“小車入海 ”，航母電磁彈射的上艦路

出品｜網(wǎng)易新聞

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

央視網(wǎng)關于“福建”艦進行“小車靜載”彈射試驗報道截圖

一、航母彈射器的從“非主流”到“頂流必備”

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

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

航母蒸汽彈射和電磁彈射技術對比

然而，蒸汽彈射器其結構與性能已到達性能頂峰，為避免作業(yè)時對氣缸活塞形成較大側壓，使用時對海況、航向與側風角度、縱傾角都有極為嚴苛的限制條件；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2.57m／s以上,推力不穩(wěn)定，艦載機機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500余噸、1100立方米以上;日常使用與維護需要上百人作業(yè)。如何讓彈射器更高效、更輕小、運行維護更便捷廉價，電磁式飛機推射系統(tǒng)（EMALS,簡稱電磁彈射器）應運而生。

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能裝置儲存起來 ，然后在彈射過程中利用直線電機快速轉化為飛機的動能進行釋放。

電磁彈射器相對蒸汽彈射器閉環(huán)操控、操作自由度高、適應性好

電磁彈射器除了準備時間短、維護成本低、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，也可以用于發(fā)射更輕的艦載無人機，而且推力更加線性，對艦載機的損傷更小。

電磁彈射器對艦載機更加友好——相比而言電磁彈射器通過優(yōu)化彈射曲線/采用閉環(huán)反饋實時控制等手段，加速度峰均比可達1.05，彈射末速度誤差可控制在0～1.5m／s以內，且輸出能量調節(jié)范圍大。從而大幅減小對艦載機的沖擊，有利于飛機結構的設計，并可使機體使用壽命提高3成；更能適應未來飛翼等構型的艦載機特別是無人機彈射需求。

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

我國某測試基地內的電磁彈射器（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綜合試驗訓練基地進行了海量的陸地彈射試驗，積累了豐富的試驗數(shù)據(jù)。

三、為什么“小車彈射入海”不簡單

電磁彈射器關鍵技術主要有六大分系統(tǒng)：能量接口分系統(tǒng)、能量存儲分系統(tǒng)、電力調節(jié)分系統(tǒng)、能量分配分系統(tǒng)、直線電機分系統(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)領域不同程度應用，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)構成示意圖

但理想有時難免與工程實踐有所差距，僅在艦上條件將上述系統(tǒng)整合運行就非易事。經(jīng)過安裝正確性檢查并進行系統(tǒng)聯(lián)調結束后，還要在艦載真實環(huán)境下進行彈射。

接受陸上電磁彈射測試的殲15

因而在下水到服役這段時間，福建艦上的彈射器會先后經(jīng)歷空載測試、靜載荷測試、實機測試。前不久福建艦將一輛配重測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)被美國海軍用來測試航母上的電磁彈射器。盡管與真正的艦載機相比這輛“小車”其貌不揚，但為實現(xiàn)這“成功一彈”美國曾經(jīng)用了4年。

美國“福特”號航母小車電磁彈射試驗

早在2011年，美國成功在陸上利用電磁彈射器放飛了艦載機，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個月的“福特”級航母首艦（CVN-78）上才完成了小車電磁彈射試驗，成功彈射配重為36噸（F-35C艦載機最大重量為31.75噸）小紅車，成為首個在航母上被電磁彈射系統(tǒng)彈射的載荷。與“福特”號相比，福建艦在下水后18個月內即利用彈射小車開展靜載荷測試，也體現(xiàn)出我國電磁彈射技術相對成熟穩(wěn)定。

美軍電磁彈射起飛地面試驗裝置

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,電磁彈射也存在一些短板。例如,它的技術密集度比蒸汽彈射要高得多,這必然會帶來可靠性降低的問題,這是一個基本規(guī)律;而且它對電力的依賴很大,需要強大的發(fā)電和儲能系統(tǒng),這對戰(zhàn)艦的發(fā)電和控電要求比較高,中小型常規(guī)動力航母很難負擔;再者,它會產(chǎn)生比較強的電磁輻射,會干擾艦艇電子設備的運行。

1）福建艦為什么采用中壓直流電力系統(tǒng)

受陸上輸電技術發(fā)展與交流電本身特點的影響，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)的福特級航母，2號主發(fā)電機發(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計目標仍有相當差距，其故障率不及設計指標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，導致中壓交流彈射系統(tǒng)非常容易出現(xiàn)短路以及電機燒壞的情況。

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)技術系統(tǒng)中電流只在一個方向上流動，沒有周期性的正負變化。這意味著不需要一個特定的頻率就可以保持恒定的電壓級。這一特性使得中壓直流具有多項優(yōu)勢，例如比中壓交流電技術故障率更低、供電過程中耗能更小，其部分設備更精簡、運行方式更靈活、整體可靠性更高、傳輸功率密度更高、可承受的功率波動更高。

正在進行調試中的中壓直流綜合電力系統(tǒng)組件

直流電系統(tǒng)最大的技術難點是如何讓其斷流，由于直流電系統(tǒng)電流沒有自然過零點，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。為此我國科研團隊在系統(tǒng)層面，先后攻克了艦船綜合電力系統(tǒng)的電網(wǎng)結構理論、系統(tǒng)模型與仿真、并聯(lián)機組功率均分、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制系統(tǒng)分層協(xié)調保護、系統(tǒng)接口設計以及高功率瓶頸技術，完成了中壓直流綜合電力系統(tǒng)集成和性能試驗。

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)時間大多不超過3S，但峰值功率卻高達數(shù)百兆瓦，因此需要航母專門配備電力儲能系統(tǒng)，在1分鐘不到時間內儲存超過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能方式成為難點。如福特號航母的飛輪儲能裝置既因設計與制造缺陷，導致高轉工作時喘振嚴重影響作業(yè)安全；實際轉速與設計轉速降低近1/3，限制了實際功率。既增加單機電力故障而全系統(tǒng)宕機的風險，更使排故時需全部設備停用，縮短航空作業(yè)周期內的有效作業(yè)時間。

飛輪儲能系統(tǒng)結構示意圖

2014年之前，海軍工程大學公開論文證實已經(jīng)成功研發(fā)50MW（兆瓦）飛輪儲能裝置。在馬偉明院士的指導下，王東教授等軍內外科研團隊經(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能技術，創(chuàng)造性提出了將拖動機、勵磁機、旋轉整流器及主發(fā)電機共軸集成，并將飛輪與轉子合二為一的儲能系統(tǒng)。這套系統(tǒng)在測試中充分展示了其在短時間內儲存較多電能的能力，峰值輸出功率超過美國電磁彈射系統(tǒng)儲能設備的兩倍，且儲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)彈射艦載機的效率得到提高。

結語：

作為新一代航母核心技術，隨著福建艦海試愈發(fā)臨近，我國首個航母電磁彈射器還會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，不斷迭代升級，助力更多型號的艦載機在深藍飛躍甲板。

參考文獻：

[1]張明元，馬偉明，汪光森 ，王鈺，飛機電磁彈射系統(tǒng)發(fā)展綜述，艦船科學技術.2013.10

[2]馬偉明,肖飛,聶世雄.電磁發(fā)射系統(tǒng)中電力電子技術的應用與發(fā)展.電工技術學報.2016.19

[3]付立軍,劉魯鋒,王剛,馬凡,葉志浩,紀鋒,劉路輝.我國艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)研究進展.中國艦船研究?2016.01

[4]王興剛，石帥，程小亮，張凡，郭雪晴，孫玲.發(fā)電功率快速大擾動時艦用蒸汽動力系統(tǒng)動態(tài)特性試驗研究.中國艦船研究.2022.01