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，實現(xiàn)彈射速度和功率的精確調(diào)節(jié)，目前已列裝“福特”號核動力航母——
新聞提示
據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)報道，美國海軍最新型航母“福特”號因“可靠性差”，將再次推遲至明年服役。“福特”號航母采用A1B型核動力裝置和隱身設計，可起降F-35C艦載機和X-47B艦載無人攻擊機，未來還將配備激光武器等新概念武器。“福特”號航母造價高達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)備受關注。
電磁彈射系統(tǒng)是采用電磁能來推動被彈射物體向外運動的系統(tǒng)。電磁彈射器可彈射包括無人機、戰(zhàn)斗機、預警機和運輸機在內(nèi)的各類艦載機，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”航母研制的電磁彈射系統(tǒng)，美國EMALS彈射系統(tǒng)已多次進行艦基全速彈射試驗，是未來戰(zhàn)機翱翔的助推器。
電磁交融：甲板上的“磁懸浮列車”
彈射器是為艦載機增加起飛速度、縮短滑跑距離的重要裝置，一般由動力系統(tǒng)、“往復車”和導軌組成。目前得到廣泛使用的蒸汽彈射系統(tǒng)依托高壓蒸汽帶動“往復車”高速運動，從而助推艦載機向前滑行，實現(xiàn)戰(zhàn)機騰飛。電磁彈射器主要由直線電機、彈射軌道、儲能系統(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驅(qū)動的磁懸浮列車相近，主要依靠動子和定子的無機械接觸，實現(xiàn)電能到動能的能量轉(zhuǎn)化。自從1831年英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象后，人們就開始設想將電磁能轉(zhuǎn)化為動能。早在1945年，美國海軍就在夏威夷建造了電磁彈射試驗裝置，開始對電磁彈射進行研究探索。
電磁彈射器依靠直線電機作為動力，通過強大的電流來使線圈產(chǎn)生磁場，從而推動與磁力模塊相連接的“往復車”高速前進，為戰(zhàn)機起飛提供有力助推。其中，直線電機是電磁彈射系統(tǒng)的“澎湃之心”。在直線電機的驅(qū)動下，彈射器次級與放置在彈射軌道下的彈射器初級發(fā)生電磁作用，實現(xiàn)帶動“往復車”運動加速飛機起飛。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)作為整個系統(tǒng)的“大腦”，可對直線電機進行實時反饋控制，并對各種信息進行組網(wǎng)和交互處理。
電磁彈射系統(tǒng)在彈射飛機時，峰值功率將超過100兆瓦，僅通過艦上的普通發(fā)電機供電只能是“杯水車薪”，必須找到能量密度較高的儲能方式。作為電磁彈射系統(tǒng)的“動力之源”，儲能系統(tǒng)的研制具有一定難度。目前一種方案利用飛輪儲能，在彈射系統(tǒng)未工作時，艦上電力系統(tǒng)使飛輪加速從而將電能轉(zhuǎn)化為動能，相當于實現(xiàn)了“充電”過程。一旦戰(zhàn)機需要借助彈射系統(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)成功進行了F/A-18E“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機、C-2A艦載運輸機、E-2D艦載預警機和第五代戰(zhàn)斗機F-35C的彈射實驗。2015年6月，美國海軍在“福特”號航母上成功進行了等重量小車電磁彈射實驗并取得了圓滿成功。經(jīng)過200余次實驗充分證實，EMALS電磁彈射系統(tǒng)可使飛機的彈射更加平穩(wěn)，同時減少飛機本身所受到的應力和損耗，具有巨大的應用前景。
自從噴氣式飛機入主航空母艦以來，為有效助力艦載機騰飛，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)復雜、占用空間大、耗費人員多和重量超標等諸多問題，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，航空母艦艦載機的載彈量和作戰(zhàn)半徑不斷增長，對飛機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行彈射，普遍應用在美國航母上的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，艦載機借助蒸汽彈射器起飛時，水蒸氣會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到60%以上。此外，電磁彈射反應更加靈敏，在系統(tǒng)完全冷態(tài)條件下，電磁彈射系統(tǒng)啟動時間只需15分鐘，相比蒸汽彈射器動輒幾小時的準備時間，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，電磁彈射器實現(xiàn)了人機系統(tǒng)的“瘦身”。每個蒸汽彈射器占據(jù)空間超過3000立方米，重約560噸，同時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，操作人員和維護工作量減少了近三成，同時使機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。
無人機在使用蒸汽彈射器進行彈射時，常常因為無法調(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提供“專門方案”。電磁彈射系統(tǒng)可根據(jù)重型戰(zhàn)斗機和小型無人機調(diào)節(jié)不同的加速度，確保了飛機起飛推力的精確平穩(wěn)，有效避免了由于推力大小波動而對飛機機體結(jié)構(gòu)造成的額外傷害，也將使飛機的有效載重增加15%，更大大改善了對飛行員彈射起飛時的承受負擔。
緊貼實戰(zhàn)：變革作戰(zhàn)方式“大舞臺”
美國在電磁領域研究由來已久，早在20世紀40年代就研制了感應型電磁彈射器樣機進行試驗，美國海軍進行的電磁彈射系統(tǒng)研制和實驗任務已經(jīng)近30年，耗資超過30億美元。進入21世紀，隨著儲能、直線電機等相關技術(shù)的發(fā)展，美國正式啟動了實用化EMALS系統(tǒng)開發(fā)。
隨著EMALS系統(tǒng)的快速推進，英國皇家海軍在新一代航空母艦的建造計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《防務與安全戰(zhàn)略審查》報告中宣布，將至少為一艘“伊莉莎白”女王級(CVF)新一代航母配備飛機彈射和阻攔裝置。英國科孚德公司開發(fā)的電磁彈射系統(tǒng)EMCAT，按計劃可實現(xiàn)15米彈射行程和每小時5次彈射，主要可用來對“捕食者”和“鷹”型無人機進行彈射。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，但也存在一些問題。電磁彈射技術(shù)的難點包括高效儲能、直線電機和彈射控制等。此外，如何有效避免溫度對電磁彈射器磁體強度產(chǎn)生影響，同時有效管控電磁彈射器強磁場對航空母艦上電子設備的干擾，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，艦載機依托電磁彈射和蒸汽彈射進行彈射起飛，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)實力。未來，隨著相關技術(shù)的發(fā)展和材料器件的改進，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。除了將裝備核動力航空母艦外，電磁彈射器還可以與滑躍跑道形狀配合，進一步列裝常規(guī)動力航母，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、導彈的推離發(fā)射平臺，甚至可以用于衛(wèi)星、飛船、火箭等空天裝備的低成本重復發(fā)射，目前美國已經(jīng)開始研究利用直線電機作為航天發(fā)射的平臺。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”。
(作者單位：國防科技大學國際問題研究中心)
來源：http://mil.huanqiu.com/observation/2016-10/9580902.html
