒級的。也就是說其CPU運算速度的廠家來說，這些早就實現了，比如是冶煉廠的電爐控制等。而且控制裝置的人機界面也是相當好的，操作人只需按下起飛什麼類型的飛機，如F-18等，中央處理器會自動根據風速、航母速度、載彈量等條件分析後進行儲能，並保證在消耗最小的能量下圓滿起飛飛機（當然還要一點保險係數的）。包括起飛無人機、預警機、對空對海作戰飛機等。而這些對於蒸汽彈射器來說是很為難的。電氣的控制反應、最優控制等都是目前其它機械方面所不能比擬的。

直線感應電機

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。目前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。

優勢特點

效率高

首先是效率問題，現役的蒸汽彈射器效率只有百分之五，電磁彈射器高達百分之六十，而且沒有密如蛛網的高溫高壓蒸汽管道維修的噩夢。在軍事開資龐大的美軍，是有一定意義的。

適應性強

其次是電磁彈射適應性更好，電磁飛機彈射系統具有不斷監視自身的閉路系統，連續調節速度和功率，以便適應每種飛機機型的彈射剖面。電磁飛機彈射器除具有較大控制靈活性之外，其重量和大小隻相當於蒸汽彈射器的一半。消除了高壓、高溫蒸汽管路和閥的迷宮將減少值勤作業和戰鬥危險。由於使用電力電子分系統，電磁飛機彈射系統的維修人員將少30%。 未來電磁飛機彈射系統是模組化的，因此便於維修和改進時不同組件和分系統的交換。

電磁飛機彈射系統具有更好的性能和和彈射控制範圍，適合彈射飛機的範圍很廣。它將加速飛機的重量約在4.5～45噸，彈射速度在100～370千米/小時之間，控制靈敏度靈活，這是蒸汽彈射器不能達到的。

任意調節彈射推力

任意調節彈射推力，哪怕是四噸的無人機，那是蒸汽彈射機一彈就碎的輕巧飛行器――訊息戰的新寵，由於彈射動能配置方面的限制，輕型飛機反而更難彈射。而且不能夠彈射當前美軍使用的無人機。而高性能無人機登上航母是肯定的,由於有人艦載機和無人機大小不一，而蒸汽彈射器又沒法調節彈射功率，而且效率太低，一次彈射一般要消耗614千克蒸汽，每次彈射結束都有大量蒸汽被排除，帶走大量能量，其效率一般在4%～6%之間。而電磁彈射系統的效率約為60%左右，對能量的需求大為降低。蒸汽彈射器由於功率無法精確控制，在彈射艦載機的過程中，對艦載機的推力上下波動比較大。而電磁彈射系統能夠對彈射過程中的力進行精確控制，另外，蒸汽彈射器在飛機脫鉤後仍然會維持很高的汽缸壓強，對彈射器末端造成極大的衝擊，而電磁彈射系統在與飛機脫鉤後作用力立刻反向，對彈射系統末端的衝擊力遠遠低於蒸汽彈射器。目前的蒸汽動力彈射器不能夠用於彈射任何現役無人機，而這被認為是蒸汽彈射器的最大缺陷。信息技術突破性發展以及更輕、更靈巧武器的不斷出現，使無人機在“尼米茲”級航母退役之前就可能上艦執行戰鬥任務。而美國的政治領導層更希望使用無人機作戰，以把人員傷亡、被俘的風險降低到零。

延長戰機壽命

電磁彈射器還可以延長戰機的壽命。電磁彈射器的功率可以根據彈射飛機的尺寸重量進行靈活調節，可用於彈射美國海軍現在以及未來的各種有人飛機或無人飛機。同時電磁彈射器彈射力非常穩定，彈射過程中，其最大力與平均力的比值僅為1．05，這就大大減輕了彈射過程中飛機機體結構所受到的衝擊，有研究表明，電磁彈射器的這一性能最大可使艦載機的機體壽命延長31%。此外，與蒸汽彈射器相比，電磁彈射器的尺寸、重量可降低50%，對人力的需求將減少30%，全壽命周期費用可降低20%，作戰可用度可提高20%。

簡化助跑系統

電磁彈射系統還有一個蒸汽彈射器不具備的優點，那就是它很容易簡化為滿足短距起降飛機起飛的助跑系統，能很好地與滑躍跑道形狀配合，可用於輕型航母或兩棲攻擊艦上，甚至能夠用在任何採用綜合電力系統的艦艇上。而蒸汽彈射器的汽缸必須保持直線，不可能裝在滑躍甲板上。

系統構成相對簡單

電磁彈射系統構成相對簡單。它只用直線電動機進行彈射、制動和使往復車復位,不需要保持常備狀態，在完全關閉的冷態條件下不到15分鐘內就能達到待用狀態。實際將來經驗成熟後時間會更短，而蒸汽彈射器要依靠大量的系統和分系統，有液壓泵、蒸汽、水力剎車、蓄壓器等等，需要不斷給彈射槽預熱，蒸汽彈射器的機械磨損嚴重，尤其是金屬密封條，每彈射一次都會與此摩擦一次，更換量大。而電磁彈射系統使用的電力電子元件用無接觸的瞬時電磁力，無磨損，可靠性在民用領域已得到檢驗，壽命都在幾萬小時,且具容錯能力。 可見，如遇緊急情況下，電磁彈射器反應速度遠遠優於蒸汽彈射器。而且可靠性兩者根本沒法比。

電磁彈射器最大彈射50噸戰機，最大速度可達400千米/小時，因此它可以在航母無需高速行駛的情況下或無風的情況下起飛戰機。而使用蒸汽彈射器的航母，一旦遇到緊爭情況，就全指望旁邊的伯克級了，所以有人說航母只適宜進攻而不適宜防守是有一定道理的，但是採用電磁彈射將會改變這種觀念。

性能測試

2008年9月，用於航母的新型電磁飛機彈射系統(EMALS)向進入艦隊服役的過程中邁出了重要的一步。9月初，EMALS系統實現了里程碑1階段10000次的高周測試(High Cycle Testing, HCT-1)，測試工作是在通用原子技術公司(GA)位於美國密西西比州的圖珀洛測試工廠進行的。

高周測試的目的是為了檢驗EMALS電力與熱動力設備的性能，以及能量儲存子系統的艦載循環速率。為保證EMALS系統的電機能夠在航母上更加有效可靠的運行，工作人員對EMALS進行了10000次的模擬彈射試驗。高周測試降低了EMALS系統結構損壞的風險，增強了EMALS系統的可靠性，並檢驗了系統的壽命以及電磁干擾預測。

EMALS系統的第2階段高周測試定於2009年冬季展開，第2階段高周測試將包括系統全功率下的系列測試，以及EMALS系統運行階段的具體預測。此外，第2階段高周測試還將完成環境鑑定測試，以保證系統的安全性能。

EMALS系統將在未來取代目前裝備在“尼米茲”級航母上的蒸汽彈射裝置。美國海軍航空系統司令部(NAVAIR)飛機發射與回收 (PMA-251) 項目經理蘭迪·馬爾表示，EMALS系統的引進將會降低航母的運行費用，並可減少艦上操作人員的數量(相對於採用蒸汽彈射裝置的航母)，同時還可減小對航母艦載機的磨損。

EMALS系統的設計充分考慮到了飛機在高速和低速下的平滑加速性能，這項技術增強了航母在低應力下發射艦載機的性能。此外，EMALS系統還將採用模組化的電力和電子原件，這將為保障未來航母的固定翼飛機提供更大的靈活性。

重大意義

電磁飛機彈射系統(EMALS)將代替目前在航空母艦上用來彈射飛機的蒸汽彈射系統。利用新的電力電子裝置技術，能夠實現EMALS要求的高可控性、高效率、高性能。電磁飛機彈射系統是一個全集成的系統，由儲能系統、電力電子系統、直線彈射電動機和控制系統組成。這些分系統組合在一起形成一個高性能的彈射系統，大大擴展未來航母的作業能力，不但能使航母搭載更重和航速更快的飛機，而且允許彈射與現有的蒸汽彈射器不匹配的小而輕的飛行器。這種彈射系統可以充分利用現成民用技術，其研製和套用同時還能促進相關民用技術的發展。

發展趨勢

未來艦載機更重更快的發展趨勢必將導致對彈射能量要求的提高，而這一要求勢必將超出蒸汽彈射器的能力範圍。值得注意的是，美國設計的電磁彈射系統對硬度來說可能會過大，這就意味著彈射衝擊必須要降低，相應的能量供應也需要模式化。電磁彈射系統要安裝上航母就必須要有相應的儲能電池，因此，高能量密度的飛輪電池也必將取代低能量密度的蒸汽儲能裝置——鍋爐。