電磁彈射器

電磁彈射器包括：電源、強迫儲能裝置、導軌和脈沖發生器等，但彈射器還多了強迫降溫及精確控制。

分別介紹如下： 
　　1、 電源裝置 
　　電磁彈射器用的是直流電源，而且在電磁彈射器工作時是負荷沖擊性非常大。雖然有了儲能裝置，但由于要求彈射器在很短時間內起飛更多架次的飛機，所以對電磁彈射器的電源容量要求也比較大，一般容量在5~8萬KVA左右（但輸出電壓卻不高）。這么大的功率的交流發電機當然不是問題，但如果是直流發電機則必須是無刷穩流直流發電機，否則滑環的強大電流會灼傷換向器。 
　　2、 強迫儲能裝置 
　　強迫儲能裝置是電磁彈射器的核心部件，它不僅緩解了發電機的壓力，同時在彈射器不工作時吸收發電機的能量，使發電機幾乎不受沖擊性負荷的影響。強迫儲能裝置原理不復雜，但實施起來很麻煩。早期美國使用的強迫儲能裝置是這樣的：用一個交流發電機給一個交流電動機供電，這其實很容易辦到，但這個電動機的轉子同時拖動直流發電機和一個慣性特別大的自由轉子（約上百噸）一起旋轉。我們知道，這么重的自由轉子起動起來有一定的難度，然而這么重的自由轉子運行到高速時具有非常大的動能。而在彈射器工作時，在發電機看來是接近短路的電流會產生強大的制動力阻止發電機繼續運行，電動機將無能力拖動，但此時由自由轉子強大的儲能強制拖動直流發電機運行，從而完成沖擊性負荷過程。自由轉子會因此速度降低，但起動結束后電動機會在發電機沒有負荷下把自由轉子拖動到一定的速度，從而完成儲能。但需要說明的一點是，這里的電動機既不是鼠籠式電機，也不是繞線式電機，還是轉子有一家電感及線圈的電機。 
　　后來，美國佬干脆用高性能電池代替，為此老美子采用了上萬個高性能抗沖擊負荷的電池，每個單體電池最大做功能達到5~10KW，有效時效為35S，彈射器工作時由發電機和電池同時為彈射器做功，做功后的電池因強制放電而電壓降低，但彈射器工作完畢后發電機將完成對電池的充電。這里也需要說明的一點就是大家不要把這里的電池當成日常生活的鉛酸電池，這里的電池內阻很低，有很強的抗沖擊能力及快速復充電能力。 
　　但目前美國佬使用的強迫儲能裝置都不是以上兩種。 
　　3、 導軌 
　　電磁彈射器的導軌與電磁軌道炮的差異很大，也比其復雜的多。 
　　電磁彈射器的導軌共有4個，分別為上部2個，下部2個。但每跟導軌都非常長（200米以上），安裝在起飛甲板的下面。并且每跟導軌內部均有超導體與其熔接，中間是高壓冷卻油，其冷卻油在進入導軌前的溫度低于-40℃，而從導軌出口的溫度低于-30℃。不僅如此，導軌與飛機牽引桿的接觸面至導軌中心還有很多特細的小孔，所以其冷卻油不僅僅是為超導體降溫，還有潤滑的作用，而且會使飛機牽引桿在運行時降溫。 
　　飛機牽引桿是在飛機前輪下與飛機前輪連為一體的裝置，可收縮并放置在飛機的腹腔內。其中間也為超導體，但無油冷確通道，而且與導軌連接處面積較大，均為軟接觸。在起飛前，飛機牽引桿伸出至上下導軌之間，飛機發動機起動并開如運行，但約一秒鐘時彈射器通電，強大的電流從導軌經飛機牽引桿后再流回另一對導軌并形成回路，牽引桿在強大的電磁力下被推動運行到高速（未到起飛速度，但只差一點）后電流被強制截止，牽引桿將不再受力，但在飛機發動機的推力下達到起飛速度。為什么未達到起飛速度就斷電呢？是因為由于飛機牽引桿與飛機連為一體，如果這時繼續通電的話，飛機起飛時將把飛機牽引桿拉出，斷電時會產生強大的電弧灼傷飛機牽引桿。 
       4、 脈沖發生器 
　　以上過程實際上是脈沖發生器完成的。蒸汽彈射器為使發動機與彈射器同步運行（縮短起飛距離），用一根鋼棍先擋住飛機運行，由于飛機發動機推力無法推斷鋼棍，但與彈射器合力卻可推斷鋼棍，從而使飛機在彈射器與發動機合力下起飛。但電磁彈射器卻無需鋼棍擋住，在飛機起飛時電磁彈射器同步通電，但電流是逐漸增加起來，而且在起飛末段將電流截止。 

電磁彈射器的優點

       美軍為何要采用電磁彈射器？這是因為這種彈射器有很多優點，首先是加速均勻且力量可控。C－13－1型蒸汽彈射器發射是最大國在可以達到6g，，而整個行程的平均加速度僅有2g多一點，F/Ａ－18戰斗攻擊機飛行員常產調侃C－13－1彈射器在后段往往沒有飛機自身的發動機加速得快。隨著速度和氣缸容積的增加，過熱蒸汽的膨脹絕大多數能量用于蒸汽本身的加速和推動上了，而體積增加后氣體膨脹所需蒸汽的比例成立方關系增加。目前的蒸汽彈射器廠度和氣缸容積幾乎達到極限，到彈射沖程的末端，蒸汽基本上只能加速活塞，對飛機的幫助不大。電磁彈射器的推力啟動段沒有蒸汽那種突發爆炸性的沖擊，峰值過載從6g可以降低到3g，這不僅對飛機結構和壽命有著巨大的好處，對飛行員的身體承受能力也是一個不錯的改善。此外，由于電磁彈射的加速和彈射器的長度沒有關系，除了受到氣動阻力和摩擦阻力的影響外，彈射初段到末段的基本加速度不會出現太大的波動，這就比蒸汽彈射的逐步下降來得更有效率。根據計算，平均加速度一樣時，電磁彈射器可以比蒸汽彈射擊讓飛機多載重8%~15%。
       另一個比較重要的好處在于電磁彈射器具有很大的能量輸出調節范圍。蒸汽彈射器的功率輸出依靠一個叫速率閥的東西，利用控制蒸汽流量的方式控制彈射器的功率輸出，機械的可調節性能輸出達到1：6差不多就是極限了；而電磁彈射的功率輸出是由電路系統控制的，從大功率民用變電的經驗可知1：100以內的變化是相當容易的。美國海軍未來將會大量使用輕重不一的無人機，目前的蒸汽彈射器很難適應這個要求。對航母的設計是和海軍操作人員來說，電磁彈射器是一個大福音，它不僅將機庫甲板的占用面積縮減到原來的1/3，而且重量還輕了一半。大幅減輕高過重心位置的重量對航母的穩性設計是個很有益的舉措，同時既不用再為復雜的蒸汽管道迷宮所困擾，也不用再為灼熱的蒸汽泄漏和四處污濺、難以清潔的潤滑油所發愁。
                       
電磁彈射器的結構

         美軍研發的電磁彈射器由三大主要部件構成，分別是線性同步電動機、盤式交流發電機和大功率數字循環變頻器。
         線性同步電動機是電磁彈射器的主體，它是20世紀80年代末期研究的電磁線圈炮的放大版。電磁線圈炮也叫電磁線圈拋射器，1831年法拉弟發現電磁現象以后就有人開始設想電磁線圈炮。1845年，有科學家在理論試驗中將一個金屬柱拋出20米；1895年，美國有項專利設計了理論上能夠將炮彈拋射230千米的線圈炮；1900年，挪威物理學教授克里斯坦?勃蘭登獲得三項關于電磁炮的專利；1901年，勃蘭登在實驗室制造了一座長10米、口徑65毫米的模型，可以把10千克的金屬塊加速到100米/秒，這引起了挪威政府、德國政府的注意。德國著名的火炮生產廠商克虜伯公司為勃蘭登教授提供了5萬馬克的研究經費，勃蘭登設計了一門長27米、口徑380毫米的巨炮，預計可以將2噸重的炮彈發射到50千米遠，彈丸速度可以達到900米/秒。為了實現這個目的，勃蘭登設計了3800多個線圈，重量達到30噸。使用這門大炮需要3千伏、600千安的直流電源。當時的技術條件根本不可能提供這種直流電源，因此該炮最后被廢棄，炮上所用的大量銅絲在后來的戰爭中被作為重要戰略物資回收。
       1970年，德國科隆大學的哈布和齊爾曼用單機磁線圈將一個1.3克的金屬圓環加速到490米/秒，這一成果迅速引起世界范圍內的高度重視。1976年，蘇聯科學家本達列托夫和伊凡諾夫宣布已將1.5克的圓環加速到4900米/秒。20世紀80年代，美國太空總署（NASA）桑地亞中心一直在進行電磁線圈炮的概念性研發工作，他們曾嘗試修建一個長700米、仰角30度、口徑500毫米、采用12級、每級3000個電磁線圈的巨炮，可以將2噸重的火箭加速到4000~5000米/秒，推送到200千米以上的高度。NASA預計使用這個系統發射小型衛星或者為未來興建大型近地空間站提供廉價的物資運送方式，其發射成本只有火箭的1/2000。在早期概念性研究階段，NASA發展了一系列解決瞬間能源的技術方案，這些都成為電磁彈射的技術基礎。美國EMALS中的線性同步電動機采用了單機驅動的方式，只是用一臺直線電機直接驅動，和以前的雙氣缸蒸汽彈射并聯輸出不同。線性電動機長95.36米，末段有7.6米的減速緩沖區，整個彈射器長103米。彈射器中心的動子滑動組，由190塊環形的第三代超級稀土釹鐵硼永磁體構成，每一塊永磁體間有細密的鈦合金制造的承力骨架和散熱器管路，中心布置有強力散熱器。雖然滑組在工作中其本身只有電感渦流和磁渦流效益產生不多的熱量，但是其位置處于中心地帶，散熱條件不好，且永磁體對溫度敏感，高過一定溫度就會失效。滑組和定子線圈間保持均勻的6.35毫米間隙，相互間不發生摩擦，依靠滑車和滑車軌道之間的滑輪保持這個間隙不變。滑動組上因為沒有需要使用電的裝置，所以結構比較簡單，且無摩擦設備，需要檢修和維修的工作量極少。彈射中，每一塊定子磁體將只承受2.7千克/平方厘米的應力。由于滑動組采用了固定的高磁永磁體，所以定子被設計成電磁，形狀為馬鞍形，左右將滑動組包圍，上部有和標準蒸汽彈射器相同大小的35.6毫米的開縫。定子采用模塊化設計，共有298個模塊，分為左右兩組，每個模塊由寬640毫米、高686毫米、厚76毫米的片狀子模塊構成。一個模塊上有24個槽，每個槽用3相6線圈重疊繞制而成，這樣每一個模塊就有8個極，磁極距為80毫米。槽間采用高絕緣的G10材料制成，每個槽都用環氧樹脂澆鑄，將其粘接成一個無槽的整體模塊。通過數字化定位的霍爾元件，定子模塊感應滑車上的磁強度信號，當滑車接近時，模塊被充電，離開后斷開，這樣不需要對整個路徑上的線圈充電，可以大大節省能源。每一個模塊的阻抗很小，只有0.67毫歐，它的設計效率為70%，一次彈射中消耗在定子中的能量有13.3兆瓦，銅線圈的溫度會被迅速加熱到118.2度，加之受環境溫度影響，這一溫度可能會高達155度。這將超過滑車永磁體的極限推辭溫度，因此需要強制冷卻，目前的冷卻方案是定子模塊間采用鋁制冷卻板，板上有細小的不銹鋼冷卻管，可以在彈射器循環彈射的45秒重復時間內將線圈溫度從155度降低到75度。線性電動機的末段是反相段，通過電流反相就能讓滑組減速并停下來，同時自動恢復到起始位置。
       從電磁線圈炮的發展歷史來看，阻礙電磁彈射器的現實化并不是線性電機本身，而是強大而穩定的瞬發能源。美國航母上采用20世紀90年NASA為電磁炮、激光武器發展的慣性儲能裝置研制而來的盤式交流發電機。新設計的盤式交流發電機重約8.7噸，如果不算附加的安全殼體設備，其重量只有6.9噸。盤式交流發電機的轉子繞水平軸旋轉，重約5177千克，使用鎳鉻鐵的鑄件經熱處理而成，上面用鎳鎘鈦合金箍固定2對扇形軸心磁場的釹鐵硼永磁體。鎳鎘鈦合金箍具有很大的彈性預應力，可確保固定高速旋轉中的磁體。轉子旋轉速度為6400轉/分，一個轉子可存儲121兆焦的能量，儲能密度比蒸汽彈射器的儲氣罐高一倍多。一部彈射器由4臺盤式交流發電機供電，安裝時一般采用成對布置，轉子反向旋轉，可減少因高速旋轉飛輪帶來的陀螺效應和單項扭矩。彈射一次僅使用每臺發電機所儲備能量的22.5%，飛輪轉盤的轉動速度從6400轉/分下降到5200轉/分，能量消耗可以在彈射循環的45秒間歇中從主動力輸出中獲得補充。四蓄能發電機結構允許彈射器在其中一臺發電機沒有工作的情況下正常使用。由于航母裝備4部彈射器，每兩部彈射器的動力組會安裝到一起，集中管理并允許其動力交聯，因而出現6臺以上發動機故障而影響彈射的事故每300年才會重復一次。盤式交流發電機采用雙定子設計，分別處于盤的兩側，每一個定子由280個線圈繞組的放射性槽構成，槽間是支撐結構和液體冷卻板。采用雙定子結構，每臺發電機的輸出電源是6相的，最大輸出電壓1700伏，峰值電流高達6400安，輸出的匹配載荷為8.16萬千瓦，輸出為2133～1735赫茲的變頻交流電。盤式儲能交流發電機的設計效率為89.3%，這已經通過縮比模型進行了驗證，也就是說每一次彈射將會有127千瓦的能量以熱量形式消耗掉。發電機定子線圈的電阻僅有8.6毫歐，這么大的功率會迅速將定子線圈加溫數百度，所以設計了定子強制冷卻。冷卻板布置在定子的外側，鑄鋁板上安裝不銹鋼管，內充WEG混和液，采用流量為151升/分的泵強制散熱。根據1/2模型測試可知，上述設計可以保證45秒循環內銅芯溫度穩定在84攝氏度，冷卻板表面溫度61度。
       真正最為關鍵、技術難度最大的部件是高功率循環變頻器。這個技術是電磁彈射器的真正技術瓶頸。EMALS現在正處于關鍵性部件工程驗證階段，循環變頻器僅僅是完成了計算機模擬，還沒有開始發展工程樣機。從設計上看，循環變頻器是通過串聯或者并聯多路橋式電路來獲得疊加和控制功率輸出的，它不使用開關和串聯電容器，省略了電流分享電抗器，實現了完全數字化管理的無電弧電能源變頻管理輸出。其每一相的輸出能力為0～1520伏，峰值電流6400安，可變化頻率為0～4、644赫茲。循環變頻器設計非常復雜，它不僅需要將4臺交流發電機的24相輸入電能準確地將正確的相位輸入到正確的模塊端口，還必須準確的管理298個直線電機的電磁模塊，在滑塊組運行到來前0.35秒內讓電磁體充電，而在滑組經過后0.2秒之內停止送電并將電能輸送到下一個模塊。循環變頻器工作時間雖然不長，每次彈射僅需工作10～15秒，但熱耗散非常大，一組循環變頻器需要528千瓦的冷卻功率，冷卻劑是去離子水，流量高達1363升/分，注入溫度35攝氏度的情況下可確保系統溫度低于84攝氏度。目前，美國對這一核心部件的保密工作非常重視，除了基本原理外，幾乎沒有任何的模型結構、工程圖片披露。2003年，美國海軍和通用電氣公司簽訂合同，要求花費7年時間完成這一部件的實體工作。
       到目前為止，美國在海軍航母電磁彈射器上花費了28年的時間和32億美金的經費，預計將在2014年服役的CVN－78航母上正式使用這一設備。從設計和工程實現的關鍵性部件的性能來看，成功地按時間表投入使用的可能性非常大。目前的主要技術問題出在線形同步電機上，18米所必模型所顯示的效率僅為58%，而50米1/2模型顯示的效率僅有63.2%，這證明能量利用率還不足，功率也成倍增加，以目前的設計是不能完成散熱需求的。另外一個問題在于軍用系統的防火要求，永磁體對溫度比較敏感，存在退磁臨界溫度，一般在100～200攝氏度之間，航母的火工品較多，火災事故并不罕見，如何保證磁體的磁強度不受大的影響還是一個很棘手的問題。電磁彈射器功率巨大，其磁場強度也非常可怕，現代戰斗機上復雜的電磁設備都非常敏感，容易受到干擾，因此需要特別加強電磁彈射系統的磁屏蔽工作。由于彈射器的磁體是開槽形的，和蒸汽彈射器的蒸汽泄露一樣會有很強的磁泄露，所以目前設計了復雜的磁封閉條，在離飛行甲板15厘米的高度就能將磁場強度降低到正常環境的水準。相關的電磁干擾和兼容性問題將在2012年進行專門的適應性試驗。
         美國預期電磁彈射器達到如下指標：起飛速度：28～103米/秒；最大牽引力和平均牽引力之比：1.07；最大彈射能量：122兆焦；最短起飛循環時間：45秒；重量：225噸；體積：425立方米；補充能源需求：6350千瓦。
  
后記
       中國在電磁彈射技術領域里一直處于理論研究和同步試驗研究驗證的小規模發展階段。線圈炮方面，1996年中國曾發布了一個口徑90毫米的4磁體級的樣炮原型機，可以達到電能轉換50%以上，瞬間能源有成熟的20兆焦和100兆焦輸出級別的器件。我國是稀土永磁體生產大國，高磁強度稀土永磁體研究水平較好，但工程實際開發工作較少。在電磁彈射器方面，我國采用跟蹤研究體制，如果未來一些年內中國要發展航空母艦，電磁彈射技術將會是其中的重點。