电磁弹射器技术篇之---中央控制系统

电磁弹射器代表了新一代航母的技术水平,它也是未来航母发展必然要突破的瓶颈。但是电磁弹射器在技术上的复杂度及工艺上的精确度却是非同寻常的。一般来说,航母本身就已经代表了一个国家的综合实力,而电磁弹射器,则是综合实力更高的体现。

鄙人前段发表了《电磁弹射器技术篇之—强迫储能装置》、《电磁弹射器技术篇之—大功率控制装置》、《电磁弹射器技术篇之—直线电机》,应该说,这些只是电磁弹射器的核心部件,然而,要控制电磁弹射器,光有这些东西还不够,必须要有中央控制系统才行。应该说,中央控制系统并不复杂,特别是自动化信息技术日益发展的今天,这些已经算不上特别先进的技术了,相比强迫储能、大功率控制装置及直线电机部分,更易实现和突破。航空母舰电磁弹射器的中央控制系统的模式和工业厂房的自动化模式相同,也是采取PLC进行控制。而针对强迫储能、大功率控制装置及直线电机部分分别设置分PLC,同时也设置了控制台的PLC及用于联络的PLC。它们之间均采用单模光纤传输信号,在速度上也保证了工作的需求。分PLC具体负责每个分部的控制,总PLC的作用主要是通讯、管理分PLC的功能。为了更好的对每个分部控制进行了解,需要对每个分PLC及相关部件单独介绍一下。

一、 强迫储能装置

强迫储能装置是什么?它的作用是缓和发电机的作功,简单的说也就是通过一定的长时间进行充电,让强迫储能装置能储存相当的能量,以确保弹射战机。我们知道,弹射一架F-35C或者是E-2的话,大约需要150兆焦的能量,而弹射时间不过两秒多,大家可以计算一下,平均功率可达几万千瓦,而电磁弹射器并不是恒功率作功,在弹射末端最大功率可达十几万千瓦,即便是航母上的发电机功率有这么大,但是如果此的冲击性负荷也会致辞发电机故障及其它用电设备无法使用。因此,必须有一种设备能平缓的从发电机吸收能量,并保证短时大功率的供应给电磁发射系统,那这个设备就是强迫储能装置。

理论上确实需要强迫储能装置,那么实物是怎么样的呢?其实实物看上去并无什么高深和特别之处,这看上去既像电动机,又像发电机,而事实上也确实如此。在充电时,它就是电动机,它通过大功率控制装置给它充电,由于大功率控制装置在原理上和我们的日常变频器一样,因此强迫储能装置实际上也就是给电动机加速,从而实现储能的目的。但是需要说的是,强迫储能装置是电机和一个惯性飞机同轴相连的组合体,惯性飞轮其实并不算太重,真正重的是电机的转子。以美国佬的电磁弹射器的强迫储能装置来说吧,飞轮只有转子的三分之一重,而转子和飞轮总重却可以达到5吨重。由于大功率控制装置在经强迫储能装置充电时,频率变化范围是0~626赫兹(弹射战机时远达不到),因此可以最高将电机拖动到150转/秒。每部强迫储能装置储存能量约90兆焦,而四部这样的强迫储能装置总共可以储存300以上兆焦的能量,远大于弹射F-35C的能量。

为什么需要储存这么多的能量呢?刚刚好不就行了吗?其实这因为对电磁弹射只知其一而不知其二。按理说,弹射一架战机所需要的能量并不多,一架F-35C最多150兆焦的能量,而一度电却有3.6兆焦的能量,算起来不过40多度电而已,一般家庭一个月的用电量差不多都可以弹射几架F-35。就象激光一样,它的能量可以切割钢板,但是这样的一次激光的总能量却煮不熟一个鸡蛋。这其实就要区别一个概念,能量和功率的区别。由于弹射战机时强迫储能装置的能量会越来越少,但是相反的,在具体弹射战机作功时,由于是加速度作功,根据公式P=F*V,在末端的需要功率反而会更大,如何保证在末端仍有强劲的功率以弹射战机呢?就必须要在弹射末端时仍有较高的储能。更何况电磁弹射器不象蒸汽弹射器,在弹射完战机后,还要反接制动,还要将感应动子复位,而这些都是需要一定能量的。因此电磁弹射器在每次弹射完战机、制动并返回后,仍有相当的能量,强迫储能装置仍保存最高转速的30%以上。不要担心再次充电会带来影响,当再次充电时由于四象限运行,强迫储能装置还可以往电网倒送电,但是送的不多,一旦感应设备检测到是倒送电,大功率控制装置会很快提高频率,最多不过倒送2秒钟的电而已。而强迫储能装置一次充电时间在约在45~55秒钟(具体看弹射何种战机)。

强迫储能装置就是电机拖一个飞轮,但是这个电机既是电动机又是发电机,原因就是它的转子,它的转子跟我们日常的三相绕线式电机没两样,也是转子有绕组并通过滑环引出来。而充电时它的转子绕组是短接的。美国佬的四部储能装置每台在充电时功率约1500多千瓦,四台总共6000多千瓦。由于储存的是动能,因此根据速度继电器就可以准确无误的知道储存的能量。值得一提的是,这四部强迫储能装置是同步运行的,因为大功率控制装置是同一个设备给的信号。而这四部强迫储能装置也是由同一个PLC给定信号进行同时工作的,如何能保证工作同步?其实不需要担心,因为这四台装置全部完全一样,而且即便是有个别速度不一致,也会因同步拖动原理而达到同样的速度。因为速度快的受到的拖动力小,而速度慢的受到的拖动力大,从而保证同步转速。达到规定速度后,转子短接开关断开。

强迫储能装置在放电时是个发电机,它的转子不再是短接,实际上在达到一个储能后已经断开。而接入的是励磁电流,这励磁电流控制可是核心装置,它是通用公司的压轴戏,励磁电流控制装置是一个成套装置,它只接受强迫储能装置部分PLC的指令,根据指令进行精确的控制励磁电流,这是一个很复杂的设备,它不仅要求电流准确,而且反应速度也是相当的快。目前全球也就只有通用公司研制成功。它可以实现输出电压完全适应于电磁弹射器的需要。要知道,电磁弹射器工作时,频率在增加,电压也在增加,电抗也在增加,相反强迫储能装置的转速却在下降,而且全部都在动态的变化之中。如何实现所有战机弹射时电压的精确输出?这个东西可谓是秘笈。值得一提的是,这四台强迫储能装置是同步供给励磁电流,它们的电压、频率一致,相位差有差别没关系,因为都是也经过整流变成直流再进行控制的,与相位差无关。

更需要一说的是,福特级航母上的电磁拦阻系统中,采用电磁拦阻而非以前的液压拦阻,如何保证战机在钩住拦阻索时受到的制动力平滑而不会过载?也需要与强迫储能装置类似的励磁电流控制装置。电磁拦阻装置从外表看与以前尼米兹级上没有什么不同,介理内部工作机制却完全不同,虽然也同样有滑轮阻尼系统,但是已不再是压缩汽缸,而是拖动卷筒并带动电机发电制动。由于它的时时监测及可控性,因此不均衡过载远低于液压拦阻系统。对战机的损伤也小得多。不过,节能方面则不如液压系统,它发电制动发出的电用电阻白白消耗掉。应该说,通用公司在这方面的成就可谓独一无二。

值得一提的是,强迫储能装置的电机在外形上与普通电机也有区别,大致看模型图,感觉到细长的感觉,它的长度确实几倍于日常电机,不过,它的散热系统也有别于日常电机,它不象日常电机把风扇直接固定在转子上,而是独立的电机驱动系统。它的定子铁芯有穿孔,在弹射战机时有专用的两级高压风扇散热,冷却气流可以直接通过铁芯进行冷却。

强迫储能装置控制的东西不多,但是最核心的是励磁电流控制装置,其它的也有电压、电流监控及电机专用保护系统,类似于工业电气用的MMC之类的。当然还有速度继电器、轴承温度仪、散热风扇等仪表或设备类。它们均统一由强迫储能装置的PLC进行控制。

记得向我提过,用超级电容器不行吗?理论上来说,当然可以,由于它提供的是直流电源,还省去了整流装置,简化了系统呢。但是现实条件不允许,虽说强迫储能装置储存的能量也不算多,但是在充放电方面要求很高。以天津的超级电容器来说吧,周国泰说它的储存密度是锂电池的一半左右,估计也能达到1千瓦时/60公斤吧,即便是这样,弹射一架战机(综合考虑)所需的高能镍碳超级电容器总重也不到3吨重,即便时增加10倍,达到30吨,也不及强迫储能装置(共4部)的一半,但是问题是,它要求在2秒钟内释放出约40多度电的能量,可行吗?而且使用寿命是多少次?不仅如此,它的最大电流几万安培电流还是末端释放出来的。在大功率控制装置中可以用脉冲宽度调制的方法调压(实际上只能降压),但是却不能增压,如此类似短路的大电流不是谁都能承受得了的,更何况在末端有最高14千伏的电压啊。由于超级电容器在放电过程中电压是会下降的,也就意味着超级电容器必须储存比14千伏更高的电压,并且具备比几万安培更大的放电能力,这种超级电容器目前来说,还办不到。但是目前办不到也并不代表未来就一定办不到,超级电容器还是很诱人的,毕竟它有一定的优点,比如说可以提供直流电源,省去了整流设备,也不需要复杂的励磁电流控制装置,通过脉冲宽度调制也可以实现调压的效果,以适应弹射战机的需要。

强迫储能装置共有四套,英国佬的计划有六套,大家可以看出来都是双数,为什么呢?其实有好几个方面因素。首先,每两个相对放置,并单独安装在一个底座上,与舰体隔离。由于旋转方向相反,而且速度相同,因此可以抵消对整个舰艇不平衡的影响,要知道,在弹射战机的时候,扭矩力的影响还是很大的。其次把一个较大的物体分解成几个较小的物体,技术上实现容易,安装及检修方面还比较方便。不过也有它的不利因素,因为每套都有单独的控制及保护系统,以致于整个系统更加复杂,增加很多的断路器及电缆、仪表等。中国的应以两套为宜,在技术方面有难处时可以考虑四套,多了则不适合整个系统的控制。

强迫储能装置所有控制都有所属PLC进行控制,包括散热、监测等设备。它接受总PLC的指令并完成储能及弹射时释放强大的能量。在充电的时候,弹射室的输入传输到总PLC,总PLC会经强迫储能装置PLC一个信号,告诉它该储多少能量,并要弹射什么样的飞机。强迫储能装置会从舰艇上电源通过大功率控制装置进行储能,强迫储能装置PLC闭合储能断路,并短接转子回路,整个电路象电网给强迫储能装置供电的电路。储能多少通过速度继电器反馈给PLC,储能完毕后转子闭合处断开,储能回路断路器断开。储能完毕后,由强迫储能装置PLC反馈信号给总PLC,总PLC再反馈给弹射室,操作人员根据战机调备情况,手动按下弹射按钮,手动信号传给总PLC,总PLC协调大功率控制装置、强迫储能装置、直线电机部分的三个PLC,协调控制以弹射战机。而做为强迫储能装置的PLC,先控制弹射回路断路器闭合,这时回路变成强迫储能装置向直线电机供电的情况,它的转子立即接通励磁电流控制装置,励磁电流控制装置会根据PLC的参数自动计算并输出励磁电流,以达到精确励磁电流控制输出。

二、 大功率控制装置

与强迫储能装置配套,它也有四套大功率控制装置,与其一对一对应。大功率控制装置相当于日常的变频器,与强迫储能装置不同的是,它不仅有风冷却,也有一套水冷却系统。具体可见本人发表的《电磁弹射器技术篇之—大功率控制装置》。大功率控制装置的PLC也全局管理这四套大功率控制装置。它的核心部件是脉冲宽度调制控制的CPU部分。与强迫储能装置相同,它也是由一个装置精确并同时控制这四台大功率控制装置,以完成储能及弹射战机的任务。

大功率控制装置主要由整流部分、滤波部分、脉冲宽度调制及弦波耦合部分组成。附件有监测仪表、保护装置、风冷及水流散热系统等组成。整流主要的任务是把交流变成直流电,这个大家都清楚,滤波作用是利用电容稳定直流电压的波动。因为即便是经过了三相桥式整流后,也是脉动的直流电,而电容可以起到稳定电压的功能。整个核心功能就是脉冲宽度调制。了解电子的对脉冲宽度调制技术当然不陌生,控制基极对元器件的时间导通就可以对主电路进行有效控制,我们知道,改变脉冲列的周期可以调节频率,那么在此基础上,通过控制基极通过,控制导通时间就可以改变脉冲的宽度或占空比(调制后的矩形波与未调制的矩形波之比,当然比值只能小于等于一),可以改变电压,从而实现可调电压和可调频率的需要。当然,这些输出都是矩形波,而矩形波其实可以分解成很多高次谐波,对用电负荷会产生很多额外损耗甚至影响到其工作的。因此必须经过耦合设备来实现接近正弦的能力。如果是超级电容器,可以省去整流及滤波部分,通过脉冲宽度调制技术可以实现调频及调压的效果。但是由于超级电容器开始时电压高,末端时电压低,与弹射器工作电压正好相反,因此需要储存更高或更多的电量,通过控制占空比在开始时降低电压,但是这样的脉冲电压较短,有的甚至是尖脉冲。由于它只能降压而不能增压,因此末端差不多是全波输出,以满足作功需要。

大功率控制装置的PLC大都分时间均处于等待状态,它需要总PLC给它的信号并反馈给总PLC以实现联动控制。主要工作状态为充电及弹射做功两种。当接受到储能信号时,大功率控制通过舰艇上的电源给强迫储能装置充电,为了保证充电功率的平稳,频率不断增加,但不是线性的,因为能量跟速度的平方成正比,因此作功加速在早期很快,而到后期就越慢。我们日常的变频器可以把频率从零加到50赫兹,以上就不加了,为什么呢?其实并不是不能加上去直至60或70赫兹的,这在控制系统方面随便改一下很容易就能做到。但是增加频率也同时会增加功率。就拿变频恒压供水来说吧,由于电机拖动水泵,轴输出与转速有很大的关系,超过工频(我们的50赫兹,西方的是60赫兹)会增加功率输出,不仅电机受不了,变频也要把参数提高一些。大功率控制装置在储能的时候频率可以从零增加到600多赫兹,而整个能量储存约50秒钟内功率几乎是稳定,这方面的调节控制主要由大功率控制装置内部程序控制,而非大功率控制装置的PLC。其实能量的输入就只有舰艇的发电机,航母电磁弹射器的强迫储能装置的目的就是为了缓解发电机的压力,避免冲击性负荷的影响,但是强迫储能装置并不是节省了电能,相反加上损耗还增加了能耗,只不过改善了发电机的供电环境罢了。

当转子连同飞轮的转速达到要求时,大功率控制装置的PLC会控制大功率控制装置的CPU,让其停止工作,并断开储能回路断路器及断开转子短接开关。很多人认为,由于是四个大功率控制装置是同时断开的,很难保证四套储能装置储存的能量完全一样多。其实是多虑了,因为这四套装置完全一样,而且四套装置就只有一个CPU并同时进行控制,在储能上相差极小,与总的储能相比,根本不会有任何影响,何况它们并不并联工作,而是直接接入直线电机模块单元工作的。

储能完成,并不是立即工作,还需要等弹射的指令,而弹射指令是由弹射室内人员手动给的信号。这个信号经总PLC后直接传输到强迫储能装置PLC、大功率控制装置PLC及直线电机管理PLC,这3个分PLC在总PLC的分布协调下同步完成弹射战机的任务。特别是强迫储能装置PLC和大功率控制装置PLC的协调必须一致,因为在弹射战机不过短短的2秒多时间内,强迫储能装置由能量逐渐增大的变化,而大功率控制装置也是由输出功率逐渐增大并在末端突然反向制动,这方面的控制必须十分精确,不能有丝毫差错,否则就会引起相当严重的后果。直线电机管理的PLC也必须十分精准的投入和切除相关回路的断路,以保证同步的工作。在弹射战机的时候,大功率控制装置输出的电压迅速增加,频率也迅速增加,不过频率最高远低于储能时达到的最高频率。这种电压及频率的变化目的只有一个,那就是在规定的距离内,以恒定的力把战机匀加速到起飞的速度(加上甲板风),然后立即反向制动,在极短的距离内必须停下来。制定的加速度很大,可以达到几十个G。至于弹射器感应动子的复位,其实就是返回原处,以便继续弹射下一个战机的控制则要求要宽松的多。感应动子返回的速度并不快,而且消耗的功率也不算大,因为感应动子本身就很轻,强迫储能装置虽然储存的能量在弹射和制动后所剩不多,但是让动子返回还是小意思,何况这时的电压和频率要求也不是那么高。在感应动子返回是其实跟电梯控制比较相近,当然,其实这时不用强迫储能装置,而是直接从舰艇的电源通过大功率控制装置及直线电机的控制来返回感应动子(甲板上就是弹射梭)也是完全可以的。只不过强迫储能装置由于需要在末端的高功率输出及高功率的制动需要,在弹射完战机并制动后仍有相当一部分的能量,所以完全可以胜任这份工作。其实,即便是动子返回,强迫储能装置内仍有不小于储存总量16%的能量,而转速也不低于最高转速的40%。

大功率控制装置在整个工作中,基本上就是相当于变频器的作用,不过要比日常的变频器要复杂的多,因为,它不仅要弹射各种战机,适应不同重量及不同的起飞速度。还有精确控制的作用,特别是在弹射战机的2秒多时间内,频率变化急剧,输出功率骤增,一般变频器,即便是高压变频器也是很难做到的。这方面除了CPU的先进功能外,性能优异的主控元器件也是关键因素之一。当然,美国佬采用的是数量众多的IGCT元器件分别进行串联及并联进行控制。而且由一个CPU同时对四部大功率控制装置进行控制。除了元器件的性能好外,先进的水冷系统也是必不可少的,因为电子元器件毕竟比不上一般强电电路的断路器及导线,导电能力不管怎么说还是无法相提并论的。因此产生的热量也是不可忽视的。仅凭风冷只能在外表进行冷却,效果是无法满足要求的。但是水冷所需的附件也是很麻烦的,它不仅要求主路元器件有散热孔,还有复杂的循环水管联系起来,同时还需要一套冷却装置。采用的是去离子水,进口水温为0到4度低温。不过,它不需要长时间进行冷却,只是在弹射的短时间内进行冷却,在储能及动子返回时由于发散热量少而不需要进行水冷却。实际上水冷却动力也是储能式蓄压供水,美国航母上每套弹射器配一套旋转储能时蓄压器,通过高压水流流动元器件的内部,从而带走大部分热量,每套总功率(含外部风机、制冷装置等)可达500千瓦。

需要补充一下,由于英国佬无法象通用公司那样研制出强迫储能装置的励磁电流控制装置,因此它放弃了强迫储能装置精确调压的功能。转子只是输入恒定的直流电(并不是所有战机的直流都是一样的),改到利用大功率控制装置进行调压的功能,它是采用在整流电路进行调压,整流我们一定听到过斩波整流,其实也就是降压整流,而斩波整流后的直流电压脉动更严重,完全靠滤波是容处理。但是斩波整流只能降压,不能升压,因此就必须确保在弹射末端时仍保高于工作时的电压。这好比两个人担水,前面的人把桶往后去一点,自己可能轻一点,但是后面的人就会重一点。在能力有限的时候,往往需要妥协,强的一方要妥协弱的一方才能总终共同成功。航母和战机也本身存在着妥协,战机弱的时候航母妥协一下,而航母能力弱的时候战机有时候需要妥协一下才行。

因此,大功率控制装置的PLC不仅要主控大功率控制的CPU,还有控制散热系统及各种监测、保护、显示等仪表及设备,而且还要求它们准确无误的启停。无论是充电储能还是弹射战机,大功率控制可谓承上启下,沟通舰艇电源、强迫储能装置及直线电机之间,作用无可替代。

三、 直线电机部分

直线电机在美国的电磁弹射器系统中又称飞机电磁发射系统,战机就是靠它弹射起飞的。美国电磁弹射器的直线电机是由诺格公司研制的,当然也有电机方面的专家支持。电磁发射系统这部分在储能时并不工作,而且弹射战机时它却从强迫储能装置吸收能量,并通过大功率控制装置的控制下,稳定的施加推力,在规定的距离内达到起飞速度,然而制动停下来,再返回到弹射位置。直线电机部分的PLC需要控制的点很多,主要是对断路器的控制,由于美国佬的电磁弹射器直线电机部分分为8段(英国佬的分为6段)。为什么要分段呢?本人在《电磁弹射器技术篇之—直线电机》中已经讲得很清楚,无非就是因为直线定子太长,而动子相对较短,如果不分段会使定子单元长时间处于通电而不作功的状态,不仅空载电流大,长时间工作也使直线电机模块单元发热,从而对定子单元不利。但是分段太多又会造成控制复杂,电缆浪费严重等现象,不过,相对于不利,控制复杂及电缆浪费来说是可以克服的。由于美国佬的电磁弹射器采用4+4+1模式,即4部强迫储能装置、四部大功率控制装置、一部电磁发射系统。那么每部弹射器在直线电机分段控制中需要4*8= 32台断路器(不含互为备用联结断路器),这些断路器由于数量太多,而且每两部弹射器的设备集中放在一起(美国佬的1#弹射器和2#弹射器控制装置放在一起,3#弹射器和4#弹射器控制装置放在一起),为了节省空间,全部采取了模数化断路器,分线桥架布线,大大节省了占用空间。

因此可以说,直线电机的PLC主要的任务就是闭合及断开直线电机控制段的断路器。由于直线电机要求在动子在到来前的0.1秒必须先通电,完全离开后断开电源,因此必须采用预先控制,就是通过感应开关输入信号给PLC,PLC再输出闭合或断开的信号经断路器。而这些断路器别看体积小、重量轻,可性能一点也不逊色,其分断电流能力惊人,而且动作时间短,合闸时间小于0.1秒,分闸时间小于0.04秒,同时可靠性很高,否则即便是哪一个断路器控制失灵,都可能使弹射战机时发生悲剧性后果。因此在本人看来,直线电机分段太多并不合适,而且可靠性不强,但是分段太小又会导致电流较大,直线电机模块单元通电时间太长而发生烧毁的危险。因此应该折中考虑,以4段为宜。正是因为如此,英国佬在四分之一模型试验中,采取了一定数量的静态转换开关,什么是静态转换开关?其实就是所谓的电子元件利用导通与截止来达到开关的效果。我们日常的声光控开关就是如此,这种开关的好处是导通及载止时间短,控制准确,应该来说,特别适合做为电磁弹射器的切换开关。但是它也有很明显的缺点,那就是耐压和载流量远不如普通断路器,因此我怀疑,这种开关的实用性。毕竟,英国佬的四分之一模型与真实弹射器的电压和电流相比,差别不是一般的大,而真正实用的弹射器如果采用静态转换开关,需要解决的问题还有很多。当然,现在不行并不代表以后不行,如果这方面能有所突破的话,相信必为首选,而且分段再一些也无妨。另外还有一种动态转换开关,也就是我们所说的普通的断路器,这种断路器,英国佬称之为高能转换开关,对它的要求,特别是可靠性提出了很高的要求。因为英国佬还不如美国佬,他有6个而不是美国的4个强迫储能装置及大功率控制装置,转换开关数量比美国佬的还要多,任何一个开关出现故障,都会影响到整体工作效果。因此对开关的性能及可靠性及检测变得尤为重要。而且,这种开关的体积还要受到严格限制。

直线电机的PLC还有输入信号部分,这部分主要以感应开关、直线电机模块单元的传感器、仪表等设备,同时还有散热系统。因此直线电机的PLC的接线很多,不过虽然接线很多,但是控制并不复杂,程序也比较简单。关于直线电机部分,如果想深入了解的,可以网上搜索本人发表的《电磁弹射器技术篇之—直线电机》一文,这里不再赘述了。

四、弹射室部分

弹射室是操作弹射器的地方,有专业人员进行控制电磁弹射器并进行储能及弹射战机。这里需要操作的并不多,主要是监控仪表太多,目的是提醒操作人员各种设备的工作状态及工作环境。比如采取比较形象图象填充效果显示储能结果,动态位移显示弹射战机过程及弹射梭返回过程等,不过,所见即所实,所有反应都是真实的效果。而直线电机模块单元由于数量太多,采取了颜色来显示状态,绿色表示正常,红色表示异常并报警,严重的则拒绝执行操作。报警通过闪烁、变色、声光等手段提醒。黄色表示虽可以工作但是接近报警,各种设备显示一揽无余,同时隐藏不必要显示的部分,但是通过点开窗口可以查看每一部件的具体数据及状态。这些数据都是每个分PLC通过总PLC并传输到弹射室的PLC并经过显示设备显示出来,经备操作人员查看。

输入部分很简单,均有按钮、转换开关及触摸式进行。比如说可以通过转换开关把弹射器处于试验之中,试验又分空射及带载试验。而弹射战机时则通过按钮选择各种战机(程序中已有),由于航母的速度及风速是自动输入到系统中的,因此不需要另外输入,而挂载武器及载油量则通过输入及弹出窗口处选择即可,每次调整后都必须经另一个人(不是操作人员)确认后方可进行下一道程序。当然,通过联结PLC在指挥控制室也能够监视操作人员的操作结果,发现异常可以发出警示,但是他们却没有权限进行弹射操作。

我们知道航母上面,通过手势传递信号,这个即便是采取了电磁弹射也仍没有改变。由于操作人员在弹射室内,受视觉限制,很难看到全部,因此它们只能被动的进行操作。一般来说,弹射完一架战机后,下一架战机进行调配、检查、弹射挂钩挂上弹射梭、接上制动杆(加油、挂弹提前完成),与工作同时进行的是强迫储能装置正在储能,为什么储能装置储存时间为45至55秒呢?因为调配及准备战机也差不多需要这么长时间,所以说即便是2秒钟存储了足够的能量,还是需要这么长时间的等待,因此这些都是精确统计并事先确定的程序。弹射操作人员是被动式接受操作,但是也有保护装置,如果储能装置没有完成储能或者有故障情况,即便是操作人员按下了按钮,也不会弹射,反而会发出警告,提示操作人员不能操作。需要指出的是,尾流喷焰挡板的控制也是由弹射室人员控制的,虽然与电磁弹射器没有直接联系,但是也是由其集中控制。另外,弹射操作人员不仅靠看,也靠听,指挥控制室可以直接向其发出指示。

弹射室的PLC主要是对操作人员开放,大部分是显示部分,而且显示的资源来源于其它PLC并经过总PLC传输过来的。然后就是操作人员的输入控制部分。与工厂的操作台有些类似,同样有监控及显示设备以满足对设备的监控。操作人员所作的主要工作就是调配参数,比如选择弹射战机类型、武器挂载、装油量等,这些参数输入到弹射室的PLC后,会传输到总PLC,总PLC会给强迫储能装置的PLC及大功率控制装置的PLC,并协调它们工作以进行储能。储能多少会由总PLC计算出应该储多少能量,并把参数传给下属两个PLC。而一旦储能完毕,总PLC会控制下属停止储能,并把储存完毕信号传输给弹射室的PLC,操作人员就可以直接看到储能完毕的指示和提醒,如果甲板上战机具备弹射条件了,则可以视甲板上的指挥人员手势进行弹射控制并按下按钮。按下按钮后,信号会传输到总PLC,总PLC会根据弹射战机的类型、挂弹量、装油量计算总重并计算出起飞所需的速度。由于甲板风(航母的速度加上迎风速度)是外部设备直接输入的,总PLC就可以计算出准确的起飞速度。算出起飞速度后,总PLC还必须计算出弹射推力,打个比方,如果直线电机总长100米,弹射段为90米,制动段为10米,弹射力多大,作功多长时间,什么时候进行准确无误的进行制动,什么时候制动停止,这些都由总PLC把计算结果输入到各个分PLC,而各个分PLC会按监指令同步工作,不能有丝毫差错。强迫储能装置的PLC会计算所需的精确励磁电流控制输出,大功率控制装置的PLC计算出如何输出电压及频率,直线电机的PLC则不需要计算,它只是根据各种测量设备的信号进行控制。

五、联结部分

电磁弹射器不是单独工作的,它的工作需要监视,因此内部设备的工作状态需要有人监督,而这些数据的就是通过联结PLC提供,其实它也是从总PLC那获得相关数据。比如监控显示备直接接在联结PLC的输出端口上就可以直观的监察各种设备的工作状态。另外,为了电磁弹射器的工作可靠,互为备用也是需要联结PLC支持的。说1#弹射器的强迫储能装置坏了,可以用2#弹射器的强迫储能装置及大功率控制装置给1#电磁弹射器的直线电机做为驱动控制。从而保证设备的高可靠性。不过,由于强迫储能装置及大功率控制是一体化的,也就是1#电磁弹射器的强迫储能装置及大功率控制装置必须整体工作,不可能用用1#电磁弹射器的强迫储能装置及2#电磁弹射器的大功率控制装置配合起来使用。在美国航母电磁弹射器中,1#和2#电磁弹射器可以互为备用,事实上1#和2#电磁弹射器的设备都放置在一起,也方便联结。同理3#和4#电磁弹射器可以互为备用。

基本上来说,联结部分的PLC的主要功能主要是与外界沟通的作用,但是它的通讯是单向的,外界只能看到情况,而不能对其输入任何信息。外界如果有什么情况,可以通过其它通讯设备进行联络。

六、总结

电磁弹射器是个系统的工程,与蒸汽弹射器相比,进步不是一般的大。但是,任何一种新事物都必须面临一系列的挑战,也可能会遇到很大的挫折,电磁弹射器这方面也中例外。应该说,只要方向是对的,不管面临多大的困难,也应该勇往前进。我们不应该畏首畏尾,失败可能是最好的馈赠,在相同排水量的前提下,有弹射器的比没有弹射器的作战效能至少提高一倍以上,而电磁弹射器是代替蒸汽弹射器的必然之路。因此,我们发展电磁弹射器也是理所当然的事情。充分借鉴别人的成果有利于我们自身的发展,特别是发展中的短板影响,但是照搬照抄却是不可取的。需要根据自身的能力和特点来发展属于自己的产品。举个简单的例子吧,我们的无论是歼-15或者是歼-20都比F-35C及E-2D重的多,F-35C及E-2D满载最多二十多吨,而我们的满载肯定在30吨以上,所需的弹射能量也超过老美,在研制的难度上也绝不比美国佬的差。当然美国佬的电磁弹射器研究并非一帆风顺,中间也经过很多挫折,方案也几度更改。但是最终研制成正果,福特级上电磁弹射器已不是梦。

美国佬的电磁弹射器最初总重限制在500吨每部,但是最后达到700多吨,虽然在重量的指标上超过了,但是有些功能及指标却相应的提高了,特别是对弹射无人机及可靠性能方面,更是做出了很多成就。事实证明,一味的求高或许并非是明智之举,而实用才是真正所需要的。

关于电磁弹射器技术篇已经全部写完了,希望我们的军工也能充分吸取美国及英国在电磁弹射器研发过程中的教训,坚定信心,早日实现中国航母上的电磁弹射之梦。


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