相比于蒸汽彈射方式，電磁彈射能量利用效率提升了近10倍，可彈射各類艦載機(jī)，實(shí)現(xiàn)彈射速度和功率的精確調(diào)節(jié)，目前已列裝“福特”號(hào)核動(dòng)力航母——
新聞提示
據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)報(bào)道，美國海軍最新型航母“福特”號(hào)因“可靠性差”，將再次推遲至明年服役。“福特”號(hào)航母采用A1B型核動(dòng)力裝置和隱身設(shè)計(jì)，可起降F-35C艦載機(jī)和X-47B艦載無人攻擊機(jī)，未來還將配備激光武器等新概念武器。“福特”號(hào)航母造價(jià)高達(dá)130億美元，集眾多高精尖技術(shù)于一身，尤其是首次采用的電磁彈射系統(tǒng)備受關(guān)注。
電磁彈射系統(tǒng)是采用電磁能來推動(dòng)被彈射物體向外運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。電磁彈射器可彈射包括無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)和運(yùn)輸機(jī)在內(nèi)的各類艦載機(jī)，具有彈射性能好、重量輕、占用空間小、適裝性好、可靠性高、所需人力少等突出優(yōu)勢。目前，作為專門為“福特號(hào)”航母研制的電磁彈射系統(tǒng)，美國EMALS彈射系統(tǒng)已多次進(jìn)行艦基全速彈射試驗(yàn)，是未來戰(zhàn)機(jī)翱翔的助推器。
電磁交融：甲板上的“磁懸浮列車”
彈射器是為艦載機(jī)增加起飛速度、縮短滑跑距離的重要裝置，一般由動(dòng)力系統(tǒng)、“往復(fù)車”和導(dǎo)軌組成。目前得到廣泛使用的蒸汽彈射系統(tǒng)依托高壓蒸汽帶動(dòng)“往復(fù)車”高速運(yùn)動(dòng)，從而助推艦載機(jī)向前滑行，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)騰飛。電磁彈射器主要由直線電機(jī)、彈射軌道、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力電子變換系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)組成，是不再依賴蒸汽和鍋爐，完全電氣化的新型艦載機(jī)彈射系統(tǒng)。
電磁彈射系統(tǒng)的技術(shù)原理與依靠直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮列車相近，主要依靠動(dòng)子和定子的無機(jī)械接觸，實(shí)現(xiàn)電能到動(dòng)能的能量轉(zhuǎn)化。自從1831年英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后，人們就開始設(shè)想將電磁能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。早在1945年，美國海軍就在夏威夷建造了電磁彈射試驗(yàn)裝置，開始對電磁彈射進(jìn)行研究探索。
電磁彈射器依靠直線電機(jī)作為動(dòng)力，通過強(qiáng)大的電流來使線圈產(chǎn)生磁場，從而推動(dòng)與磁力模塊相連接的“往復(fù)車”高速前進(jìn)，為戰(zhàn)機(jī)起飛提供有力助推。其中，直線電機(jī)是電磁彈射系統(tǒng)的“澎湃之心”。在直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，彈射器次級(jí)與放置在彈射軌道下的彈射器初級(jí)發(fā)生電磁作用，實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)“往復(fù)車”運(yùn)動(dòng)加速飛機(jī)起飛。電磁彈射系統(tǒng)還需要精確控制彈射末速度和加速度，綜合控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，可對直線電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制，并對各種信息進(jìn)行組網(wǎng)和交互處理。
電磁彈射系統(tǒng)在彈射飛機(jī)時(shí)，峰值功率將超過100兆瓦，僅通過艦上的普通發(fā)電機(jī)供電只能是“杯水車薪”，必須找到能量密度較高的儲(chǔ)能方式。作為電磁彈射系統(tǒng)的“動(dòng)力之源”，儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制具有一定難度。目前一種方案利用飛輪儲(chǔ)能，在彈射系統(tǒng)未工作時(shí)，艦上電力系統(tǒng)使飛輪加速從而將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了“充電”過程。一旦戰(zhàn)機(jī)需要借助彈射系統(tǒng)起飛，飛輪系統(tǒng)就立刻在2~3秒內(nèi)輸出所蓄積的巨量電能。
“福特”號(hào)航母采用的EMALS系統(tǒng)由通用原子公司研制，彈射能量大，維護(hù)性、可靠性和效率高。自2010年起，美國海軍就使用陸上EMALS系統(tǒng)成功進(jìn)行了F/A-18E“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)、C-2A艦載運(yùn)輸機(jī)、E-2D艦載預(yù)警機(jī)和第五代戰(zhàn)斗機(jī)F-35C的彈射實(shí)驗(yàn)。2015年6月，美國海軍在“福特”號(hào)航母上成功進(jìn)行了等重量小車電磁彈射實(shí)驗(yàn)并取得了圓滿成功。經(jīng)過200余次實(shí)驗(yàn)充分證實(shí)，EMALS電磁彈射系統(tǒng)可使飛機(jī)的彈射更加平穩(wěn)，同時(shí)減少飛機(jī)本身所受到的應(yīng)力和損耗，具有巨大的應(yīng)用前景。
自從噴氣式飛機(jī)入主航空母艦以來，為有效助力艦載機(jī)騰飛，蒸汽彈射器就成為大中型航空母艦提升作戰(zhàn)能力的最佳選擇。然而，蒸汽彈射器也存在著系統(tǒng)復(fù)雜、占用空間大、耗費(fèi)人員多和重量超標(biāo)等諸多問題，日益成為制約航空母艦發(fā)展不可忽視的“短板”。尤其是隨著航空技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭的需求增加，航空母艦艦載機(jī)的載彈量和作戰(zhàn)半徑不斷增長，對飛機(jī)的起飛重量和起飛速度提出更高要求，傳統(tǒng)的蒸汽彈射器漸漸“力不從心”。
蒸汽彈射器存在一系列不適宜現(xiàn)代戰(zhàn)場作戰(zhàn)的弊端。由于利用高壓蒸汽進(jìn)行彈射，普遍應(yīng)用在美國航母上的MKC-13-1型蒸汽彈射器每次彈射要消耗近兩噸汽化淡水。同時(shí)，艦載機(jī)借助蒸汽彈射器起飛時(shí)，水蒸氣會(huì)吸收并帶走大量熱量。相比于蒸汽彈射器，電磁彈射器不再產(chǎn)生大量蒸汽，可使能量利用效率達(dá)到60%以上。此外，電磁彈射反應(yīng)更加靈敏，在系統(tǒng)完全冷態(tài)條件下，電磁彈射系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間只需15分鐘，相比蒸汽彈射器動(dòng)輒幾小時(shí)的準(zhǔn)備時(shí)間，更加符合信息化戰(zhàn)爭瞬息萬變的戰(zhàn)場態(tài)勢。
更為重要的是，電磁彈射器實(shí)現(xiàn)了人機(jī)系統(tǒng)的“瘦身”。每個(gè)蒸汽彈射器占據(jù)空間超過3000立方米，重約560噸，同時(shí)還要配套海水淡化裝置和大型鍋爐系統(tǒng)。由于不再需要高溫高壓的氣缸和管道通路，電磁彈射系統(tǒng)重量小于280噸，體積小于425立方米，操作人員和維護(hù)工作量減少了近三成，同時(shí)使機(jī)庫甲板占用面積縮減為原來的三分之一。蒸汽彈射器大部分重量位于上層甲板，對船體中心帶來一定影響，將不利于航行穩(wěn)定，電磁彈射相比于蒸汽彈射更加靈活方便。
無人機(jī)在使用蒸汽彈射器進(jìn)行彈射時(shí)，常常因?yàn)闊o法調(diào)節(jié)的過大彈射功率而“粉身碎骨”。電磁彈射系統(tǒng)通過控制輸入電流的幅值和頻率，可精確控制系統(tǒng)產(chǎn)生的彈射推力，針對不同的彈射飛機(jī)提供“專門方案”。電磁彈射系統(tǒng)可根據(jù)重型戰(zhàn)斗機(jī)和小型無人機(jī)調(diào)節(jié)不同的加速度，確保了飛機(jī)起飛推力的精確平穩(wěn)，有效避免了由于推力大小波動(dòng)而對飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)造成的額外傷害，也將使飛機(jī)的有效載重增加15%，更大大改善了對飛行員彈射起飛時(shí)的承受負(fù)擔(dān)。
緊貼實(shí)戰(zhàn)：變革作戰(zhàn)方式“大舞臺(tái)”
美國在電磁領(lǐng)域研究由來已久，早在20世紀(jì)40年代就研制了感應(yīng)型電磁彈射器樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，美國海軍進(jìn)行的電磁彈射系統(tǒng)研制和實(shí)驗(yàn)任務(wù)已經(jīng)近30年，耗資超過30億美元。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著儲(chǔ)能、直線電機(jī)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，美國正式啟動(dòng)了實(shí)用化EMALS系統(tǒng)開發(fā)。
隨著EMALS系統(tǒng)的快速推進(jìn)，英國皇家海軍在新一代航空母艦的建造計(jì)劃中也開始考慮配備電磁彈射系統(tǒng)。2010年10月，英國政府在《防務(wù)與安全戰(zhàn)略審查》報(bào)告中宣布，將至少為一艘“伊莉莎白”女王級(jí)(CVF)新一代航母配備飛機(jī)彈射和阻攔裝置。英國科孚德公司開發(fā)的電磁彈射系統(tǒng)EMCAT，按計(jì)劃可實(shí)現(xiàn)15米彈射行程和每小時(shí)5次彈射，主要可用來對“捕食者”和“鷹”型無人機(jī)進(jìn)行彈射。與EMALS不同的是，EMCAT采用回路開放式控制系統(tǒng)消除了對速度傳感器的依賴，可針對大多數(shù)故障自行調(diào)整和修正。除美國和英國外，俄羅斯目前也正在加緊研制可用于航空母艦的電磁彈射裝置。
電磁彈射器技術(shù)雖然先進(jìn)，但也存在一些問題。電磁彈射技術(shù)的難點(diǎn)包括高效儲(chǔ)能、直線電機(jī)和彈射控制等。此外，如何有效避免溫度對電磁彈射器磁體強(qiáng)度產(chǎn)生影響，同時(shí)有效管控電磁彈射器強(qiáng)磁場對航空母艦上電子設(shè)備的干擾，都是需要繼續(xù)研究和解決的問題。
電磁彈射器代表了未來大中型航空母艦的發(fā)展方向，艦載機(jī)依托電磁彈射和蒸汽彈射進(jìn)行彈射起飛，可有效避免滑躍起飛方式的苛刻要求，有效提升整體作戰(zhàn)實(shí)力。未來，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和材料器件的改進(jìn)，電磁彈射技術(shù)將向著提高彈射質(zhì)量和彈射速度方向發(fā)展。除了將裝備核動(dòng)力航空母艦外，電磁彈射器還可以與滑躍跑道形狀配合，進(jìn)一步列裝常規(guī)動(dòng)力航母，甚至可以用于任何采用綜合電力系統(tǒng)的艦艇之上。
未來，電磁彈射系統(tǒng)還將“由艦上岸”，成為無人機(jī)地面彈射起飛的理想發(fā)射方式。與傳統(tǒng)火藥相比，電磁彈射技術(shù)在速度、射程、殺傷力和隱身性能方面擁有突出優(yōu)勢，可成為未來魚雷、導(dǎo)彈的推離發(fā)射平臺(tái)，甚至可以用于衛(wèi)星、飛船、火箭等空天裝備的低成本重復(fù)發(fā)射，目前美國已經(jīng)開始研究利用直線電機(jī)作為航天發(fā)射的平臺(tái)。此外，電磁彈射系統(tǒng)還將促使以電磁炮為代表的高能電磁武器發(fā)展，成為變革未來戰(zhàn)爭方式的“大舞臺(tái)”。
(作者單位：國防科技大學(xué)國際問題研究中心)
來源：http://mil.huanqiu.com/observation/2016-10/9580902.html
