走在世界高科技前沿 谈航母电磁拦阻系统

提到大名鼎鼎的福特级航母,可谓无人不知,无人不晓。它与尼米兹级相比,有四大特色,第一就是电磁飞机弹射系统(EMALS)与先进拦截索(AAG);第二是其采用了新概念武器(激光和电磁轨道炮);第三是其采用了全寿命反应堆,可以终身不用换燃料棒;第四是其拥有最先进的数据链路系统。本文只是讨论它的电磁拦阻系统(AAG)。

关于电磁弹射器,我们不再陌生,但是凡是谈及航母的却往往忽视拦阻系,有的人甚至认为拦阻系统只不过是一根绳子。其实拦阻系统出中航母上的相当重要的核心部件,没有它,想在航母上降落,那是办不到的。对于尼米兹级上的MK7液压拦阻系统,本人在以前发表过的《让战鹰平安回家——浅谈航母拦阻系统》文章中已经介绍过,这里不再多说,有兴趣的朋友们可以看一下。值得一提的是,美国在福特级航母上的电磁拦阻系统(AAG),在外表面看来,也就是在甲板的外表看,似乎与以前的MK7没有什么不同。事实上,电磁拦阻系统包括其滑轮阻尼系统仍然是一样,并没有更换,毕竟用了那么多年,也掌握了相当的经验,而且无论是电磁的还是液压的,其实在原理上仍然是相通的,也都是采取缓冲制动的方法让战机尽量避免过载的影响。总的来说,电磁弹射器包括以下部件:

走在世界高科技前沿 谈航母电磁拦阻系统

一、滑轮阻尼系统

这部分与液压的没有什么不同,全套基本上没有什么变化。只不过,它多了2个测量拉力的传感器,其实说测量拉力的,不如说它是测压的更合理,因为它在原理上确实上就是压力传感器,只不过在机械上采用刚性连接罢了。为什么会多了这种测量拉力的传感器呢?这也是电磁拦阻索的独到之处,也是电磁拦阻装置防过载的有效手段之一。但是大家也可以根据图可以看到,实际上受到传感器上的拉力等于两倍的单根钢索拉力,通过转换程序可以十分清楚的计算出战机尾钩承受的拉力及钢丝绳所承受的拉力,从而为控制过载提供了第一手信息。滑轮阻尼系统的原理我在《让战鹰平安回家——浅谈航母拦阻系统》文章中已经介绍过了,这里也不再多说了。

二、锥形卷盘

我们在日常生活中经过看到卷扬机,相信也了解卷扬机的原理,这里的锥形卷盘在原理上有很多相似之处,不过也有很多的不同,首先它是锥形而不是平直形的。为什么采取这种形状呢?原理上和液压拦阻的液压缸一样,在战机尾钩钩住拦阻索的时候,先拉动滑轮阻尼器,然后拉动锥形卷盘,而当锥形卷盘开始转动的时候,我们看到钢丝绳经过的盘径越来越小了,换句话说需要承担的拉力也越来越大(根据力臂力矩原理)。夸张的是,最大的盘径与最小的盘径相差十几倍以上。最简单的,我们转动一个圆形物体,当然靠外边缘省力些,也就是这个道理。在战机的尾钩钩住拦阻索的时候,先拉动滑轮阻尼器,再拉动卷盘,卷盘转动,并释放出钢丝绳,不过,这个卷盘里的钢丝绳是放在凹槽里,以确保其不会发生绞拧或缠绕现象。更值得一提的是这里面还有一个关键性部件,就是可调节支座,在锥形卷盘转的时候,它也会跟随移动(是平移而非转动),这个可调支座与主轴连成一体有机械传动,它与主轴同步运行,使导向滑轮始终正对着锥形卷盘的凹形出线槽,使得钢索不产生斜拉,以确保不会发生上述的缠绕或脱槽现象。这个锥形卷盘在一定程度上正好适合了降落过程中的过程变化。因为刚着舰时速度大,而整个降落过程中速度是在不断降低的。

我们知道,战机刚着舰时,速度最大,在拦阻过程中,速度会慢慢降下来,也就是速度由快到慢的变化过程,而为了保证在整个过程中的制动力保持均匀,锥形卷盘在结构上提供了这种可能。

三、制动电机

在电磁拦阻系统中,除了滑轮阻尼装置外,主要还是靠制动电机进行制动,由于速个锥形卷盘及转子质量并不重,而整个制动还是要靠制动电机来产生的制动力进行制动。整个制动过程相当于发电制动,而制动机是通过控制励磁电流来实现的。这个励磁电流的控制可谓是核心部心,AAG的电磁拦阻装置中,其励磁电流的控制采取的是预先程序再加上修正的方案实行的。首先,拦阻什么样的战机,事先由人员手动输入,比如X-47B。那么除了手动修改外,程序人员一直默认为拦阻的是X-47B战机。电磁弹射器是由人员手动操作并实现弹射战机,但是拦阻是不能用手动操作的,因为战机钩住拦阻索就是一刹那的时间,人员是很难反应过来的。因此它是由滑轮阻尼器上的拉力传感器进行控制的,说是拉力传感器,同时也包括变送器,它直接把受到的拉力信号传给中央集中控制器,中央集中控制器跟据拉力传感器的拉力变化自动分析分由此进行控制并启动励磁电流的控制程序。这个程序是事先编好的,每一种战机都有相应的控制程序。但是由于着舰时战机的速度和荷载肯定还是有区别的,但是变化不大,这就需要修正程序以实现较平稳的过载。其实修正程序也很简单,就是类似于PID的反馈控制,它根据拉力传感器及速度继电器的信号来实现,比如战机着舰时如果速度过高(通过速度继电器可以实时反应),重量超重(根据拉力传感器的也可以实时反应)那么制动力矩就要稍微大一些,转子的励磁电流调节大一些,否则可能即便是钩住了,战机也有可能坠海。如果速度稍微低一些、重量轻一些,那么完全可以减小制动力,转子的励磁电流调节小一些,战机受到的过载也会小一些。不过,修正程序一般是微调,对励磁电流来说,不可能有较大的变化,如果不在调整范围再不进行调整励磁电流。

整个制动电机象是一个发电机,而在发电的同时也在进行着制动作用。它在原理上与我们日常的交流发电机是一样的。不过,它不象我们日常的发电机,它发出的电压和频率并不是固定的,而是随着拦阻不同的战机会有不同的变化。但是不要以为它只是发电机,其实它也是电动机,当拦阻索需要复位时,它的转子会短接,定子接的电阻会断开,从舰用电源及控制装置受电并驱动转子旋转,以实现拦阻索复位。当然,复位是由人员手动控制的。而拦阻时,转子则通过励磁电流,定子产生的电能通过电容电阻消耗掉。

四、含底座式速度继电器

这个速度继电器与轴承底座是一个整体的,它不仅支承着锥形卷盘,还内嵌速度继电器。速度继电器与制动电机是连轴的,它的精度很高,并且有记忆功能。其实速度继电器原理很简单,它就是一个盘式永磁发电机,它通过输出的电压来反应了转速的情况。当然,轴承底座上还有温度传感器,用来检测轴承的温升情况。

五、消耗电阻

我们知道,在拦阻过程中,其实也是发电过程,发出的电怎么办?当然最好的办法是让它反馈给电网,因为航母本身就是用电大户,何愁有电用不掉?但是美国佬却让它白白消耗掉,不仅没有往电网供电,还要有另外的一套液冷散热系统为电阻散热。这不是太不环保了吗?其实谁都想节能,并非是人家不想省,而是想一省一点却得付出更大的代价,那么就需要考虑省的值不值了。首先我们知道,航母上的电源电压和频率是稳定的,而电磁拦阻装置的制动发电机发出的是频率和电压都在变化的交流电,如何并入网中?当然并非不可能,这需要整流器,把交流变成直流,然后再通过滤波,再通过逆变器变成电压与频率、相位差与电源都相同的交流电才能并网。虽然拦阻时间短,但是产生的电压和电流却并不小,这套装置可得一大笔投资而且需要很高的管理费,同时也远没有电阻可靠。即便是发的电送入电网,也对舰用主发电机造成冲击,学过电的都知道,电能产供销是一体的,单方面一处增加功率,必然会引起其它的功率减小,对电网会产生过电压甚至会引起主发电机脱网等情况。因此还不如用电阻消耗掉算了。要知道尼米兹级上的MK7还能通过自己吸收的能量给拦阻索复位呢,而电磁拦阻,不仅不能产生能量,还复另外从电网吸收电能进行拦阻索复位。因此经济性指标上比不上MK7液压拦阻系统。

再说个题外话,比如燃汽轮机,有人一直想提高它的效率,最主要的就是利用废气加热作功,但是因此会额外增加很多设备重量,从而降低功率密度。要知道,在军舰上,同样功率下,发动机越重,功率密度就越小,因为你要带发动机一起行驶的。胖人比瘦子有劲,但是却往往跑不过瘦子,就是这个原因,因为你要带你那一身赘肉一起跑。

何况在拦阻过程中并不会产生太多的电能,比如拦阻一架F-18吧,只会产生不到20度的电能,少的可怜,对整个航母的用电大户来说,简直是小意思。为什么会产生这么少的电?这是因为航母在高速行驶,战机与航母的相对速度近一步降低,另外航母本身也吸收了一部分能量,连美人都感应到,在连降落几架战机后,航母的速度有一点点的提高,还有降落不象起飞,起飞是满油满载,而降落油已经很少(但是必须有一定的余量),武器更少(最多两枚空空的导弹),整体质量大大下降了,再加上电磁拦阻系统的损耗,因此也不会发出多少的电能,因此也不值得可惜的。相反,由于是电阻,输出的电流及产生的制动力矩都是可控的,也方便控制。

六、励磁电流控制装置

这可是整个AAG控制系统的核心部分,因为单纯搞个励磁电流控制调节装置并不是什么难事,但是我们知道在战机拦阻降落中,只有不到2秒的时间,如此短的时间内要想实现精确的励磁电流控制调节可不是件容易的事。通用公司在电磁弹射器中的强迫储能装置中,也有励磁电流控制调节装置,它们在控制上也是采用相同的原理。不过,电磁拦阻系统,也就是AAG,它是通过主控程序加修正程序来实现的。整个拦阻过程中,启动控制及调节全部由中央集中控制器发出信号并控制励磁电流控制调节装置,以实现较小的过载。

通过实验证明,MK7液压拦阻系统最大会产生超过6个G的过载,这时候飞行员必须要收腹、收腿、肌肉绷紧,否则强大的过载可能会造成脱臼等损害,而且头部血液往前部汇集,可能造成晕厥或短时失明等现象。而且这时飞行员还要高度集中精力,防止战机尾钩钩不住拦阻索时拉起战机,出意外时及时跳伞,人员心理压力可想而知。人员心理压力为什么会这么大?因为着舰搞不好命丢了不说,即便命保住了还有可能会接受各种各样的调查和指控,你说心理压力能不大吗?当然,不要以为采用电磁拦阻装置人员就可以不紧张了,那是不可能的,只不过在过载的限制上对人员和战机会好受一些,但是复飞和紧急处理情况和MK7一样,来不得一点马虎的。不要以为采用了电磁拦阻装置就可以高枕无忧了,它一样需要超人的胆识和勇气,并且不会对降低事故有多少的帮助,因此它不象电磁弹射器代替蒸汽弹射器那样,会有那么多的好处。那不禁有人要问,那没有那么多好处,为什么不仍然用以前的MK7呢?其实呢,虽说没有太多好处,但是毕竟还是有好处的。第一是它结构简单,重量轻,占用空间少,维护方便(这些是相对MK7来说的)。第二是调节方便,比如拦阻不同重量的飞机时,MK7需要调节配重,而这些都是由人工操作,不仅工作量大,而且累。而电磁拦阻系统,只需按下一个选择按钮,发一个指令,什么事情由全部中央集中控制器搞定。中央集中控制器会根据选择的着舰飞机自动进行分析输出控制的励磁电流控制调节。因此不仅简化程序,操作量也减小了,时间也缩短了,以前拦阻两架不同重量飞机需要的时间大大缩短了,而对于拦阻装置,缩短时间往往就意味着救命啊。天上的飞机都在排队等着呢,而且油也不多了,汽车没油可以停在一边,飞机就完了。第三是限制过载,由于它是采用电磁力制动,并且有反馈修正控制程序,因此整个制动过程是平滑的,稳定的,最大过载可以限制在5个G左右,对战机和飞行员来说都是福音。虽说与MK7相比并没有减少多少过载,但是关键这都是人员的极限,就好比,99度和100度仅一度之差,但是一个可以沸腾,另一个却没有。也好比高考的关键几分之差,却足可造成天壤之差。

七、驱动电源

这里的驱动电源实际上就是类似变频器、断路器控制一类的设备,它从舰艇电源接入能量,通过中央集中控制器控制,任务是让拦阻索复位,以便拦阻下一架战机。不过大家不要以为它与电磁弹射器一样功率很大,它的功率并不大,最大不到1000千瓦,为什么这么小?那是因为与电磁弹射器相比,它只需驱动转子、卷筒、钢索等很轻的东西,而且时间上更没有电磁弹射器那么短,因此功率上没必要搞那么高。当战机在拦阻索作用下停止后,摘除钢索后,战机需要调配到一边去,这段时间内战机是不能降落的,否则会撞上这一架战机的,而调配战机是需要一定时间的,因此拦阻索复位事实上并不需要那么短时间完成。

需要指出的是,电磁拦阻设备的复位操作是需要人为操作的,而不是自动进行复位的。在摘除拦阻索以后,操作人员可以按下复位按钮进行复位操作了。

八、中央集中控制器

中央集中控制器是电磁拦阻系统的控制中枢神经,所有的传感器及输出都是经过它进行控制的。它实际上是一个超级PLC,具有超高的运算速度和反应速度。当然这些都是由于它的工作性质决定的,由于电磁拦阻系统它的拦阻控制程序是主控加上修正程序这个指令进行的,因此在拦阻战机前,必须要人为的选择它将要拦阻的战机类型,比如F-18,那么系统会一直认为它要拦阻的战机是F-18,直到修正到别的战机为止。主控程序对于中央集中控制来说并不复杂,它只需输出一个信号给励磁电流控制装置就行了,而励磁电流控制调节装置会跟据所给的信号输出一段脉冲电流(这个脉冲电流与一般所说的脉冲电流有本质的不同),而这段脉冲电流会通过制动电机的转子,定子从而会产生感应电流,由于转子在拦阻过程中旋转,因此整个拦阻过程实际上是在发电过程。发出的电经过电阻消耗掉,但是最关键的是产生了制动的电磁力,从而在拦阻过程中起到了施加外力进行制动的作用。每一种战机,都会有相对应的励磁电流,从而都会产生相对应制动力,以满足不同战机的需要。不过,除了主控励磁电流外,还有修正励磁电流控制,以达到精确控制,防止过载,否则与MK7相比,也没有什么优势了。这个精确修正控制是受外部传感器参数影响而进行控制的。它主要是通过滑轮阻尼器上的拉力传感器和速度继电器,由于战机在着舰时速度不可能一样,且负载也可能有差异,因此所应在传感器上的数据会与假定的目标数据存在着差异,而这些数据的正负偏差通过中央集中控制器的高速精确计算后,会得出需要调速的数据,而这些数据会在极短的时间内输入到励磁电流控制装置,而励磁电流控制装置会产即对输出的励磁电流进行调速,整个过程所需时间不到1毫秒,从而达到了精确控制,以防止过载。

中央集中控制器还具有超级的记忆功能,能进行复杂的数学计算,通过对速度继电器的统计和时间进行积分计算,可以精确计算出战机的制动距离及战机的停止位置。而如果发生钢索断裂也会通过数据准确分析出,从而在极短时间内报警,这个报警信号一旦发出,整个甲板上立即就沸腾。所有人员都会动起来,分秒必争,因为,天上排队等待降落的飞机可等不得,毕竟它们的油也不多了。

关于拦阻网,则跟尼米兹级上的一模一样,没有什么变化。电磁拦阻系统(AAG)代替液压拦阻系统并不象电磁弹射代替蒸汽弹射那样优点突出。因此也没有引起人们过多的注意力,我们发展航母,切忌追求急功近利,操之过急。必须注意技术及经验的积累,航母本身就是一个很复杂,高风险的项目,在一定的程度上,我们不仅需要一定的技术,更要有一定的心理上的准备。(文 林扬)


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我顶,真正的技术贴,希望回复的也专业点,别等下又是体制,美狗,五毛的,我在铁血最讨厌的就是这么一群人,只要提出美国先进的地方,直接就是美狗来了。不知道只有学习才能进步么?希望中国航母早日打到楼主所说的这些技术水平,国防工业加油!

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