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1、 1/11即将登场的航母电磁飞机弹射系统这是名为即将登场的航母电磁飞机弹射系统一文摘录，配图也是里面的，来源网上。有兴趣的自己去搜全文，极好的科普文章从线圈电磁炮的发展历史来看，其实阻碍电磁弹射器的现实化并不是线性电机本身，而是强大而稳定的瞬发能源。美国航母上采用 90 年代 nasa 为电磁炮，激光类武器发展的惯性储能装置发展而来的盘式交流发电机。新设计的盘式交流发电机重约 8.7 吨，如果不算附加安全壳体设备重量只有 6.9 吨。盘式交流发电机的转子采用绕水平轴向的旋转，转子重约 5177 公斤，使用镍铬铁的铸件经热处理而成，上面用镍铬钛合金箍固定 2 对扇形轴心磁场的钕铁硼永磁体，镍铬钛
2、合金箍具有很大的弹性预应力，确保稳定固定高速旋转中的磁体。转子旋转速度为 6400 转/分，一个转子可存储 121 兆焦的能量，储能密度比蒸汽弹射器得储气罐高一倍多，一台弹射器由 4 台盘式交流发电机供电，安装时一般采用成对布置，转子反向旋转，减小因高速旋转飞轮带来的陀螺效应和单向扭矩。弹射一次仅使用每一台发电机所储备的能量的 22.5%，让飞轮转盘的转动速度从 6400 转/分下降到 5200 转/分，能量消耗可以在弹射循环的 45s 间歇中从主动力输出中获得补充。4 蓄能发电机结构可以允许弹射器在其中一台发电机没有工作的情况下正常使用，由于航母装备 4 台弹射器，每两台弹射器的动力组会安装
3、到一起，集中管理并允许其动力交联，出现 6 台以上发电机故障而影响弹射几率每 300 年才会重复一次。盘式交流发电机采用双定子设计，分别处于盘的两侧，每一个定子由 280 个线圈绕组的放射性槽构成，槽间是支撑结构和液体冷却板，由于采用双定子结构，每台发电机输出电源是 6 相的，最大输出电压 1700 伏，峰值电流高达6400 安培，输出的匹配载荷为 8.16 万千瓦，输出为 2133-1735 赫兹的变频交流电。盘式储能交流发电机的设计效率为 89.3%，这已经通过缩比模型验证，也就是说每一次弹射将会有 127 千瓦的能量以热量形式消耗掉了，发电机的定子线圈的电阻仅有 8.6 毫欧，这么大的功
4、率会迅速将定子线圈加温数百度，所以设计了定子强制冷却。冷却板布置在定子的外侧，铸铝板上安转不锈钢管，内充 WEG 混合液，采用流量为 151 升/分的泵强制散热，根据 1/2 模型试验测试所知，可以保证 45s 循环内铜芯温度稳定在 84 摄氏度，冷却板表面温度 61 度。真正最为关键，技术难度最大的部件是高功率的循环变频器，这个技术是电磁弹射器的真正技术瓶颈，EMALS 现在正处于关键性部件工程验证阶段，循环变频器仅仅是完成了计算机模拟，还没有开始发展工程样品，从设计而言，循环变频器是一个多路的桥式电路通过串联或者并联多路桥式电路来获得叠加和控制功率输出，他不使用开关和串联电容器，省略了电流
5、分享电抗器，实现了完全数字化管理的无电弧的电能源变频管理输出。她每一相的输出能力为 0 到 1520 伏，峰值电流 6400 安培，可变化频率为 0-644 赫兹。循环变频器设计非常复杂，它不仅需要将 4 台交流发电机的 24 相输入电能准确的将正确的相位输入到正确的模块端口，还必须准确的管理 298 个直线电机的电磁模块，在滑动组运行到来前0.35 秒内让电磁体充电，而在滑组经过后 0.2 秒之内停止送电并将电能输送到下一个模块。循环变频器工作时间虽然不长，每次弹射仅需工作 10-15 秒，但热耗散非常大，一组循环变频器需要 528 千瓦的冷却功率，冷却剂是去离子水，流量高达 1363 升/
6、分，注入温度 35摄氏度的情况下可确保系统温度低于 84 摄氏度。目前美国对这一核心部件的保密工作也非常重视，除了基本原理外，几乎没有任何的模型结构，工程图片披露。2003 年美国海军和 2/11通用电气签订合同要求花费 7 年时间完成这一部件的实体工作。 3/11 4/11到目前为止，美国在海军电磁弹射器上花费了 28 年的时间和 32 亿美金的经费，预计将在2014(已经说了是 15 年末。但谁知道呢 )年服役的 cv-78 航母上正式使用这一设备，从设计和工程实现的关键性部件的性能来看，有相当大的可能成功的按时间表完成投入使用的任务。目前的主要技术问题出在线形同步电机上，18 米缩比模型
7、所显示的效率仅 58%，而50 米 1/2 模型显示效率仅有 63.2%，这证明能量利用率还有不足，热功率也成倍增加，以目前的设计是不能完成散热的需求。另外一个问题在于军用系统的防火要求，永磁体对温度比较敏感，他有退磁临界温度，这个温度还不算太高，一般在 100-200 摄氏度之间，航母的火工品较多，火灾事故并不罕见，如何保证磁体的磁强度不受大的影响还是一个很棘手的问题。电磁弹射器功率巨大，它的磁场强度也非常可怕，现代战斗机上复杂的电磁设备都非常敏感，容易受到干扰，因此需要特别加强电磁弹射系统的磁屏蔽工作，由于弹射器的磁体是开槽形的，和蒸汽弹射器的蒸汽泄露一样有很强的磁泄露，目前设计了复杂的磁
8、封闭条，在离开飞行甲板高度 15 厘米的高度就能将磁场强度降低到正常环境的水准。不过相关的电磁干扰和兼容性问题将在 2012 年进行专门的适应性试验。 5/11 6/11 7/11即将登场的航母电磁弹射器雪巴 来源：舰载武器-美国海军航母目前使用的飞机蒸汽弹射器不仅体积笨重、噪音大，而且能量效率低下，因此美国海军曾多次研究新原理的弹射器去取代它，但均由于某些技术原因而陆续放弃。20 世纪 90 年代，美国海军开始设计下一代航母（显示 CVN21，后来定为 CVN78）是 8/11提出了一个非常先进的概念全电军舰。它要求航母的动力传输都将以电力为基础，而不再采用蒸汽、液压等传统的机械手段，其中最
9、重要的技术飞跃之一就是蒸汽弹射器将被电磁弹射器所取代。招标研制早在 1945 年，美国海军就和西屋公司在夏威夷机场上一起建造了一台电磁弹射器，它可以在 178 米的距离上把 4 吨重的飞机加速到 180 千米/小时。但这个能力较之当时主流的液压弹射器还有很大的距离，并且制造时需要消耗大量的铜，使用时也需要非常强大的电能供应，因此这台弹射器尽管非常可靠和耐用，但并没有获得什么发展。50 年过去了，当年操作过这台弹射器的军官们都已白发苍苍，新一代技术人员认为发展的时机成熟了，已经可以跨出实质性的一步了，于是美国海军在 1992 年和卡曼电磁系统公司签订风险承包合同，要求其为新一代航母 CVN21
10、研制全新的、性能非凡的飞机电磁弹射系统。卡曼公司是美国当时最有经验的电磁系统提供商，能提供百米高楼使用的电磁驱动的超高速电梯，也为一些娱乐设施设计生产过强大的电磁推进弹射装置。美国海军看中的是卡曼公司的实际经验和技术开发能力，最关键的是卡曼公司提出的一系列设备都是技术比较成熟、可实现性很高的系统。和美国全电舰艇系统所采用的技术一致，卡曼公司没有采用前卫的超导体，而是使用可靠性和耐用性都较好的高强永磁和常规的铜绕组电磁技术，在能耗和体积重量上求得一个比较不错的平衡。在卡曼公司结束先期前瞻性研究合同以后，考虑到减小技术风险，1999 年美国海军通过竞标的方式让两个造船总承包商诺思罗普格鲁曼公司和通
11、用电气公司分别获得 6177 万美元，展开工程型号前的验证原型机的建造。两家公司分别承担其中一些关键性系统的开发，美国海军给出 38 项具体的技术建议、7 项竞争性报价和 2 项突破奖励的条款。研发工作的 90%在加州的阳光谷完成，10% 在新泽西的赫特斯湖航空试验站完成。2003 年，诺格公司先期展示了一台长 50 米的 1：4 缩比样机作为验证机，工程样机将在 2012 年后才能建造出来。电磁弹射器的优点美军为何要采用电磁弹射器？这是因为这种弹射器有很多优点，首先是加速均匀且力量可控。C131 型蒸汽弹射器发射是最大国在可以达到 6g， ，而整个行程的平均加速度仅有 2g 多一点，F/18
12、 战斗攻击机飞行员常产调侃 C131 弹射器在后段往往没有飞机自身的发动机加速得快。随着速度和气缸容积的增加，过热蒸汽的膨胀绝大多数能量用于蒸汽本身的加速和推动上了，而体积增加后气体膨胀所需蒸汽的比例成立方关系增加。目前的蒸汽弹射器厂度和气缸容积几乎达到极限，到弹射冲程的末端，蒸汽基本上只能加速活塞，对飞机的帮助不大。电磁弹射器的推力启动段没有蒸汽那种突发爆炸性的冲击，峰值过载从 6g 可以降低到 3g，这不仅对飞机结构和寿命有着巨大的好处，对飞行员的身体承受能力也是一个不错的改善。此外，由于电磁弹射的加速和弹射器的长度没有关系，除了受到气动阻力和摩擦阻力的影响外，弹射初段到末段的基本加速度不
13、会出现太大的波动，这就比蒸汽弹射的逐步下降来得更有效率。根据计算，平均加速度一样时，电磁弹射器可以比蒸汽弹射击让飞机多载重 8%15%。另一个比较重要的好处在于电磁弹射器具有很大的能量输出调节范围。蒸汽弹射器的功率输出依靠一个叫速率阀的东西，利用控制蒸汽流量的方式控制弹射器的功率输出，机械 9/11的可调节性能输出达到 1：6 差不多就是极限了；而电磁弹射的功率输出是由电路系统控制的，从大功率民用变电的经验可知 1：100 以内的变化是相当容易的。美国海军未来将会大量使用轻重不一的无人机，目前的蒸汽弹射器很难适应这个要求。对航母的设计是和海军操作人员来说，电磁弹射器是一个大福音，它不仅将机库甲
14、板的占用面积缩减到原来的1/3，而且重量还轻了一半。大幅减轻高过重心位置的重量对航母的稳性设计是个很有益的举措，同时既不用再为复杂的蒸汽管道迷宫所困扰，也不用再为灼热的蒸汽泄漏和四处污溅、难以清洁的润滑油所发愁。电磁弹射器的结构 美军研发的电磁弹射器由三大主要部件构成，分别是线性同步电动机、盘式交流发电机和大功率数字循环变频器。线性同步电动机是电磁弹射器的主体，它是 20 世纪 80 年代末期研究的电磁线圈炮的放大版。电磁线圈炮也叫电磁线圈抛射器，1831 年法拉弟发现电磁现象以后就有人开始设想电磁线圈炮。1845 年，有科学家在理论试验中将一个金属柱抛出 20 米；1895 年，美国有项专利设计了理论上能够将炮弹抛射 230 千米的线圈炮；1900 年，挪威物理学教授克里斯坦勃兰登获得三项关于电磁炮的专利；1901 年，勃兰登在实验室制造了一座长 10 米、口径 65 毫米的模型，可以把 10 千克的金属块加速到 100 米/秒，这引起了挪威政府、德国政府的注意。德国著名的火炮生产厂商克虏伯公司为勃兰登教授提供了 5 万马克的研究经费，勃兰登设计了一门长 27 米、口径 380 毫米的巨炮，预计可以将 2 吨重的炮弹
