转:电磁飞机弹射系统

电磁飞机弹射系统(Electromagnetic Aircraft Launch System,Emals),是为美国海军未来的 CVN-21航母设计的,在新航母上,将用4具电磁飞机弹射系统代替4具传统的蒸汽弹射装置,用电磁脉冲来将飞机推至起飞速度。对比传统的蒸汽弹射装置有很多优点。 目 录

1特点

2关键技术

    2.1 直线电机

    2.2 强迫储能装置

    2.3 大功率电力控制设备

    2.4 中央微机工控控制装置

    2.5 直线感应电机

3优势特点

    3.1 效率高

    3.2 适应性强

    3.3 任意调节弹射推力

    3.4 延长战机寿命

    3.5 简化助跑系统

    3.6 系统构成相对简单

4性能测试

5重大意义

6发展趋势

1特点

美国海军要求电磁飞机弹射系统不比蒸汽弹射装置差,并要求可能的情况下要好于蒸汽弹射装置,新弹射系统的主要优势在于降低维护和全寿期费用。系统的电磁特性意味着它天生就比蒸汽弹射装置更易于控制。蒸汽弹射装置只能通过简单的阀门来释放蒸汽压力,极不均匀地将飞机快速推至起飞速度,而电磁飞机弹射系统的能量可以更均匀地以各种方式在弹射过程中加以控制,减小飞机因此而产生的应力,也缓解了机组人员的紧张程度。 2关键技术

直线电机

电磁弹射器的心脏就是100多米长的直线感应电动机,它推动与飞机相连接的电枢。而目前电枢基本上是一个U形铝块,装在定子的3个侧面。直线电机的原理并不复杂.设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开,并且展平,这就成了一台直线感应电动机。在直线电机中,相当于旋转电机定子的,叫初级;相当于旋转电机转子的,叫次级。初级中通以交流,次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动.这时初级要做得很长,延伸到运动所需要达到的位置,而次级则不需要那么长。实际上,直线电机既可以把初级做得很长,也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动,也可以次级固定、初级移动。然而,电磁弹射器也决不是仅靠直线电机工作的,它总共有强迫储能装置、大功率电力控制设备、中央微机工控控制及直线感应电机。 强迫储能装置

强迫储能装置是电磁弹射器的一个瓶颈,在国防方面一直是高度机密的。作用就是能平时储能,然后把大功率能量在短时间内释放出来。电磁弹射器工作时间不长,但是在做功时段是个加速度做功的过程,因此不能把它当成恒功率设备来考虑。电磁弹射系统的强迫储能系统要求在45秒内充满所需要的能量。最大的舰载机起飞一般需要消耗的能量不会超过120兆焦,而这强迫储能系统最大能储存140兆焦的能量,此时充电功率为3.1兆瓦,算上损失,4兆瓦左右(实际上达不到的),四部电磁弹射系统同时充电,充电总功率可达16兆瓦(1兆瓦=1000KW),可见没有强大的电源是无法满足电磁弹射需求的。当然,航母上耗电的又岂止是四部电磁弹射器,另外还有电磁轨道炮、升降机、激光(目前激光的功率都不算大)等其它用电加起来的话必须要航母总功率达60兆瓦以上,否则电磁弹射器充电时也会影响其它系统用电的。这么大的功率实际上大部分用于动力,蒸汽机机直接拖动螺旋桨而不是由发电机拖动,这样做的目的是减少能量转化产生的损失。由此可见,电磁轨道炮想在中、小型航母上恐怕短期内并不容易。而如果没有强迫储能装置,仅靠航母发电机直接提供是根本无法想象的。因为弹射器工作时间短,此时最大功率已经超过航母发电机总功率了。蒸汽弹射器有一个储汽罐,它可以把锅炉的蒸汽能量储存起来,而蒸汽弹射器弹射一架飞机后也至少需要近一分钟的储能(从锅炉来),才能再弹射飞机,让锅炉直接驱动蒸汽弹射器的话是无法想象的。电磁弹射器难就难在电能不象蒸汽,根本不适合大容量储存,象储存弹射舰载机这样的能量更是难上加难。通用原子公司在实验电磁弹射器时对强迫储能装置只字不提,可见其技术的高度机密性非同一般,想突破也非易事。 大功率电力控制设备

从原理上来说,它就是跟变频器差不多,工作时通过变换器将升高电压和频率的电流输入直线电机。于是电磁线圈便生成一个随电枢运动的运动电磁波,这个运动电磁波不是均速的,而加速度非常高的运动电磁波。借助这个运动电磁波,驱动弹射器的动子(实际上相当于电动机的转子)来高速推动战机起飞。而电磁线圈的电源来自大功率电力控制设备,它实际上是由特高功率的可控硅整流器组成其一次元件,它能在高达几千伏的电压作用下产生几万安培的电流。因为市场上的所有变频器也不可能有这样高的加速度,也就是说频率的变化会有这么快。而且变频器在频率增加时存在电机定子线路电抗增加的因素,在这里更是严重。 中央微机工控控制装置

这方面技术并不是很高,尤其是在硅谷方面迅猛发展的今天。只不过这里要求更高的可靠性和高速性、灵活性。控制装置的输出信号给大功率电力控制设备,同时又接受直线电机的反馈信号进行闭环控制,其速度是毫秒级的。也就是说其CPU运算速度的厂家来说,这些早就实现了,比如是冶炼厂的电炉控制等。而且控制装置的人机界面也是相当好的,操作人只需按下起飞什么类型的飞机,如F-18等,中央处理器会自动根据风速、航母速度、载弹量等条件分析后进行储能,并保证在消耗最你的能量下圆满起飞飞机(当然还要一点保险系数的)。包括起飞无人机、预警机、对空对海作战飞机等。而这些对于蒸汽弹射器来说是很为难的。电气的控制反应、最优控制等都是目前其它机械方面所不能比拟的。 直线感应电机

磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。关于直线感应电机实际上原理简单,在实际生活中也可遇到不少。目前美国的电梯轿厢门就是采用直线电机驱动,而中国在还大部分停在车床上等不太多的场合。用于电磁弹射器的直线电机与它们相比可谓超功率的,而且其工艺方面也比普通的高。电磁弹射器的直线电机动子是采用铝筒(大部分材料为铝),为U型状,其中3面与直线电机的定子相对,其中往复道与航母存在摩擦外,其余均不会产生摩擦,而且铝筒质量轻,远远小于蒸汽弹射器的活塞,因此返回非常容易,减速道也可短的多。实际上,其中动子部分一部分专家认为还可以进一步减轻,那么电磁弹射器效率是明显的。 3优势特点

效率高

首先是效率问题,现役的蒸汽弹射器效率只有百分之五,电磁弹射器高达百分之六十,而且没有密如蛛网的高温高压蒸汽管道维修的噩梦。在军事开资庞大的美军,是有一定意义的。 适应性强

其次是电磁弹射适应性更好,电磁飞机弹射系统具有不断监视自身的闭路系统,连续调节速度和功率,以便适应每种飞机机型的弹射剖面。电磁飞机弹射器除具有较大控制灵活性之外,其重量和大小只相当于蒸汽弹射器的一半。消除了高压、高温蒸汽管路和阀的迷宫将减少值勤作业和战斗危险。由于使用电力电子分系统,电磁飞机弹射系统的维修人员将少30%。 未来电磁飞机弹射系统是模块化的,因此便于维修和改进时不同组件和分系统的交换。电磁飞机弹射系统具有更好的性能和和弹射控制范围,适合弹射飞机的范围很广。它将加速飞机的重量约在4.5~45吨,弹射速度在100~370千米/小时之间,控制灵敏度灵活,这是蒸汽弹射器不能达到的。 任意调节弹射推力

任意调节弹射推力,哪怕是四吨的无人机,那是蒸汽弹射机一弹就碎的轻巧飞行器――讯息战的新宠,由于弹射动能配置方面的限制,轻型飞机反而更难弹射。而且不能够弹射当前美军使用的无人机。而高性能无人机登上航母是肯定的,由于有人舰载机和无人机大小不一,而蒸汽弹射器又没法调节弹射功率,而且效率太低,一次弹射一般要消耗614千克蒸汽,每次弹射结束都有大量蒸汽被排除,带走大量能量,其效率一般在4%~6%之间。而电磁弹射系统的效率约为60%左右,对能量的需求大为降低。蒸汽弹射器由于功率无法精确控制,在弹射舰载机的过程中,对舰载机的推力上下波动比较大。而电磁弹射系统能够对弹射过程中的力进行精确控制,另外,蒸汽弹射器在飞机脱钩后仍然会维持很高的汽缸压强,对弹射器末端造成极大的冲击,而电磁弹射系统在与飞机脱钩后作用力立刻反向,对弹射系统末端的冲击力远远低于蒸汽弹射器。目前的蒸汽动力弹射器不能够用于弹射任何现役无人机,而这被认为是蒸汽弹射器的最大缺陷。信息技术突破性发展以及更轻、更灵巧武器的不断出现,使无人机在“尼米兹”级航母退役之前就可能上舰执行战斗任务。而美国的政治领导层更希望使用无人机作战,以把人员伤亡、被俘的风险降低到零。 延长战机寿命

电磁弹射器还可以延长战机的寿命。电磁弹射器的功率可以根据弹射飞机的尺寸重量进行灵活调节,可用于弹射美国海军现在以及未来的各种有人飞机或无人飞机。同时电磁弹射器弹射力非常稳定,弹射过程中,其最大力与平均力的比值仅为1.05,这就大大减轻了弹射过程中飞机机体结构所受到的冲击,有研究表明,电磁弹射器的这一性能最大可使舰载机的机体寿命延长31%。此外,与蒸汽弹射器相比,电磁弹射器的尺寸、重量可降低50%,对人力的需求将减少30%,全寿命周期费用可降低20%,作战可用度可提高20%。 简化助跑系统

电磁弹射系统还有一个蒸汽弹射器不具备的优点,那就是它很容易简化为满足短距起降飞机起飞的助跑系统,能很好地与滑跃跑道形状配合,可用于轻型航母或两栖攻击舰上,甚至能够用在任何采用综合电力系统的舰艇上。而蒸汽弹射器的汽缸必须保持直线,不可能装在滑跃甲板上。 系统构成相对简单

电磁弹射系统构成相对简单。它只用直线电动机进行弹射、制动和使往复车复位,不需要保持常备状态,在完全关闭的冷态条件下不到15分钟内就能达到待用状态。实际将来经验成熟后时间会更短,而蒸汽弹射器要依靠大量的系统和分系统,有液压泵、蒸汽、水力刹车、蓄压器等等,需要不断给弹射槽预热,蒸汽弹射器的机械磨损严重,尤其是金属密封条,每弹射一次都会与此摩擦一次,更换量大。而电磁弹射系统使用的电力电子元件用无接触的瞬时电磁力,无磨损,可靠性在民用领域已得到检验,寿命都在几万小时,且具容错能力。 可见,如遇紧急情况下,电磁弹射器反应速度远远优于蒸汽弹射器。而且可靠性两者根本没法比。电磁弹射器最大弹射50吨战机,最大速度可达400千米/小时,因此它可以在航母无需高速行驶的情况下或无风的情况下起飞战机。而使用蒸汽弹射器的航母,一旦遇到紧争情况,就全指望旁边的伯克级了,所以有人说航母只适宜进攻而不适宜防守是有一定道理的,但是采用电磁弹射将会改变这种观念。 4性能测试

2008年9月,用于航母的新型电磁飞机弹射系统(EMALS)向进入舰队服役的过程中迈出了重要的一步。9月初,EMALS系统实现了里程碑1阶段10000次的高周测试(High Cycle Testing, HCT-1),测试工作是在通用原子技术公司(GA)位于美国密西西比州的图珀洛测试工厂进行的。高周测试的目的是为了检验EMALS电力与热动力设备的性能,以及能量储存子系统的舰载循环速率。为保证EMALS系统的电机能够在航母上更加有效可靠的运行,工作人员对EMALS进行了10000次的模拟弹射试验。高周测试降低了EMALS系统结构损坏的风险,增强了EMALS系统的可靠性,并检验了系统的寿命以及电磁干扰预测。 EMALS系统的第2阶段高周测试定于2009年冬季展开,第2阶段高周测试将包括系统全功率下的系列测试,以及EMALS系统运行阶段的具体预测。此外,第2阶段高周测试还将完成环境鉴定测试,以保证系统的安全性能。 EMALS系统将在未来取代目前装备在“尼米兹”级航母上的蒸汽弹射装置。美国海军航空系统司令部(NAVAIR)飞机发射与回收 (PMA-251) 项目经理兰迪·马尔表示,EMALS系统的引进将会降低航母的运行费用,并可减少舰上操作人员的数量(相对于采用蒸汽弹射装置的航母),同时还可减小对航母舰载机的磨损。 EMALS系统的设计充分考虑到了飞机在高速和低速下的平滑加速性能,这项技术增强了航母在低应力下发射舰载机的性能。此外,EMALS系统还将采用模块化的电力和电子原件,这将为保障未来航母的固定翼飞机提供更大的灵活性。 5重大意义

电磁飞机弹射系统(EMALS)将代替目前在航空母舰上用来弹射飞机的蒸汽弹射系统。利用新的电力电子装置技术,能够实现EMALS要求的高可控性、高效率、高性能。电磁飞机弹射系统是一个全集成的系统,由储能系统、电力电子系统、直线弹射电动机和控制系统组成。这些分系统组合在一起形成一个高性能的弹射系统,大大扩展未来航母的作业能力,不但能使航母搭载更重和航速更快的飞机,而且允许弹射与现有的蒸汽弹射器不匹配的小而轻的飞行器。这种弹射系统可以充分利用现成民用技术,其研制和应用同时还能促进相关民用技术的发展。 6发展趋势

未来舰载机更重更快的发展趋势必将导致对弹射能量要求的提高,而这一要求势必将超出蒸汽弹射器的能力范围。值得注意的是,美国设计的电磁弹射系统对印度来说可能会过大,这就意味着弹射冲击必须要降低,相应的能量供应也需要模式化。电磁弹射系统要安装上航母就必须要有相应的储能电池,因此,高能量密度的飞轮电池也必将取代低能量密度的蒸汽储能装置——锅炉。

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