电磁弹射:战机翱翔助推器

张乃千

2016年10月20日09:14  来源:人民网-军事频道
 

相比于蒸汽弹射方式,电磁弹射能量利用效率提升了近10倍,可弹射各类舰载机,实现弹射速度和功率的精确调节,目前已列装“福特”号核动力航母——

新闻提示

据美国有线电视新闻网报道,美国海军最新型航母“福特”号因“可靠性差”,将再次推迟至明年服役。“福特”号航母采用A1B型核动力装置和隐身设计,可起降F-35C舰载机和X-47B舰载无人攻击机,未来还将配备激光武器等新概念武器。“福特”号航母造价高达130亿美元,集众多高精尖技术于一身,尤其是首次采用的电磁弹射系统备受关注。

电磁弹射系统是采用电磁能来推动被弹射物体向外运动的系统。电磁弹射器可弹射包括无人机、战斗机、预警机和运输机在内的各类舰载机,具有弹射性能好、重量轻、占用空间小、适装性好、可靠性高、所需人力少等突出优势。目前,作为专门为“福特号”航母研制的电磁弹射系统,美国EMALS弹射系统已多次进行舰基全速弹射试验,是未来战机翱翔的助推器。

电磁交融:甲板上的“磁悬浮列车”

弹射器是为舰载机增加起飞速度、缩短滑跑距离的重要装置,一般由动力系统、“往复车”和导轨组成。目前得到广泛使用的蒸汽弹射系统依托高压蒸汽带动“往复车”高速运动,从而助推舰载机向前滑行,实现战机腾飞。电磁弹射器主要由直线电机、弹射轨道、储能系统、电力电子变换系统和综合控制系统组成,是不再依赖蒸汽和锅炉,完全电气化的新型舰载机弹射系统。

电磁弹射系统的技术原理与依靠直线电机驱动的磁悬浮列车相近,主要依靠动子和定子的无机械接触,实现电能到动能的能量转化。自从1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应现象后,人们就开始设想将电磁能转化为动能。早在1945年,美国海军就在夏威夷建造了电磁弹射试验装置,开始对电磁弹射进行研究探索。

电磁弹射器依靠直线电机作为动力,通过强大的电流来使线圈产生磁场,从而推动与磁力模块相连接的“往复车”高速前进,为战机起飞提供有力助推。其中,直线电机是电磁弹射系统的“澎湃之心”。在直线电机的驱动下,弹射器次级与放置在弹射轨道下的弹射器初级发生电磁作用,实现带动“往复车”运动加速飞机起飞。电磁弹射系统还需要精确控制弹射末速度和加速度,综合控制系统作为整个系统的“大脑”,可对直线电机进行实时反馈控制,并对各种信息进行组网和交互处理。

电磁弹射系统在弹射飞机时,峰值功率将超过100兆瓦,仅通过舰上的普通发电机供电只能是“杯水车薪”,必须找到能量密度较高的储能方式。作为电磁弹射系统的“动力之源”,储能系统的研制具有一定难度。目前一种方案利用飞轮储能,在弹射系统未工作时,舰上电力系统使飞轮加速从而将电能转化为动能,相当于实现了“充电”过程。一旦战机需要借助弹射系统起飞,飞轮系统就立刻在2~3秒内输出所蓄积的巨量电能。

“福特”号航母采用的EMALS系统由通用原子公司研制,弹射能量大,维护性、可靠性和效率高。自2010年起,美国海军就使用陆上EMALS系统成功进行了F/A-18E“超级大黄蜂”战斗机、C-2A舰载运输机、E-2D舰载预警机和第五代战斗机F-35C的弹射实验。2015年6月,美国海军在“福特”号航母上成功进行了等重量小车电磁弹射实验并取得了圆满成功。经过200余次实验充分证实,EMALS电磁弹射系统可使飞机的弹射更加平稳,同时减少飞机本身所受到的应力和损耗,具有巨大的应用前景。

自从喷气式飞机入主航空母舰以来,为有效助力舰载机腾飞,蒸汽弹射器就成为大中型航空母舰提升作战能力的最佳选择。然而,蒸汽弹射器也存在着系统复杂、占用空间大、耗费人员多和重量超标等诸多问题,日益成为制约航空母舰发展不可忽视的“短板”。尤其是随着航空技术的发展和现代高技术局部战争的需求增加,航空母舰舰载机的载弹量和作战半径不断增长,对飞机的起飞重量和起飞速度提出更高要求,传统的蒸汽弹射器渐渐“力不从心”。

蒸汽弹射器存在一系列不适宜现代战场作战的弊端。由于利用高压蒸汽进行弹射,普遍应用在美国航母上的MKC-13-1型蒸汽弹射器每次弹射要消耗近两吨汽化淡水。同时,舰载机借助蒸汽弹射器起飞时,水蒸气会吸收并带走大量热量。相比于蒸汽弹射器,电磁弹射器不再产生大量蒸汽,可使能量利用效率达到60%以上。此外,电磁弹射反应更加灵敏,在系统完全冷态条件下,电磁弹射系统启动时间只需15分钟,相比蒸汽弹射器动辄几小时的准备时间,更加符合信息化战争瞬息万变的战场态势。

更为重要的是,电磁弹射器实现了人机系统的“瘦身”。每个蒸汽弹射器占据空间超过3000立方米,重约560吨,同时还要配套海水淡化装置和大型锅炉系统。由于不再需要高温高压的气缸和管道通路,电磁弹射系统重量小于280吨,体积小于425立方米,操作人员和维护工作量减少了近三成,同时使机库甲板占用面积缩减为原来的三分之一。蒸汽弹射器大部分重量位于上层甲板,对船体中心带来一定影响,将不利于航行稳定,电磁弹射相比于蒸汽弹射更加灵活方便。

无人机在使用蒸汽弹射器进行弹射时,常常因为无法调节的过大弹射功率而“粉身碎骨”。电磁弹射系统通过控制输入电流的幅值和频率,可精确控制系统产生的弹射推力,针对不同的弹射飞机提供“专门方案”。电磁弹射系统可根据重型战斗机和小型无人机调节不同的加速度,确保了飞机起飞推力的精确平稳,有效避免了由于推力大小波动而对飞机机体结构造成的额外伤害,也将使飞机的有效载重增加15%,更大大改善了对飞行员弹射起飞时的承受负担。

紧贴实战:变革作战方式“大舞台”

美国在电磁领域研究由来已久,早在20世纪40年代就研制了感应型电磁弹射器样机进行试验,美国海军进行的电磁弹射系统研制和实验任务已经近30年,耗资超过30亿美元。进入21世纪,随着储能、直线电机等相关技术的发展,美国正式启动了实用化EMALS系统开发。

随着EMALS系统的快速推进,英国皇家海军在新一代航空母舰的建造计划中也开始考虑配备电磁弹射系统。2010年10月,英国政府在《防务与安全战略审查》报告中宣布,将至少为一艘“伊莉莎白”女王级(CVF)新一代航母配备飞机弹射和阻拦装置。英国科孚德公司开发的电磁弹射系统EMCAT,按计划可实现15米弹射行程和每小时5次弹射,主要可用来对“捕食者”和“鹰”型无人机进行弹射。与EMALS不同的是,EMCAT采用回路开放式控制系统消除了对速度传感器的依赖,可针对大多数故障自行调整和修正。除美国和英国外,俄罗斯目前也正在加紧研制可用于航空母舰的电磁弹射装置。

电磁弹射器技术虽然先进,但也存在一些问题。电磁弹射技术的难点包括高效储能、直线电机和弹射控制等。此外,如何有效避免温度对电磁弹射器磁体强度产生影响,同时有效管控电磁弹射器强磁场对航空母舰上电子设备的干扰,都是需要继续研究和解决的问题。

电磁弹射器代表了未来大中型航空母舰的发展方向,舰载机依托电磁弹射和蒸汽弹射进行弹射起飞,可有效避免滑跃起飞方式的苛刻要求,有效提升整体作战实力。未来,随着相关技术的发展和材料器件的改进,电磁弹射技术将向着提高弹射质量和弹射速度方向发展。除了将装备核动力航空母舰外,电磁弹射器还可以与滑跃跑道形状配合,进一步列装常规动力航母,甚至可以用于任何采用综合电力系统的舰艇之上。

未来,电磁弹射系统还将“由舰上岸”,成为无人机地面弹射起飞的理想发射方式。与传统火药相比,电磁弹射技术在速度、射程、杀伤力和隐身性能方面拥有突出优势,可成为未来鱼雷、导弹的推离发射平台,甚至可以用于卫星、飞船、火箭等空天装备的低成本重复发射,目前美国已经开始研究利用直线电机作为航天发射的平台。此外,电磁弹射系统还将促使以电磁炮为代表的高能电磁武器发展,成为变革未来战争方式的“大舞台”。

(作者单位:国防科技大学国际问题研究中心

(责编:邱越、张玉珂)