电磁弹射器

电磁弹射器包括：电源、强迫储能装置、导轨和脉冲发生器等，但弹射器还多了强迫降温及精确控制。

 

分别介绍如下： 
　　1、 电源装置 
　　电磁弹射器用的是直流电源，而且在电磁弹射器工作时是负荷冲击性非常大。虽然有了储能装置，但由于要求弹射器在很短时间内起飞更多架次的飞机，所以对电磁弹射器的电源容量要求也比较大，一般容量在5~8万KVA左右（但输出电压却不高）。这么大的功率的交流发电机当然不是问题，但如果是直流发电机则必须是无刷稳流直流发电机，否则滑环的强大电流会灼伤换向器。 
　　2、 强迫储能装置 
　　强迫储能装置是电磁弹射器的核心部件，它不仅缓解了发电机的压力，同时在弹射器不工作时吸收发电机的能量，使发电机几乎不受冲击性负荷的影响。强迫储能装置原理不复杂，但实施起来很麻烦。早期美国使用的强迫储能装置是这样的：用一个交流发电机给一个交流电动机供电，这其实很容易办到，但这个电动机的转子同时拖动直流发电机和一个惯性特别大的自由转子（约上百吨）一起旋转。我们知道，这么重的自由转子起动起来有一定的难度，然而这么重的自由转子运行到高速时具有非常大的动能。而在弹射器工作时，在发电机看来是接近短路的电流会产生强大的制动力阻止发电机继续运行，电动机将无能力拖动，但此时由自由转子强大的储能强制拖动直流发电机运行，从而完成冲击性负荷过程。自由转子会因此速度降低，但起动结束后电动机会在发电机没有负荷下把自由转子拖动到一定的速度，从而完成储能。但需要说明的一点是，这里的电动机既不是鼠笼式电机，也不是绕线式电机，还是转子有一家电感及线圈的电机。 
　　后来，美国佬干脆用高性能电池代替，为此老美子采用了上万个高性能抗冲击负荷的电池，每个单体电池最大做功能达到5~10KW，有效时效为35S，弹射器工作时由发电机和电池同时为弹射器做功，做功后的电池因强制放电而电压降低，但弹射器工作完毕后发电机将完成对电池的充电。这里也需要说明的一点就是大家不要把这里的电池当成日常生活的铅酸电池，这里的电池内阻很低，有很强的抗冲击能力及快速复充电能力。 
　　但目前美国佬使用的强迫储能装置都不是以上两种。 
　　3、 导轨 
　　电磁弹射器的导轨与电磁轨道炮的差异很大，也比其复杂的多。 
　　电磁弹射器的导轨共有4个，分别为上部2个，下部2个。但每跟导轨都非常长（200米以上），安装在起飞甲板的下面。并且每跟导轨内部均有超导体与其熔接，中间是高压冷却油，其冷却油在进入导轨前的温度低于-40℃，而从导轨出口的温度低于-30℃。不仅如此，导轨与飞机牵引杆的接触面至导轨中心还有很多特细的小孔，所以其冷却油不仅仅是为超导体降温，还有润滑的作用，而且会使飞机牵引杆在运行时降温。 
　　飞机牵引杆是在飞机前轮下与飞机前轮连为一体的装置，可收缩并放置在飞机的腹腔内。其中间也为超导体，但无油冷确通道，而且与导轨连接处面积较大，均为软接触。在起飞前，飞机牵引杆伸出至上下导轨之间，飞机发动机起动并开如运行，但约一秒钟时弹射器通电，强大的电流从导轨经飞机牵引杆后再流回另一对导轨并形成回路，牵引杆在强大的电磁力下被推动运行到高速（未到起飞速度，但只差一点）后电流被强制截止，牵引杆将不再受力，但在飞机发动机的推力下达到起飞速度。为什么未达到起飞速度就断电呢？是因为由于飞机牵引杆与飞机连为一体，如果这时继续通电的话，飞机起飞时将把飞机牵引杆拉出，断电时会产生强大的电弧灼伤飞机牵引杆。 
       4、 脉冲发生器 
　　以上过程实际上是脉冲发生器完成的。蒸汽弹射器为使发动机与弹射器同步运行（缩短起飞距离），用一根钢棍先挡住飞机运行，由于飞机发动机推力无法推断钢棍，但与弹射器合力却可推断钢棍，从而使飞机在弹射器与发动机合力下起飞。但电磁弹射器却无需钢棍挡住，在飞机起飞时电磁弹射器同步通电，但电流是逐渐增加起来，而且在起飞末段将电流截止。 

电磁弹射器的优点

       美军为何要采用电磁弹射器？这是因为这种弹射器有很多优点，首先是加速均匀且力量可控。C－13－1型蒸汽弹射器发射是最大国在可以达到6g，，而整个行程的平均加速度仅有2g多一点，F/Ａ－18战斗攻击机飞行员常产调侃C－13－1弹射器在后段往往没有飞机自身的发动机加速得快。随着速度和气缸容积的增加，过热蒸汽的膨胀绝大多数能量用于蒸汽本身的加速和推动上了，而体积增加后气体膨胀所需蒸汽的比例成立方关系增加。目前的蒸汽弹射器厂度和气缸容积几乎达到极限，到弹射冲程的末端，蒸汽基本上只能加速活塞，对飞机的帮助不大。电磁弹射器的推力启动段没有蒸汽那种突发爆炸性的冲击，峰值过载从6g可以降低到3g，这不仅对飞机结构和寿命有着巨大的好处，对飞行员的身体承受能力也是一个不错的改善。此外，由于电磁弹射的加速和弹射器的长度没有关系，除了受到气动阻力和摩擦阻力的影响外，弹射初段到末段的基本加速度不会出现太大的波动，这就比蒸汽弹射的逐步下降来得更有效率。根据计算，平均加速度一样时，电磁弹射器可以比蒸汽弹射击让飞机多载重8%~15%。
       另一个比较重要的好处在于电磁弹射器具有很大的能量输出调节范围。蒸汽弹射器的功率输出依靠一个叫速率阀的东西，利用控制蒸汽流量的方式控制弹射器的功率输出，机械的可调节性能输出达到1：6差不多就是极限了；而电磁弹射的功率输出是由电路系统控制的，从大功率民用变电的经验可知1：100以内的变化是相当容易的。美国海军未来将会大量使用轻重不一的无人机，目前的蒸汽弹射器很难适应这个要求。对航母的设计是和海军操作人员来说，电磁弹射器是一个大福音，它不仅将机库甲板的占用面积缩减到原来的1/3，而且重量还轻了一半。大幅减轻高过重心位置的重量对航母的稳性设计是个很有益的举措，同时既不用再为复杂的蒸汽管道迷宫所困扰，也不用再为灼热的蒸汽泄漏和四处污溅、难以清洁的润滑油所发愁。
                       
电磁弹射器的结构

         美军研发的电磁弹射器由三大主要部件构成，分别是线性同步电动机、盘式交流发电机和大功率数字循环变频器。
         线性同步电动机是电磁弹射器的主体，它是20世纪80年代末期研究的电磁线圈炮的放大版。电磁线圈炮也叫电磁线圈抛射器，1831年法拉弟发现电磁现象以后就有人开始设想电磁线圈炮。1845年，有科学家在理论试验中将一个金属柱抛出20米；1895年，美国有项专利设计了理论上能够将炮弹抛射230千米的线圈炮；1900年，挪威物理学教授克里斯坦?勃兰登获得三项关于电磁炮的专利；1901年，勃兰登在实验室制造了一座长10米、口径65毫米的模型，可以把10千克的金属块加速到100米/秒，这引起了挪威政府、德国政府的注意。德国著名的火炮生产厂商克虏伯公司为勃兰登教授提供了5万马克的研究经费，勃兰登设计了一门长27米、口径380毫米的巨炮，预计可以将2吨重的炮弹发射到50千米远，弹丸速度可以达到900米/秒。为了实现这个目的，勃兰登设计了3800多个线圈，重量达到30吨。使用这门大炮需要3千伏、600千安的直流电源。当时的技术条件根本不可能提供这种直流电源，因此该炮最后被废弃，炮上所用的大量铜丝在后来的战争中被作为重要战略物资回收。
       1970年，德国科隆大学的哈布和齐尔曼用单机磁线圈将一个1.3克的金属圆环加速到490米/秒，这一成果迅速引起世界范围内的高度重视。1976年，苏联科学家本达列托夫和伊凡诺夫宣布已将1.5克的圆环加速到4900米/秒。20世纪80年代，美国太空总署（NASA）桑地亚中心一直在进行电磁线圈炮的概念性研发工作，他们曾尝试修建一个长700米、仰角30度、口径500毫米、采用12级、每级3000个电磁线圈的巨炮，可以将2吨重的火箭加速到4000~5000米/秒，推送到200千米以上的高度。NASA预计使用这个系统发射小型卫星或者为未来兴建大型近地空间站提供廉价的物资运送方式，其发射成本只有火箭的1/2000。在早期概念性研究阶段，NASA发展了一系列解决瞬间能源的技术方案，这些都成为电磁弹射的技术基础。美国EMALS中的线性同步电动机采用了单机驱动的方式，只是用一台直线电机直接驱动，和以前的双气缸蒸汽弹射并联输出不同。线性电动机长95.36米，末段有7.6米的减速缓冲区，整个弹射器长103米。弹射器中心的动子滑动组，由190块环形的第三代超级稀土钕铁硼永磁体构成，每一块永磁体间有细密的钛合金制造的承力骨架和散热器管路，中心布置有强力散热器。虽然滑组在工作中其本身只有电感涡流和磁涡流效益产生不多的热量，但是其位置处于中心地带，散热条件不好，且永磁体对温度敏感，高过一定温度就会失效。滑组和定子线圈间保持均匀的6.35毫米间隙，相互间不发生摩擦，依靠滑车和滑车轨道之间的滑轮保持这个间隙不变。滑动组上因为没有需要使用电的装置，所以结构比较简单，且无摩擦设备，需要检修和维修的工作量极少。弹射中，每一块定子磁体将只承受2.7千克/平方厘米的应力。由于滑动组采用了固定的高磁永磁体，所以定子被设计成电磁，形状为马鞍形，左右将滑动组包围，上部有和标准蒸汽弹射器相同大小的35.6毫米的开缝。定子采用模块化设计，共有298个模块，分为左右两组，每个模块由宽640毫米、高686毫米、厚76毫米的片状子模块构成。一个模块上有24个槽，每个槽用3相6线圈重叠绕制而成，这样每一个模块就有8个极，磁极距为80毫米。槽间采用高绝缘的G10材料制成，每个槽都用环氧树脂浇铸，将其粘接成一个无槽的整体模块。通过数字化定位的霍尔元件，定子模块感应滑车上的磁强度信号，当滑车接近时，模块被充电，离开后断开，这样不需要对整个路径上的线圈充电，可以大大节省能源。每一个模块的阻抗很小，只有0.67毫欧，它的设计效率为70%，一次弹射中消耗在定子中的能量有13.3兆瓦，铜线圈的温度会被迅速加热到118.2度，加之受环境温度影响，这一温度可能会高达155度。这将超过滑车永磁体的极限推辞温度，因此需要强制冷却，目前的冷却方案是定子模块间采用铝制冷却板，板上有细小的不锈钢冷却管，可以在弹射器循环弹射的45秒重复时间内将线圈温度从155度降低到75度。线性电动机的末段是反相段，通过电流反相就能让滑组减速并停下来，同时自动恢复到起始位置。
       从电磁线圈炮的发展历史来看，阻碍电磁弹射器的现实化并不是线性电机本身，而是强大而稳定的瞬发能源。美国航母上采用20世纪90年NASA为电磁炮、激光武器发展的惯性储能装置研制而来的盘式交流发电机。新设计的盘式交流发电机重约8.7吨，如果不算附加的安全壳体设备，其重量只有6.9吨。盘式交流发电机的转子绕水平轴旋转，重约5177千克，使用镍铬铁的铸件经热处理而成，上面用镍镉钛合金箍固定2对扇形轴心磁场的钕铁硼永磁体。镍镉钛合金箍具有很大的弹性预应力，可确保固定高速旋转中的磁体。转子旋转速度为6400转/分，一个转子可存储121兆焦的能量，储能密度比蒸汽弹射器的储气罐高一倍多。一部弹射器由4台盘式交流发电机供电，安装时一般采用成对布置，转子反向旋转，可减少因高速旋转飞轮带来的陀螺效应和单项扭矩。弹射一次仅使用每台发电机所储备能量的22.5%，飞轮转盘的转动速度从6400转/分下降到5200转/分，能量消耗可以在弹射循环的45秒间歇中从主动力输出中获得补充。四蓄能发电机结构允许弹射器在其中一台发电机没有工作的情况下正常使用。由于航母装备4部弹射器，每两部弹射器的动力组会安装到一起，集中管理并允许其动力交联，因而出现6台以上发动机故障而影响弹射的事故每300年才会重复一次。盘式交流发电机采用双定子设计，分别处于盘的两侧，每一个定子由280个线圈绕组的放射性槽构成，槽间是支撑结构和液体冷却板。采用双定子结构，每台发电机的输出电源是6相的，最大输出电压1700伏，峰值电流高达6400安，输出的匹配载荷为8.16万千瓦，输出为2133～1735赫兹的变频交流电。盘式储能交流发电机的设计效率为89.3%，这已经通过缩比模型进行了验证，也就是说每一次弹射将会有127千瓦的能量以热量形式消耗掉。发电机定子线圈的电阻仅有8.6毫欧，这么大的功率会迅速将定子线圈加温数百度，所以设计了定子强制冷却。冷却板布置在定子的外侧，铸铝板上安装不锈钢管，内充WEG混和液，采用流量为151升/分的泵强制散热。根据1/2模型测试可知，上述设计可以保证45秒循环内铜芯温度稳定在84摄氏度，冷却板表面温度61度。
       真正最为关键、技术难度最大的部件是高功率循环变频器。这个技术是电磁弹射器的真正技术瓶颈。EMALS现在正处于关键性部件工程验证阶段，循环变频器仅仅是完成了计算机模拟，还没有开始发展工程样机。从设计上看，循环变频器是通过串联或者并联多路桥式电路来获得叠加和控制功率输出的，它不使用开关和串联电容器，省略了电流分享电抗器，实现了完全数字化管理的无电弧电能源变频管理输出。其每一相的输出能力为0～1520伏，峰值电流6400安，可变化频率为0～4、644赫兹。循环变频器设计非常复杂，它不仅需要将4台交流发电机的24相输入电能准确地将正确的相位输入到正确的模块端口，还必须准确的管理298个直线电机的电磁模块，在滑块组运行到来前0.35秒内让电磁体充电，而在滑组经过后0.2秒之内停止送电并将电能输送到下一个模块。循环变频器工作时间虽然不长，每次弹射仅需工作10～15秒，但热耗散非常大，一组循环变频器需要528千瓦的冷却功率，冷却剂是去离子水，流量高达1363升/分，注入温度35摄氏度的情况下可确保系统温度低于84摄氏度。目前，美国对这一核心部件的保密工作非常重视，除了基本原理外，几乎没有任何的模型结构、工程图片披露。2003年，美国海军和通用电气公司签订合同，要求花费7年时间完成这一部件的实体工作。
       到目前为止，美国在海军航母电磁弹射器上花费了28年的时间和32亿美金的经费，预计将在2014年服役的CVN－78航母上正式使用这一设备。从设计和工程实现的关键性部件的性能来看，成功地按时间表投入使用的可能性非常大。目前的主要技术问题出在线形同步电机上，18米所必模型所显示的效率仅为58%，而50米1/2模型显示的效率仅有63.2%，这证明能量利用率还不足，功率也成倍增加，以目前的设计是不能完成散热需求的。另外一个问题在于军用系统的防火要求，永磁体对温度比较敏感，存在退磁临界温度，一般在100～200摄氏度之间，航母的火工品较多，火灾事故并不罕见，如何保证磁体的磁强度不受大的影响还是一个很棘手的问题。电磁弹射器功率巨大，其磁场强度也非常可怕，现代战斗机上复杂的电磁设备都非常敏感，容易受到干扰，因此需要特别加强电磁弹射系统的磁屏蔽工作。由于弹射器的磁体是开槽形的，和蒸汽弹射器的蒸汽泄露一样会有很强的磁泄露，所以目前设计了复杂的磁封闭条，在离飞行甲板15厘米的高度就能将磁场强度降低到正常环境的水准。相关的电磁干扰和兼容性问题将在2012年进行专门的适应性试验。
         美国预期电磁弹射器达到如下指标：起飞速度：28～103米/秒；最大牵引力和平均牵引力之比：1.07；最大弹射能量：122兆焦；最短起飞循环时间：45秒；重量：225吨；体积：425立方米；补充能源需求：6350千瓦。
  
后记
       中国在电磁弹射技术领域里一直处于理论研究和同步试验研究验证的小规模发展阶段。线圈炮方面，1996年中国曾发布了一个口径90毫米的4磁体级的样炮原型机，可以达到电能转换50%以上，瞬间能源有成熟的20兆焦和100兆焦输出级别的器件。我国是稀土永磁体生产大国，高磁强度稀土永磁体研究水平较好，但工程实际开发工作较少。在电磁弹射器方面，我国采用跟踪研究体制，如果未来一些年内中国要发展航空母舰，电磁弹射技术将会是其中的重点。