電磁彈射器——被畫上問號的航母之翼(組圖)

電磁彈射器——被畫上問號的航母之翼

2011年07月  　來源： 科技日報

艦載機蒸汽彈射瞬間 [資料圖片] 走上航母近看神秘蒸汽彈射器  美電磁彈射器彈射首架t-45蒼鷹教練機 日稱殲-15要發揮出全部性能 航母須裝彈射器 “福特”號航母電磁彈射器首批部件交付  f-35試驗機首次與彈射器進行連接試驗(圖) 尹卓:美國突破電磁彈射器技術給其他國家新挑戰      電磁彈射器是美國新一代福特級航母具有開創性意義的重要係統。該係統將取代美國海軍現役航母使用的蒸汽彈射裝置，對提高航母艦載機出動架次率，減少人力需求等具有至關重要的作用。但筆者認為，彈射起飛賴以存在的邏輯基礎是，艦載機自身不能解決在航母上的短距起飛問題。隨著航空技術的不斷發展，再先進的彈射起飛技術也必然會被漸漸削弱。     電磁彈射器研製順利     美國海軍對電磁彈射器的研究始於上世紀80年代。1988年，美國海軍開發出長3.66米的模型，同時進行了電磁彈射、製動與回收以及電磁輻射試驗等。上世紀90年代末，美國海軍經過論證，決定在新一代的CVN 21（即福特級）航母上采用電磁彈射器。     在2000年，根據美國海軍的合同，美國通用原子公司與諾斯羅普·格魯曼公司分別開始電磁彈射器的概念研究。之後，美國海軍航空係統司令部經過慎重比較，於2004年4月將項目合同授予通用原子公司。2009年4月，美國海軍通過了對電磁彈射器重量、費用、技術風險等方麵的關鍵設計審查。同年9月，電磁彈射器項目開始進入係統功能演示驗證階段。     雖然在2010年1月12日的試驗中發生了一次嚴重事故，但並沒有對電磁彈射器項目的研製進展造成嚴重影響。2010年12月20日，電磁彈射器首次成功進行了F/A-18E艦載戰鬥機的彈射起飛試驗。這標誌著美國海軍電磁彈射項目取得了裏程碑式的重大進展。不過，首次及之後的3次彈射起飛試驗表明，需要對控製彈射器電機的軟件進行微調，以更好的控製電機啟動和關閉之間的微小時間間隔。為此，試驗暫停了大約5個月。     2011年5月25日，隨著F/A-18E艦載機的彈射起飛，電磁彈射器的試驗重新開始，之後通過13次F/A-18E的成功彈射起飛驗證了彈射器電機控製軟件更新的有效性和可靠性。隨後，電磁彈射器陸續完成了T-45C艦載教練機、C-2A艦載運輸機的彈射起飛試驗。在7月份，將進行F/A-18E艦載機的另一組試驗，即艦載機外掛各種武器或其他裝置狀態下的彈射起飛試驗；在夏末，美國海軍最新的E-2D艦載預警機也將加入到彈射起飛試驗中。     按照計劃，“福特”號航母將裝備4部電磁彈射器。最後一部電磁彈射器組件應於2014年初交付，從而保證在2015年初在艦上進行4部電磁彈射器的驗證試驗，為“福特”號航母在2015年9月交付美國海軍做好準備。     盡管電磁彈射器項目已經並正在取得上述進展，但在其研製過程中也出現了一係列問題，如由於前期關鍵分係統發電機的研製失敗，導致項目進度拖延達15個月，經費超支達到12.9億美元。同時，彈射器重量也超過預期：美國海軍要求每部重量為530噸，但實際最終達到約630噸。 準備加裝電磁彈射裝置的美軍新航母（來源：中廣網）【資料圖】     電磁彈射器優勢多     電磁彈射器主要由儲能係統、電力電子變換係統、彈射直線電機和控製係統4部分組成，其中彈射直線電機是核心，其工作原理是載流導線在磁場中受力，利用磁通量巨大的瞬間變化而產生的感應電磁斥力將飛機彈射升空。與現在航母裝備的蒸汽彈射裝置相比，電磁彈射器的優勢是：     體積小，易於布置。相比蒸汽彈射器龐大、複雜的係統，電磁彈射器的構成則簡單得多，體積可望比蒸汽彈射器減少一半。現用蒸汽彈射器的體積約1132.8立方米，電磁彈射器的體積則可能小於425立方米。這種較為簡潔、輕便的係統在航母上布置更加靈活，不僅在布置位置上沒有限製，而且便於優化航母設計，有效利用艦上空間。     可靠性好、便於維護、能量使用效率高。蒸汽彈射器工作時，機械磨損相對嚴重，需要經常檢修。而電磁彈射器用直線電機對艦載機加速，結構簡單，其電力電子變換係統、控製係統都在民用成熟技術基礎上發展而來，具有很高的可靠性。蒸汽彈射器的平均無臨界故障間隔為405個周期，而電磁彈射器的目標間隔達到1300個周期。     電磁彈射器不僅結構簡單，而且裝備有自動監控檢測設備，提供故障和維護信息，對操控和維修保養人員的需求量大大減少（比蒸汽彈射器減少30%左右），將降低20%的全壽期費用。     在能量利用方麵，蒸汽彈射器一次彈射作業通常要消耗614千克蒸汽，每次彈射結束都要排出大量蒸汽，浪費大量能量，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，彈射作業時對能量的需求大為降低。     能量幅度寬，易於控製和調節，可彈射艦載機的範圍廣。蒸汽彈射器的彈射能力能夠滿足現役固定翼飛機的彈射需要，但限製了未來艦載機的起飛性能，同時缺乏精確的控製能力，無法滿足輕型飛機特別是無人機的低能量彈射需求。而電磁彈射器能彈射更重和起飛速度更高的飛機升空，並可通過調節電流等措施，對彈射力進行大幅度調節，滿足輕型艦載機（如較輕的無人機）的彈射需要。     彈射性能穩定，對艦載機的作用力均衡，延長艦載機使用壽命。現役蒸汽彈射器由於缺乏反饋/閉環控製係統，對艦載機機身的作用力極不均衡。電磁彈射器在整個彈射過程中可在幾百微秒內不斷修正推力偏差，對艦載機的作用力均衡，可延長艦載機使用壽命。 美國電磁彈射器構架。【資料圖】     其興衰依賴航空技術發展     電磁彈射器的出現、發展和即將運用於航母是科學技術進步的結果。不過，從航母艦載機起飛方式發展的角度看，電磁彈射器與蒸汽彈射器在本質上並無區別。     電磁彈射器相對於蒸汽彈射器的優勢，並沒有從根本上消除彈射起飛模式固有的缺陷，如：彈射器本身仍需在航母上搶占龐大的結構和空間資源；彈射器仍需在航母上進行保障和維護並為此配備相應的人員；彈射器工作所用巨大能量仍需要航母的動力係統提供；最致命的是，彈射器的研製和生產需要長期投入巨大的資源，技術風險高，成為發展航母本身的一道高“門檻”。     因此，如果這樣就認定美國人的選擇代表了航母艦載機起飛方式的發展趨勢，是應該打一個大大的問號的。     就本質而言，彈射起飛賴以存在的邏輯基礎是艦載機自身不能解決在航母上的短距起飛問題，需要彈射器所施加的外力這一外部條件。但隨著航空技術的不斷發展，上述邏輯基礎也必然會被漸漸削弱。     從航母的發展曆史看，自誕生到確立“海上霸主”地位的二戰時期，螺旋槳動力的艦載機短距起飛性能好，大部分能依靠自主動力就能在航母上安全起飛，因此並不是所有航母都配備了彈射器。彈射起飛之所以成為現在最主要的艦載機起飛方式，正是因為航空技術的發展。二戰後出現了早期的噴氣式飛機，對起飛跑道長度的要求比螺旋槳飛機大幅增加。這樣，大功率蒸汽彈射器應運而生，並發展成為當今艦載機起飛的最主要手段。這是航空技術發展對航母設計的一次重大影響。     對於另一種重要的艦載機起飛方式——滑躍起飛，航空技術發展的影響同樣如此。隨著航空技術特別是航空動力技術的發展，發動機的推力越來越大，並出現了矢量推力發動機，為垂直起降飛機和大推重比的第四代戰鬥機的研製和服役奠定了基礎，兩者又為英國和前蘇聯進行航母艦載機滑躍短距起飛的驗證試驗以及在航母上的實踐運用鋪平了道路。航空技術發展對航母設計重大影響再次得到體現。     綜上，當我們跳出彈射起飛模式這個圈子，不難發現，航母究竟裝備何種或者是否裝備艦載機起飛裝置，最終決定性因素並不是起飛裝置本身依據怎樣的物理原理和采用如何先進的技術體製，而是航空技術特別是航空動力技術的發展。     最後，讓我們用一段短暫的曆史片段作為結尾。上世紀80年代末期，當前蘇聯第一艘核動力航母“烏裏揚諾夫斯克”號的船體建造工程進展到一半時，有關各方關於該艦是否安裝彈射器的爭論仍在繼續。反對的一方是以蘇霍伊設計局總設計師西蒙諾夫為代表的飛機研製人員。這場大爭論雖因前蘇聯解體而無果，但最後占據上風的是反對方。反對方之所以能占據上風，有多個原因，其中最重要的一點就是：當所有的艦載機，無論是噴氣動力的蘇-27K、米格-29K艦載殲擊機，還是雙發螺旋槳動力的雅克-44艦載預警機，都已經能夠無需彈射器而實現從航母上的自主動力短距滑躍起飛時，航母還要彈射器幹什麽？（作者：黎曉川/海軍裝備研究院） 資料圖  資料圖  資料圖