“小車入海 ”，航母電磁彈射的上艦路

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導(dǎo)語：不久前，從福建艦甲板上“飛出”的一輛紅色小車，標(biāo)志著我國正在彈射器領(lǐng)域“飛躍巔峰”。我國艦載機(jī)電磁彈射“上艦路”面臨哪些突破和挑戰(zhàn)？

央視網(wǎng)關(guān)于“福建”艦進(jìn)行“小車靜載”彈射試驗(yàn)報(bào)道截圖

一、航母彈射器的從“非主流”到“頂流必備”

隨著艦載機(jī)越來越重、所需跑道越來越長，彈射器在輔助艦載機(jī)起飛中的作用愈發(fā)突出：在二戰(zhàn)初期，航母艦載機(jī)僅6%的起飛架次通過彈射器實(shí)現(xiàn)；

至二戰(zhàn)末，已經(jīng)超過40%的起降是通過彈射器實(shí)現(xiàn)；彈射器也愈發(fā)復(fù)雜——從早期火藥、壓縮空氣動(dòng)力再到液壓動(dòng)力，發(fā)展如今的蒸汽彈射動(dòng)力，彈射器與斜角甲板、光學(xué)助降系統(tǒng)成為航母的頂流配置，包括“福建”艦立項(xiàng)早期也曾規(guī)劃安裝蒸汽彈射器。

航母蒸汽彈射和電磁彈射技術(shù)對(duì)比

然而，蒸汽彈射器其結(jié)構(gòu)與性能已到達(dá)性能頂峰，為避免作業(yè)時(shí)對(duì)氣缸活塞形成較大側(cè)壓，使用時(shí)對(duì)海況、航向與側(cè)風(fēng)角度、縱傾角都有極為嚴(yán)苛的限制條件；典型蒸汽彈射器的加速度峰均比為1.15～1.2，彈射末速度誤差可達(dá)2.57m／s以上,推力不穩(wěn)定，艦載機(jī)機(jī)體受力不均衡容易受損。而一套蒸汽彈射器系統(tǒng)總重量達(dá)500余噸、1100立方米以上;日常使用與維護(hù)需要上百人作業(yè)。如何讓彈射器更高效、更輕小、運(yùn)行維護(hù)更便捷廉價(jià)，電磁式飛機(jī)推射系統(tǒng)（EMALS,簡(jiǎn)稱電磁彈射器）應(yīng)運(yùn)而生。

二、電磁彈射才是未來航母的最佳選擇

從總體上看，電磁彈射器的基本原理是先將航母上供給的電能通過某種儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存起來 ，然后在彈射過程中利用直線電機(jī)快速轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動(dòng)能進(jìn)行釋放。

電磁彈射器相對(duì)蒸汽彈射器閉環(huán)操控、操作自由度高、適應(yīng)性好

電磁彈射器除了準(zhǔn)備時(shí)間短、維護(hù)成本低、占用空間小外，相比于蒸汽彈射器，電磁彈射器的優(yōu)勢(shì)就是具有閉環(huán)反饋和更加靈活的推力操控，不僅可以發(fā)射更重的艦載戰(zhàn)斗機(jī)，也可以用于發(fā)射更輕的艦載無人機(jī)，而且推力更加線性，對(duì)艦載機(jī)的損傷更小。

電磁彈射器對(duì)艦載機(jī)更加友好——相比而言電磁彈射器通過優(yōu)化彈射曲線/采用閉環(huán)反饋實(shí)時(shí)控制等手段，加速度峰均比可達(dá)1.05，彈射末速度誤差可控制在0～1.5m／s以內(nèi)，且輸出能量調(diào)節(jié)范圍大。從而大幅減小對(duì)艦載機(jī)的沖擊，有利于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并可使機(jī)體使用壽命提高3成；更能適應(yīng)未來飛翼等構(gòu)型的艦載機(jī)特別是無人機(jī)彈射需求。

作為新一代航母的標(biāo)志性技術(shù)，我國早在本世紀(jì)初就開展電磁彈射有關(guān)技術(shù)的深入研究 ，于2017年下半年確定為我國航母配套彈射器。

我國某測(cè)試基地內(nèi)的電磁彈射器（左）與蒸汽彈射器（右）

自2016年下半年起，福建艦采用的電磁彈射器，已在位于渤海灣畔的艦載機(jī)綜合試驗(yàn)訓(xùn)練基地進(jìn)行了海量的陸地彈射試驗(yàn)，積累了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

三、為什么“小車彈射入?！辈缓?jiǎn)單

電磁彈射器關(guān)鍵技術(shù)主要有六大分系統(tǒng)：能量接口分系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)分系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、能量分配分系統(tǒng)、直線電機(jī)分系統(tǒng)、彈射控制分系統(tǒng)，都經(jīng)過了多年研究并已經(jīng)成熟。并在全球各行業(yè)領(lǐng)域不同程度應(yīng)用，從理論上電磁彈射器的研制不存在難以克服的障礙。

電磁彈射系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

但理想有時(shí)難免與工程實(shí)踐有所差距，僅在艦上條件將上述系統(tǒng)整合運(yùn)行就非易事。經(jīng)過安裝正確性檢查并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)結(jié)束后，還要在艦載真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行彈射。

接受陸上電磁彈射測(cè)試的殲15

因而在下水到服役這段時(shí)間，福建艦上的彈射器會(huì)先后經(jīng)歷空載測(cè)試、靜載荷測(cè)試、實(shí)機(jī)測(cè)試。前不久福建艦將一輛配重測(cè)試紅色小車彈射到福建前面的港池水中并激起水花。這一幕也曾經(jīng)被美國海軍用來測(cè)試航母上的電磁彈射器。盡管與真正的艦載機(jī)相比這輛“小車”其貌不揚(yáng)，但為實(shí)現(xiàn)這“成功一彈”美國曾經(jīng)用了4年。

美國“福特”號(hào)航母小車電磁彈射試驗(yàn)

早在2011年，美國成功在陸上利用電磁彈射器放飛了艦載機(jī)，但直到2015年6月5日，美國海軍和紐波特紐斯船廠在已下水19個(gè)月的“福特”級(jí)航母首艦（CVN-78）上才完成了小車電磁彈射試驗(yàn)，成功彈射配重為36噸（F-35C艦載機(jī)最大重量為31.75噸）小紅車，成為首個(gè)在航母上被電磁彈射系統(tǒng)彈射的載荷。與“福特”號(hào)相比，福建艦在下水后18個(gè)月內(nèi)即利用彈射小車開展靜載荷測(cè)試，也體現(xiàn)出我國電磁彈射技術(shù)相對(duì)成熟穩(wěn)定。

美軍電磁彈射起飛地面試驗(yàn)裝置

四、電從何處來，如何支撐電磁彈射系統(tǒng)？

世界上沒有完全完美的技術(shù),電磁彈射也存在一些短板。例如,它的技術(shù)密集度比蒸汽彈射要高得多,這必然會(huì)帶來可靠性降低的問題,這是一個(gè)基本規(guī)律;而且它對(duì)電力的依賴很大,需要強(qiáng)大的發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng),這對(duì)戰(zhàn)艦的發(fā)電和控電要求比較高,中小型常規(guī)動(dòng)力航母很難負(fù)擔(dān);再者,它會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的電磁輻射,會(huì)干擾艦艇電子設(shè)備的運(yùn)行。

1）福建艦為什么采用中壓直流電力系統(tǒng)

受陸上輸電技術(shù)發(fā)展與交流電本身特點(diǎn)的影響，長期以來，船舶的大功率用電多被交流電所壟斷、以中壓交流電為主流。

然而面對(duì)電磁彈射器帶來水漲船高的全系統(tǒng)用電需求，中壓交流電船電越發(fā)難以滿足其需求，交流電特性導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，而提高電磁彈射器的故障率。

“福特”號(hào)的綜合電力系統(tǒng)

2016年6月12日，沿用傳統(tǒng)中壓交流電系統(tǒng)的福特級(jí)航母，2號(hào)主發(fā)電機(jī)發(fā)生了一次小規(guī)模電氣爆炸，電磁彈射器直到目前為止離設(shè)計(jì)目標(biāo)仍有相當(dāng)差距，其故障率不及設(shè)計(jì)指標(biāo)1/6。其中問題之一即是中壓交流電系統(tǒng)存在供電不穩(wěn)定產(chǎn)生的過載問題，導(dǎo)致中壓交流彈射系統(tǒng)非常容易出現(xiàn)短路以及電機(jī)燒壞的情況。

而福建艦專門為電磁彈射器搭配中壓直流綜合電力系統(tǒng)，作為第二代電力系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)中電流只在一個(gè)方向上流動(dòng)，沒有周期性的正負(fù)變化。這意味著不需要一個(gè)特定的頻率就可以保持恒定的電壓級(jí)。這一特性使得中壓直流具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，例如比中壓交流電技術(shù)故障率更低、供電過程中耗能更小，其部分設(shè)備更精簡(jiǎn)、運(yùn)行方式更靈活、整體可靠性更高、傳輸功率密度更高、可承受的功率波動(dòng)更高。

正在進(jìn)行調(diào)試中的中壓直流綜合電力系統(tǒng)組件

直流電系統(tǒng)最大的技術(shù)難點(diǎn)是如何讓其斷流，由于直流電系統(tǒng)電流沒有自然過零點(diǎn)，電弧無法像交流電斷路那樣自然熄滅，所以直流電系統(tǒng)研發(fā)起來非常困難。為此我國科研團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)層面，先后攻克了艦船綜合電力系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)理論、系統(tǒng)模型與仿真、并聯(lián)機(jī)組功率均分、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)保護(hù)、系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)以及高功率瓶頸技術(shù)，完成了中壓直流綜合電力系統(tǒng)集成和性能試驗(yàn)。

2）國產(chǎn)飛輪助力電磁彈射“削峰填谷”

雖然電磁彈射器一次彈射持續(xù)時(shí)間大多不超過3S，但峰值功率卻高達(dá)數(shù)百兆瓦，因此需要航母專門配備電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，在1分鐘不到時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存超過100MJ的能量為電磁彈射系統(tǒng)直接供電。因此找到能量密度很高，保證足夠可靠性的儲(chǔ)能方式成為難點(diǎn)。如福特號(hào)航母的飛輪儲(chǔ)能裝置既因設(shè)計(jì)與制造缺陷，導(dǎo)致高轉(zhuǎn)工作時(shí)喘振嚴(yán)重影響作業(yè)安全；實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速降低近1/3，限制了實(shí)際功率。既增加單機(jī)電力故障而全系統(tǒng)宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，更使排故時(shí)需全部設(shè)備停用，縮短航空作業(yè)周期內(nèi)的有效作業(yè)時(shí)間。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2014年之前，海軍工程大學(xué)公開論文證實(shí)已經(jīng)成功研發(fā)50MW（兆瓦）飛輪儲(chǔ)能裝置。在馬偉明院士的指導(dǎo)下，王東教授等軍內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)多年苦心研究，目前我國集中突破了高能量密度、長脈寬和長壽命的慣性儲(chǔ)能技術(shù)，創(chuàng)造性提出了將拖動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器及主發(fā)電機(jī)共軸集成，并將飛輪與轉(zhuǎn)子合二為一的儲(chǔ)能系統(tǒng)。這套系統(tǒng)在測(cè)試中充分展示了其在短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存較多電能的能力，峰值輸出功率超過美國電磁彈射系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的兩倍，且儲(chǔ)能飛輪的壽命至少可以滿足幾十萬次充放電循環(huán)，從而讓電磁彈射系統(tǒng)持續(xù)彈射艦載機(jī)的效率得到提高。

結(jié)語：

作為新一代航母核心技術(shù)，隨著福建艦海試愈發(fā)臨近，我國首個(gè)航母電磁彈射器還會(huì)面臨很多問題和挑戰(zhàn)。在未來，將以福建艦及搭載的電磁彈射器為起點(diǎn)，不斷迭代升級(jí)，助力更多型號(hào)的艦載機(jī)在深藍(lán)飛躍甲板。

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