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1、电磁弹射器的工作原理谷晓洁 英语系1302 班 201307010203摘要电磁弹射器利用直线感应电机的直线运动,带动舰载机加速到起飞速度,其 工作原理是:直线感应电机的初级（固定部分）通上交流电后,产生交变磁场,这种 磁场在直线感应电机的次级（运动部分）产生感应电流,使次级变为有感应电流的 导体,这样,处于交变磁场的次级部分就会受到安培力的作用,向前运动。关键词 电磁弹射器引言电磁弹射器被认为是蒸汽弹射器的可行替代方案,美海军的航母电磁弹射器（EMALS）研究最早可追溯到20世纪40年代。1988年，美国开发出电磁弹射器的小比例模型，该模型长3.66米，宽为实际尺寸的一半，试验表明，其静态推
2、力可达 到500千牛以上,弹射直线电机的电磁辐射也能够被控制在槽型结构内。此后, 美国就此项研究进行了许多设计研究,硬件演示和技术探讨,但受经费限制,研究 的范围和规模有限。20世纪90年代后期,美国在论证未来航母的过程中,正式将 电磁弹射系统摆上了议事日程。1999年,美国海军完成了电磁弹射器的概念探讨 和定义工作,并发布招标书。2004年4月2日,美国海军空战中心选择了通用原 子公司的电磁弹射器方案，确定由该公司领导的团队承担电磁弹射器的研制和验 证工作。2008年9月3 日,美国航母电磁弹射器完成第一阶段高周试验（HCT-1）, 通过海量重复试验（10000次），验证了电磁弹射器的电气、
3、热力设备的性能以及 储能系统的充放电周期率。 2009年冬，将开始第二阶段高周试验，包括满功率试验以及环境适应性测试，给出电磁弹射器的性能预报。正文磁弹射器的核心构成包括:弹射直线电机是电磁弹射器的核心部分。目前美国采用的是直线感应电机, 其主要技术难点有三:一是高峰值功率直线电机的开发。电磁弹射器的峰值功率 要求很高,可能达到100兆瓦以上,而目前能实现工程应用的直线电机单机功率 仅为几百千瓦。为了降低对直线电机功率的要求,美国的每部电磁弹射器都采用 了4台直线电机(单机功率超过30兆瓦),它们的总功率可达到百兆瓦级;二是电 磁泄露。需要对电磁弹射器可能产生的全部频段进行模拟,并将飞行甲板上
4、的磁 感应强度与各种舰载机设备的敏感度进行对比,防止对舰上设备造成影响;三是 散热。用于电磁弹射器的永磁弹射直线电机初级的峰值功率损失可达到13.3兆 瓦,铜片的最高温度可达1182C,需要利用主动冷却系统对其进行冷却。直线感 应电机的功率损失可能会超过永磁直线电机,因此必须考虑如何高效散热。储能系统电磁弹射器对电力的需求很大,在弹射较重的舰载机时,整个电磁弹射器的 峰值功率可能会达到100兆瓦甚至更高,在目前的条件下,这部分用电无法直接 依赖航母电力系统实时供给,必须依靠储能系统将所需的电能事先储存起来,在 需要的时候瞬间释放。由于体积和重量等原因,能够满足电磁弹射器储能需要的 现成系统无法
5、直接用于航母。目前美国海军的电磁弹射器采用的是飞轮储能(FES) 装置。电力电子变换系统电力电子变换系统从储能系统获取电能,在长约103米的直线电机上,电力 电子变换系统能够在特定时间仅仅接通对弹射起作用的线圈,而不是把整个直线电机的线圈一起接通,从而使整个系统有效运转。它还能通过改变供电的电压,频率,使电磁弹射器在各种速度上都以最高效率运转。电磁弹射器所用的电力电子变换系统由可以高效控制强电能的现成民用电力电子装置组成,可精确控制供 给弹射电动机电脉冲的电压和频率。控制与状态监测系统电磁弹射系统对控制与状态监测系统的要求很高。在整个弹射过程中,控制 与状态监测系统不间断地监视着电磁弹射器全系
6、统的性能。该系统可根据飞机、 环境的变化实施调控,使舰载机达到要求的末速度,并担负整个电磁弹射器的报 警任务。电磁弹射器的优势美国海军之所以为未来航母选择电磁弹射器,主装置、弹射汽缸、活塞、复 位机械等构成,尤其是其复杂的管道系统被称为“迷宫”。相比而言,电磁弹射器 的构成要简单得多,主要由弹射直线电机、储能系统、电力电子变换系统和控制 与状态监测系统四部分组成。另外,电磁弹射器只使用电力,航母的原动机选择灵 活;而蒸汽弹射器需要蒸汽源,如果航母不采用蒸汽动力或核动力装置,还需要专 门为蒸汽弹射器配备辅助锅炉提供蒸汽,极不经济,且将占据航母大量的空间和 重量。反应快,可靠、易维护、效率高电磁弹
7、射器利用直线电机进行弹射、制动并使往复车复位,在完全关闭的条 件下不到15分钟就能达到待用状态;而蒸汽弹射器需要不断给弹射槽加热,在储 汽筒无蒸汽的情况下,达到待用状态需要数小时。组成。工作时，由锅炉产生高压蒸汽，将其储存在蒸汽室里；弹射前，拖索将舰载机钩在往复车上；当高压蒸汽充入汽缸筒后，蒸汽的巨大压力推动活塞，活塞带动往复车，往复车带动舰载机飞速向前滑动，从而将飞机弹射出去。美国“尼米兹”级航空母舰现装设的C-13型弹射器每分钟可弹射2架起飞 重达30吨左右的舰载机。如果同时使用4套蒸汽弹射器，昼间只需20 30秒钟，就可弹射1架飞机；夜间则因视线等原因，间隔时间延长到80秒钟。从50年代
8、起、约半个世纪的飞行实践证明，蒸汽弹射器仍是大中型航空母舰上最为成熟的一种舰载机弹射装置。因为蒸汽弹射齐结构很复杂，而且目前只有美国 一家垄断，所以技术非常保密。它相对与俄罗斯的滑跳试飞行甲板的优势在于俄 罗斯的滑跳试飞行甲板要起降飞机必须逆风，在起降舰载重型战斗机，如苏33 时滑跑距离要比弹射器长许多，而且天气情况稍差一点就不能正常起飞，而弹射 器就没有这些方面的顾虑。但蒸汽弹射器结构复杂，重量大，滑跳试飞行甲板相 对于蒸汽弹射器的优势就是结构简单和减轻了重技术难度也低。正因为现有 的蒸汽弹射器结构复杂，重量大，最近美国才新研制电磁弹射器来取代它成为新 一代航母的弹射器航母电磁弹射器 整部弹
9、射器的活动部分就是布满电磁铁的活塞，活塞是长线圈。沿导轨安装几列与活塞缝隙对应的短铜棒。短铜棒紧密排成行比此绝 源。导轨旁边有与导轨平行的两根直流电导轨。活塞分成前后两部分，前半部的 几排外表电刷将直流电从电源导轨引到短铜棒组上，内部电刷则将直流电从短铜 棒的另一端引到活塞的电磁线圈上；后半部的几排内部电刷将直流电引回短铜斤血址離皐gwnmamMW只OBSgswr Be也浜眾畫MT書ST鼻履HVYHT蚤.SBSBtfESSOKSmaKvssgsnn-TSW蟹BE1B H3sis wsiffi .$.s isffi sse ,KisE BiTS iwBmmiBwmeBI 暑s窗 Issffins
10、ssHma seestffifrswis嚙回匿tfSHDR回nnBsw肯聲器里6窗屿ttffss. S12S SKSMS_SSS3 SISS。菱濱mr ssulffisamsMEs3SEWSS OW8SISK1 gamim%3nT3-RsesiHfLm0eals9m*KW% 戮&绘HSWE .SSKs&MKffiamssMI VSU锻sassamss ass offisl (sKn-Hg)盘aflnsKIS3S53 .SBZSS&. SEBU .ESWSK电磁弹射系统的强迫储能系统要求在45秒内充满所需要的能。最大的舰 载机起飞一般需要消耗的能不会超过120兆焦,而这强迫储能系统最大能储存14
11、0兆焦的能量,此时充电功率为3.1兆瓦,算上损失,4兆瓦左右（实际上达不到的），四部电磁弹射系统同时充电充电总功率可达16兆瓦（1兆瓦 =1000KW），可见没有强大的电源是无法满足电磁弹射需求的。当然航母上耗电的又岂止是等其它用电加起来的话必须要航母总功率达60兆瓦以上否则电磁弹射器充电 时也会影响其它系统用电的。磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。关于直线感应电机实际上原理简单， 在实际生活中也可遇到不4美国的电梯轿厢门就是采用直线电机驱动，而中 在还大部分停在车床上等不太多的场合。用于电磁弹射器的直线电机与它们相比 可谓超功率的，而且其工艺方面也比普通的高。电磁弹射器的直线电机动子是采 用
12、铝筒（大部分材料为铝），为U型状，其中3面与直线电机的定子相对，其中 往复道与航母存在摩擦外.其余均不会产生摩擦.而且铝筒质量轻”远远小于蒸 汽弹射器的活塞，因此返回非常容易，减速道也可短的多。实际上，其中动子部 分一部分专家认为还可以进一步减轻，那么电磁弹射器效率是明显的.电磁弹射器的导轨与电磁轨道炮的差异很大，也比其复杂的多。电磁弹射器的导轨共有4个分别为上部2个，下部2个。但每跟导轨都非 常长（200米以上），安装在起飞甲板的下面。并且每跟导轨内部均有超导体与 其熔接，中间是高压冷却油，其冷却油在进入导轨前的温度低于_40 ,而从导 轨出口的温度低于-30C。不仅如此，导轨与飞机牵引杆的
13、接触面至导轨中心还assess iefi*SSIrK tuog ss0同 wftslsliwssssMsitf.KKESPR Mlsslss ssftsffi S3iwaSK3iwsr tuo9 IiKSSK3Fi 7 2 .fflsssttu 量ff sssssss Z MsstfsESK$2lffl ffisnss fssrSP.Hmas l SSSSBSS ,SG3S8SS sffss sffinis (Yws ttSSLIS專暫KKI卿 nmbumeEsbHilnm &9ISKI吠回豈星丽凹崔 凹imRI4M%-荀.s ilsp SRF-HNIS堇醤萝 SS& 7mka 坪BIT 富婪
14、 qgr sa&s .ESIE sgss sasse&Kssie 7ess除了受到气动阻力和摩擦阻力的影响外群射初段到末段的基本加速度不会出现太大的波动，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，电另一个比较重要的好处在于电磁弹射器具有很大的能输出调节范围。蒸汽 弹射器的功率输出依靠一个叫速率阀的东西刮用控制蒸汽流量的方式控制弹射 器的功率输出，机械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，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 大福音启不仅将机库甲板的占用面积缩减到原来的1/3 ”而且还轻了一半。大幅减轻高过重心位置的对航母的稳性设计是个很有益的举措，同时既不用 再为复杂的蒸汽道迷宫所困扰也不用再为灼热的蒸汽泄漏和四处污湫难以 清洁的润滑油所发愁。参考文献理论后勤学战争准备的科学
