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电磁弹射器,这并不是个新鲜东西。早在1945年,美国海军就建造一台电磁弹射器。能把4吨重的飞机在178米的距离加速到180千米/小时。但这跟当时已经上舰的液压弹射器有很大差距,而且使用时需要非常强大的电源,所以尽管这台电磁弹射器可靠,结实,但往后就没有什么发展。

到1992年,美国海军觉得随着科技进步,可以在不久的将来解决电磁弹射器的问题,所以提出电磁弹射器的研制。当时找的是卡曼公司开展先期研制。而后在1999年分别找了诺·格公司和通用这2家开展验证原型机的制造。必须要说明的是卡曼公司提出的方案很实际,在工程也相对容易实现些,没有使用前卫的技术,特别是没有采用超导体,而是选择了可靠性和耐用性比较高的高强永磁和常规的铜绕组电磁技术。根据卡曼公司的前期研制结果来看,他们的方案还是不错的,取得了能耗,体积,重量的一个比较好的平衡。

到2003年,诺·格公司展示了一台长50的1:4缩小比例的验证机,基本达到了预期的目标。2010年通用原子公司拿出了一台1:1工程样机,并在当年开展弹射实验,到2010年底,首次实现了弹射一架F/A18战斗机。之后又进行了重载弹射,E2D预警机弹射一系列实现。从目前试验结果来看,如期装上福特号航母,应该没有大的问题。

电磁弹射器的好处多多。首先是加速均匀且力量可控。美国现役的C-13型蒸汽弹射器发射是最大过载可以达到6g,但平均加速度仅有2g多一点,美战斗飞行员常常调侃弹射器在后段往往没有飞机自身的发动机加速得快。电磁弹射器的推力启动没有蒸汽弹射器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,由于电磁弹射器从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至少8%甚至能达到15%。

另外电磁弹射器的输出功率容易调节,而且可调控范围比蒸汽弹射器大的多,就是说,装上电磁弹射器后,弹射E2D预警机后,也可以很快弹射重量轻的多的无人机,调整起来也不象蒸汽弹射器这么麻烦。而且以后美国无人机上舰种类越来越多,重量不一,弹射这类飞机,现在的蒸汽弹射器难以胜任。

还有,随着电磁弹射器重量的大幅度减少,这对于降低航母的重心,提高稳定性有很大好处。电磁弹射器体积更有更大幅度的减少,这对于提高航母内部空间可用率是莫大好事。同时也没了密密麻麻的蒸汽管道的维护,日常使用的难以清除的大量润滑剂也大量减少。。。更重要的是,没了危险,要知道航母蒸汽弹射器的蒸汽一旦泄露,瞬间可以把人蒸熟。

那么电磁弹射器研制难点在哪呢?

美国的电磁弹射器与电磁线圈炮关系密切。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。线性同步电动机则是电磁线圈炮提高改进版。电磁线圈炮很早就已经出现,但离实用化一直有很大距离。电磁线圈炮的现实的难点并不是电磁线圈炮本身,而是没有强大稳定的瞬发能源。电磁弹射器同样面临这个问题。

说到能源,就必须提到航母动力。美国福特航母使用的是2座新型A1B核反应堆,其推进功率为104兆瓦,发电功率为96兆瓦。相比之下,最新几艘尼米兹级航母使用的A1G反应堆,每座反应堆推进功率为104兆瓦,发电功率为32兆瓦。注:104兆瓦大约合14万轴马力。

这些数字是什么概念呢?以小鹰号常规动力航母为例,小鹰号除了备用的发电机组,其发电能力仅为16.2兆瓦。而尼米兹航母航行1万海里所消耗的发电能源,假如换成燃油的话,接近小鹰号航母的全部燃油储备量。

但是,尼米兹级的64兆瓦发电率是基于上世纪70年代的需要。而90年代以来,军舰对电力的需要直线上升,64兆瓦已经远远不能满足现在的需求,更不用说使用电磁弹射器的福特航母了。说到这,我不由的想起我们的辽宁号,俄罗斯的现役航母发动功率只能勉强和小鹰号持平,而我们的航母还使用了有源相控阵雷达。。。而且福特级航母还使用了综合电力系统。在此之前,军舰面临“巡航发电耗油,高速推进费油”的局面。尽管目前综合电力系统的性价比并不算理想,但相比之下,已经是很大改善了这种状况。

回头再说电磁弹射器,电磁弹射器最为关键,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。美国在这方面的保密很重视,只有原理说明,没有任何的图片,结构披露。高功率循环变频器,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℃的情况下可确保系统温度低于84℃。

此外,线性同步电动机散热是个不小的问题。还有永磁体对温度比较敏感,存在退磁临界温度,一般在100~200℃之间,航母的火灾事故并不罕见,如何保证永磁体的磁强度不受影响也是一个麻烦事。再有,电磁弹射器的磁强度非常高,由于弹射器的磁体是开槽形的,要防止其影响飞机的各种设备,就必须对弹射器的磁屏蔽。目前这一问题已解决。。。

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。

回头看我们电磁弹射器,前不久爆出来的卫星图片显示的应该是1:1的工程样机。据说,已经开始了弹射试验。对马伟明白的报道中提到“经过5年的不懈冲刺,马伟明带领项目组完成了样机研制和试验的全过程,43项关键技术全部被攻克,申报国防专利32项。”。说明电磁弹射器最关键的强迫储能装置已被突破。

我们目前最大的问题不在于电磁弹射器本身,而综合电力系统也已经被马伟明实现。而是航母的动力,没有强大的动力,就谈不上为电磁弹射器提供能源。。。从目前美国试验的情况来看,非核反应堆不可,何况我们航母还会配套有源相控阵雷达。可我们现在核潜艇的排水量始终上不去,也明显受反应堆的功率影响。

但考虑到国家早已为蒸汽弹射器拨款研制,那么这应该就不是一个单个的项目,因为如果没有强大的动力,要实现蒸汽弹射器的应用几乎是不可能的。那么就应该有一个大功率蒸汽轮机(英国航母那样的燃气轮机不敢想)配蒸汽弹射器,这应该是一个配套项目。

不过考虑到电磁弹射器已经在试验,基本肯定会取代蒸汽弹射器,那么也应该有一个核反应堆项目在推进,况且这个核反应堆技术也能应用到核潜艇上。推进核反应堆是个一举两得好办法。

前段时间又有消息,国产航母已经在建,说明蒸汽轮机或者核反应堆其中一个基本有眉目。

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