王　兵　陳　練

電磁彈射器被認為是蒸汽彈射器的可行替代方案，美海軍的航母電磁彈射器(EMALS)研究最早可追溯到20世紀40年代。1988年，美國開發(fā)出電磁彈射器的小比例模型，該模型長3.66米，寬為實際尺寸的一半，試驗表明，其靜態(tài)推力可達到500千牛以上，彈射直線電機的電磁輻射也能夠被控制在槽型結(jié)構(gòu)內(nèi)。此后，美國就此項研究進行了許多設計研究，硬件演示和技術(shù)探討，但受經(jīng)費限制，研究的范圍和規(guī)模有限。20世紀90年代后期，美國在論證未來航母的過程中，正式將電磁彈射系統(tǒng)擺上了議事日程。1999年，美國海軍完成了電磁彈射器的概念探討和定義工作，并發(fā)布招標書。2004年4月2日，美國海軍空戰(zhàn)中心選擇了通用原子公司的電磁彈射器方案，確定由該公司領(lǐng)導的團隊承擔電磁彈射器的研制和驗證工作。2008年9月3日，美國航母電磁彈射器完成第一階段高周試驗(HCT-1)，通過海量重復試驗(10000次)，驗證了電磁彈射器的電氣、熱力設備的性能以及儲能系統(tǒng)的充放電周期率。2009年冬，將開始第二階段高周試驗，包括滿功率試驗以及環(huán)境適應性測試，給出電磁彈射器的性能預報。

電磁彈射器的基本原理和系統(tǒng)組成

電磁彈射器利用直線感應電機的直線運動，帶動艦載機加速到起飛速度，其工作原理是：直線感應電機的初級(固定部分)通上交流電后，產(chǎn)生交變磁場，這種磁場在直線感應電機的次級(運動部分)產(chǎn)生感應電流，使次級變?yōu)橛懈袘娏鞯膶w，這樣，處于交變磁場的次級部分就會受到安培力的作用，向前運動。電磁彈射器的核心構(gòu)成包括：

彈射直線電機

彈射直線電機是電磁彈射器的核心部分。目前美國采用的是直線感應電機，其主要技術(shù)難點有三：一是高峰值功率直線電機的開發(fā)。電磁彈射器的峰值功率要求很高，可能達到100兆瓦以上，而目前能實現(xiàn)工程應用的直線電機單機功率僅為幾百千瓦。為了降低對直線電機功率的要求，美國的每部電磁彈射器都采用了4臺直線電機(單機功率超過30兆瓦)，它們的總功率可達到百兆瓦級；二是電磁泄露。需要對電磁彈射器可能產(chǎn)生的全部頻段進行模擬，并將飛行甲板上的磁感應強度與各種艦載機設備的敏感度進行對比，防止對艦上設備造成影響；三是散熱。用于電磁彈射器的永磁彈射直線電機初級的峰值功率損失可達到13.3兆瓦，銅片的最高溫度可達118.2℃，需要利用主動冷卻系統(tǒng)對其進行冷卻。直線感應電機的功率損失可能會超過永磁直線電機，因此必須考慮如何高效散熱。

儲能系統(tǒng)

電磁彈射器對電力的需求很大，在彈射較重的艦載機時，整個電磁彈射器的峰值功率可能會達到100兆瓦甚至更高，在目前的條件下，這部分用電無法直接依賴航母電力系統(tǒng)實時供給，必須依靠儲能系統(tǒng)將所需的電能事先儲存起來，在需要的時候瞬間釋放。由于體積和重量等原因，能夠滿足電磁彈射器儲能需要的現(xiàn)成系統(tǒng)無法直接用于航母。目前美國海軍的電磁彈射器采用的是飛輪儲能(FES)裝置。

電力電子變換系統(tǒng)

電力電子變換系統(tǒng)從儲能系統(tǒng)獲取電能，在長約103米的直線電機上，電力電子變換系統(tǒng)能夠在特定時間僅僅接通對彈射起作用的線圈，而不是把整個直線電機的線圈一起接通，從而使整個系統(tǒng)有效運轉(zhuǎn)。它還能通過改變供電的電壓，頻率，使電磁彈射器在各種速度上都以最高效率運轉(zhuǎn)。電磁彈射器所用的電力電子變換系統(tǒng)由可以高效控制強電能的現(xiàn)成民用電力電子裝置組成，可精確控制供給彈射電動機電脈沖的電壓和頻率。

控制與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

電磁彈射系統(tǒng)對控制與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的要求很高。在整個彈射過程中，控制與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)不間斷地監(jiān)視著電磁彈射器全系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)可根據(jù)飛機、環(huán)境的變化實施調(diào)控，使艦載機達到要求的末速度，并擔負整個電磁彈射器的報警任務。

電磁彈射器的優(yōu)勢

美國海軍之所以為未來航母選擇電磁彈射器，主裝置、彈射汽缸、活塞、復位機械等構(gòu)成，尤其是其復雜的管道系統(tǒng)被稱為“迷宮”。相比而言，電磁彈射器的構(gòu)成要簡單得多，主要由彈射直線電機、儲能系統(tǒng)、電力電子變換系統(tǒng)和控制與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)四部分組成。另外，電磁彈射器只使用電力，航母的原動機選擇靈活；而蒸汽彈射器需要蒸汽源，如果航母不采用蒸汽動力或核動力裝置，還需要專門為蒸汽彈射器配備輔助鍋爐提供蒸汽，極不經(jīng)濟，且將占據(jù)航母大量的空間和重量。

反應快，可靠、易維護、效率高

電磁彈射器利用直線電機進行彈射、制動并使往復車復位，在完全關(guān)閉的條件下不到15分鐘就能達到待用狀態(tài)；而蒸汽彈射器需要不斷給彈射槽加熱，在儲汽筒無蒸汽的情況下，達到待用狀態(tài)需要數(shù)小時。

蒸汽彈射器工作時，活塞在蒸汽的作用下沿汽缸運動，機械磨損相對嚴重，需要不斷檢修，系統(tǒng)構(gòu)成的復雜性也使其可靠性降低。電磁彈射器用直線電機對艦載機加速，結(jié)構(gòu)簡單，其電力電子變換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都由民用成熟技術(shù)發(fā)展而來，整個系統(tǒng)采用容錯設計，出現(xiàn)故障時具有快速糾錯的能力，使電磁彈射器具有很高的可靠性。

蒸汽彈射器在使用中需要大量的人力，電磁彈射器可實時自動監(jiān)視系統(tǒng)運行，提供故障和維護信息，大大減少檢修工作量和對人員數(shù)量的需求(相比蒸汽彈射器減少30％左右)，全壽期費用低。

在能量利用率方面，典型的蒸汽彈射器一次彈射作業(yè)一般要消耗614千克蒸汽，每次彈射結(jié)束都有大量蒸汽被排出，帶走大量能量，其效率一般在4％～6％之間。電磁彈射器的效率可達到60％甚至更高，彈射作業(yè)時對能量的需求大為降低。

易于控制和調(diào)節(jié)，可彈射艦載機的范圍廣

電磁彈射器可在幾百微秒內(nèi)不斷修正推力偏差，將推力峰一均比控制在1.05以內(nèi)，對艦載機的作用力均衡。蒸汽彈射器沒有閉環(huán)控制系統(tǒng)，彈射時對艦載機的推力峰一均比最大可達到2.0，對艦載機的機身的作用力極不均衡，易造成艦載機機體的疲勞損傷。

蒸汽彈射器最大的彈射能力足夠當前的固定翼有人艦載機使用，其最大彈射能力約為101.69兆焦。電磁彈射器擴展了航母使用飛機的能力范圍：電磁彈射器彈射飛機的最大能力約為122兆焦，能使更重和起飛速度更高的飛機上艦。從美國海軍當前的艦載機發(fā)展情況來看，短期內(nèi)不會出現(xiàn)更重的艦載機，因而，電磁彈射器目前最明顯的優(yōu)勢之一在于，它能夠通過調(diào)節(jié)電流等措施，對彈射力進行大幅度調(diào)節(jié)，同時滿足彈射重型艦載機和輕質(zhì)艦載機《如較輕的無人機》的需要，而蒸汽彈射器不能對彈射力進行大范圍的調(diào)節(jié)，不能彈射輕質(zhì)無人機。

順應艦艇全電化趨勢

艦艇的全電化是不可阻擋的趨勢，電磁彈射器與蒸汽彈射器相比，更加匹配全電化的航母。如果兩艘航母除了彈射器之外，其余系統(tǒng)均采用電力，那么，采用電磁

彈射器的航母將能夠提供更高的發(fā)電總量，也能夠為彈射器以外的其他系統(tǒng)提供更多的電力。這是因為：采用蒸汽彈射器的航母，其彈射器需要消耗大量的蒸汽，這部分蒸汽不能用于發(fā)電，在彈射艦載機時，效率也非常低，只有6％左右，因此該航母必須提供更多的能量給彈射器，導致其發(fā)電總量少，能夠供其他系統(tǒng)使用的電量也少。

而在采用電磁彈射器的全電化航母上，所有的系統(tǒng)都采用電力，航母可以將全部的能量轉(zhuǎn)化為電力，發(fā)電總量較蒸汽彈射器的航母多，航母可以根據(jù)需要對更多的電力進行分配；電磁彈射器的效率可達60％甚至更高，它消耗的能量也遠比蒸汽彈射器少，因而，同樣在彈射艦載機時，采用電磁彈射器的航母能夠為其他系統(tǒng)提供更多的電力。

與民用聯(lián)系緊密

首先，在研發(fā)上可借鑒民用技術(shù)。電磁彈射器最核心的技術(shù)之一是直線電機技術(shù)。直線電機有很強的民用基礎，電梯、機床、磁懸浮列車、軌道列車等都已經(jīng)運用了這一技術(shù)，電磁彈射器可以在研制的過程中借鑒相關(guān)方面的研究成果。美國海軍研究電磁彈射器的牽頭單位是通用原子公司，磁懸浮列車就是該公司的業(yè)務領(lǐng)域之一，通用原子公司能夠在競爭中獲勝與其這方面的業(yè)務不無關(guān)系。電磁彈射器的其他關(guān)鍵技術(shù)，如飛輪儲能技術(shù)、電力電子變換技術(shù)、控制技術(shù)均在民用技術(shù)的基礎上研發(fā)。20世紀80年代，正是因為相關(guān)的民用技術(shù)有了巨大的進步，人們看到了電磁彈射器以較低成本研制成功的曙光，才正式開始了電磁彈射器的工程研制。可見，民用技術(shù)本身的進步已經(jīng)對電磁彈射器的研制起到了較強的推動作用。

其次，有利于形成軍民良性互動的發(fā)展局面。與蒸汽彈射器不同，電磁彈射器的研制成果將具有廣泛的民用市場，這種民用的前景已經(jīng)不是潛力，而是有實實在在的市場需求。如美國航空航天局(NASA)已在空間站安裝了48個飛輪儲能系統(tǒng)，可提供超過150千瓦的電能；美國得克薩斯大學研制的汽車用飛輪儲能系統(tǒng)，其提供的能量能使?jié)M載車輛速度達到100千米／小時：德國西門子公司研制的長1 5米、寬0.75米的飛輪儲能系統(tǒng)，可為火車提供3兆瓦的功率；中速飛輪儲能系統(tǒng)已用于關(guān)鍵的工業(yè)不間斷電源系統(tǒng)等。電磁彈射器的這些關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)為民用后，還可能在激烈的競爭中變得更為成熟、可靠，在其取得重大突破時再通過技術(shù)移植進一步提高電磁彈射器的性能，如此往復，形成一個軍用與民用良性互動、共同提高的局面。

此外，從工業(yè)基礎的角度來看，由于電磁彈射器的關(guān)鍵設備和技術(shù)有很強的民用背景，民用市場的支持使得相關(guān)的企業(yè)不需要過多的國防經(jīng)費投入就能夠維持自己的生存和發(fā)展。相比之下，蒸汽彈射器只能用于航母，無法市場化，每年都需要大量的經(jīng)費投入才能維持其生產(chǎn)線。英國是蒸汽彈射器的發(fā)明國，但由于英國二戰(zhàn)后發(fā)展的航母不采用蒸汽彈射器，該國早已沒有了蒸汽彈射器的生產(chǎn)企業(yè)；法國雖然使用蒸汽彈射器，但選擇從美國購買，而不是自己研制生產(chǎn)，其原因與維護蒸汽彈射器的生產(chǎn)線需要大量經(jīng)費不無關(guān)系。相信隨著相關(guān)民用技術(shù)的進步，有朝一日，電磁彈射器很可能將不為美國所獨有，其他國家也可以在相關(guān)的民用技術(shù)基礎上研制出電磁彈射器，并繼續(xù)保持這種能力。

電磁彈射器能夠與某些軍用系統(tǒng)在技術(shù)上相互借鑒

電磁彈射器與電磁炮有相同的基本原理，它們在技術(shù)上能夠更多地相互借鑒。電磁炮、激光武器，電熱化學炮等都需要大量的脈沖電力，艦艇要能提供這么高的脈；中電力，必須利用儲能系統(tǒng)，這與電磁彈射器類似。相應地，為了能夠?qū)δ芟到y(tǒng)儲存的電力按照需要的電壓、電流、頻率等參數(shù)輸出，電力電子變換必不可少，這些系統(tǒng)在這方面的要求與電磁彈射器接近，都有電流和電壓大、瞬時性強的特點。另外，上述系統(tǒng)要能夠按照預想的方式工作，良好的控制也是必不可少的，電磁彈射器的大電流控制技術(shù)與上述系統(tǒng)也具有較高的相似性。此外，電磁彈射器的儲能系統(tǒng)、電力電子變換系統(tǒng)也是綜合電力系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)。

電磁彈射器與其他軍用高能系統(tǒng)的諸多相似性決定，其四項關(guān)鍵技術(shù)均能與其他軍用系統(tǒng)或多或少地產(chǎn)生“共鳴”，如果電磁彈射器的研究超前，將能夠?qū)ι鲜龈吣芟到y(tǒng)的研制產(chǎn)生帶動作用，反之，電磁彈射器也可以借鑒上述高能系統(tǒng)的研究成果。

美海軍電磁彈射器研制面臨的風險與挑戰(zhàn)

2007年8月，美國總審計署發(fā)布的評審報告稱，由于技術(shù)難度大，且難以滿足海軍的需求，電磁彈射器在完成系統(tǒng)整合階段時，已經(jīng)延期超過15個月，同時也已嚴重超支。但是“福特”級航母首艦已經(jīng)延期了一年時間，為電磁彈射器趕上裝艦使用的進度又提供了契機。盡管承包商已去掉了進度表上所有的時間余度，但是修改后的進度表不足以應對意料之外的測試和生產(chǎn)問題。雖然承包商認為系統(tǒng)整合中出現(xiàn)的問題已經(jīng)解決，而且電磁彈射器也會按時交付，但是時間依然十分緊迫，在未來的電磁彈射器研制、試驗或生產(chǎn)過程中，不能出現(xiàn)任何重大問題和差錯。

一旦電磁彈射器的研制趕不上“福特”號航母的建造進度，美國海軍將只有兩種選擇：其一，推遲“福特”號航母的建造和服役進度，為電磁彈射器的研制爭取更多時間。只要電磁彈射器不是面臨不可逾越的技術(shù)障礙，這將是最可能出現(xiàn)的情況，美國可以延長現(xiàn)役航母的服役時間，以彌補推遲“福特”號服役時間造成的影響。二是修改“福特”號航母的設計，對已經(jīng)建造完畢的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，重新采用蒸汽彈射器。但這種情況出現(xiàn)的可能性很小，除非電磁彈射器遇到了極大的技術(shù)困難。因為，如果“福特”號航母在設計時沒有考慮采用蒸汽彈射器的可能，就需要改動航母內(nèi)部的空間，以容納蒸氣管道、儲汽罐所需的空間，在各種空間已經(jīng)確定的情況下，這種改動難度將很大。此外，重新采用蒸汽彈射器將使“福特”號航母的部分性能難以充分發(fā)揮，如發(fā)電能力將受到影響，其電氣化程度將大打折扣。