“小車入海 ”，航母電磁彈射的上艦路

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導語：不久前，從福建艦甲板上“飛出”的一輛紅色小車，標誌着我國正在彈射器領域“飛躍巔峰”。我國艦載機電磁彈射“上艦路”面臨哪些突破和挑戰？

一、航母彈射器的從“非主流”到“頂流必備”

隨着艦載機越來越重、所需跑道越來越長，彈射器在輔助艦載機起飛中的作用愈發突出：在二戰初期，航母艦載機僅6%的起飛架次通過彈射器實現；

至二戰末，已經超過40%的起降是通過彈射器實現；彈射器也愈發複雜——從早期火藥、壓縮空氣動力再到液壓動力，發展如今的蒸汽彈射動力，彈射器與斜角甲板、光學助降系統成爲航母的頂流配置，包括“福建”艦立項早期也曾規劃安裝蒸汽彈射器。

然而，蒸汽彈射器其結構與性能已到達性能頂峰，爲避免作業時對氣缸活塞形成較大側壓，使用時對海況、航向與側風角度、縱傾角都有極爲嚴苛的限制條件；典型蒸汽彈射器的加速度峰均比爲1.15～1.2，彈射末速度誤差可達2.57m／s以上,推力不穩定，艦載機機體受力不均衡容易受損。而一套蒸汽彈射器系統總重量達500餘噸、1100立方米以上;日常使用與維護需要上百人作業。如何讓彈射器更高效、更輕小、運行維護更便捷廉價，電磁式飛機推射系統（EMALS,簡稱電磁彈射器）應運而生。

二、電磁彈射纔是未來航母的最佳選擇

從總體上看，電磁彈射器的基本原理是先將航母上供給的電能通過某種儲能裝置儲存起來 ，然後在彈射過程中利用直線電機快速轉化爲飛機的動能進行釋放。

電磁彈射器除了準備時間短、維護成本低、佔用空間小外，相比於蒸汽彈射器，電磁彈射器的優勢就是具有閉環反饋和更加靈活的推力操控，不僅可以發射更重的艦載戰鬥機，也可以用於發射更輕的艦載無人機，而且推力更加線性，對艦載機的損傷更小。

電磁彈射器對艦載機更加友好——相比而言電磁彈射器通過優化彈射曲線/採用閉環反饋實時控制等手段，加速度峰均比可達1.05，彈射末速度誤差可控制在0～1.5m／s以內，且輸出能量調節範圍大。從而大幅減小對艦載機的衝擊，有利於飛機結構的設計，並可使機體使用壽命提高3成；更能適應未來飛翼等構型的艦載機特別是無人機彈射需求。

作爲新一代航母的標誌性技術，我國早在本世紀初就開展電磁彈射有關技術的深入研究 ，於2017年下半年確定爲我國航母配套彈射器。

自2016年下半年起，福建艦採用的電磁彈射器，已在位於渤海灣畔的艦載機綜合試驗訓練基地進行了海量的陸地彈射試驗，積累了豐富的試驗數據。

三、爲什麼“小車彈射入海”不簡單

電磁彈射器關鍵技術主要有六大分系統：能量接口分系統、能量存儲分系統、電力調節分系統、能量分配分系統、直線電機分系統、彈射控制分系統，都經過了多年研究並已經成熟。並在全球各行業領域不同程度應用，從理論上電磁彈射器的研製不存在難以克服的障礙。

但理想有時難免與工程實踐有所差距，僅在艦上條件將上述系統整合運行就非易事。經過安裝正確性檢查並進行系統聯調結束後，還要在艦載真實環境下進行彈射。

因而在下水到服役這段時間，福建艦上的彈射器會先後經歷空載測試、靜載荷測試、實機測試。前不久福建艦將一輛配重測試紅色小車彈射到福建前面的港池水中並激起水花。這一幕也曾經被美國海軍用來測試航母上的電磁彈射器。儘管與真正的艦載機相比這輛“小車”其貌不揚，但爲實現這“成功一彈”美國曾經用了4年。

早在2011年，美國成功在陸上利用電磁彈射器放飛了艦載機，但直到2015年6月5日，美國海軍和紐波特紐斯船廠在已下水19個月的“福特”級航母首艦（CVN-78）上才完成了小車電磁彈射試驗，成功彈射配重爲36噸（F-35C艦載機最大重量爲31.75噸）小紅車，成爲首個在航母上被電磁彈射系統彈射的載荷。與“福特”號相比，福建艦在下水後18個月內即利用彈射小車開展靜載荷測試，也體現出我國電磁彈射技術相對成熟穩定。

四、電從何處來，如何支撐電磁彈射系統？

世界上沒有完全完美的技術,電磁彈射也存在一些短板。例如,它的技術密集度比蒸汽彈射要高得多,這必然會帶來可靠性降低的問題,這是一個基本規律;而且它對電力的依賴很大,需要強大的發電和儲能系統,這對戰艦的發電和控電要求比較高,中小型常規動力航母很難負擔;再者,它會產生比較強的電磁輻射,會干擾艦艇電子設備的運行。

1）福建艦爲什麼採用中壓直流電力系統

受陸上輸電技術發展與交流電本身特點的影響，長期以來，船舶的大功率用電多被交流電所壟斷、以中壓交流電爲主流。

然而面對電磁彈射器帶來水漲船高的全系統用電需求，中壓交流電船電越發難以滿足其需求，交流電特性導致電網電壓不穩定，而提高電磁彈射器的故障率。

2016年6月12日，沿用傳統中壓交流電系統的福特級航母，2號主發電機發生了一次小規模電氣爆炸，電磁彈射器直到目前爲止離設計目標仍有相當差距，其故障率不及設計指標1/6。其中問題之一即是中壓交流電系統存在供電不穩定產生的過載問題，導致中壓交流彈射系統非常容易出現短路以及電機燒壞的情況。

而福建艦專門爲電磁彈射器搭配中壓直流綜合電力系統，作爲第二代電力系統技術系統中電流只在一個方向上流動，沒有周期性的正負變化。這意味着不需要一個特定的頻率就可以保持恆定的電壓級。這一特性使得中壓直流具有多項優勢，例如比中壓交流電技術故障率更低、供電過程中耗能更小，其部分設備更精簡、運行方式更靈活、整體可靠性更高、傳輸功率密度更高、可承受的功率波動更高。

直流電系統最大的技術難點是如何讓其斷流，由於直流電系統電流沒有自然過零點，電弧無法像交流電斷路那樣自然熄滅，所以直流電系統研發起來非常困難。爲此我國科研團隊在系統層面，先後攻克了艦船綜合電力系統的電網結構理論、系統模型與仿真、並聯機組功率均分、系統穩定性分析與控制系統分層協調保護、系統接口設計以及高功率瓶頸技術，完成了中壓直流綜合電力系統集成和性能試驗。

2）國產飛輪助力電磁彈射“削峰填谷”

雖然電磁彈射器一次彈射持續時間大多不超過3S，但峰值功率卻高達數百兆瓦，因此需要航母專門配備電力儲能系統，在1分鐘不到時間內儲存超過100MJ的能量爲電磁彈射系統直接供電。因此找到能量密度很高，保證足夠可靠性的儲能方式成爲難點。如福特號航母的飛輪儲能裝置既因設計與製造缺陷，導致高轉工作時喘振嚴重影響作業安全；實際轉速與設計轉速降低近1/3，限制了實際功率。既增加單機電力故障而全系統宕機的風險，更使排故時需全部設備停用，縮短航空作業週期內的有效作業時間。

2014年之前，海軍工程大學公開論文證實已經成功研發50MW（兆瓦）飛輪儲能裝置。在馬偉明院士的指導下，王東教授等軍內外科研團隊經多年苦心研究，目前我國集中突破了高能量密度、長脈寬和長壽命的慣性儲能技術，創造性提出了將拖動機、勵磁機、旋轉整流器及主發電機共軸集成，並將飛輪與轉子合二爲一的儲能系統。這套系統在測試中充分展示了其在短時間內儲存較多電能的能力，峰值輸出功率超過美國電磁彈射系統儲能設備的兩倍，且儲能飛輪的壽命至少可以滿足幾十萬次充放電循環，從而讓電磁彈射系統持續彈射艦載機的效率得到提高。

結語：

作爲新一代航母核心技術，隨着福建艦海試愈發臨近，我國首個航母電磁彈射器還會面臨很多問題和挑戰。在未來，將以福建艦及搭載的電磁彈射器爲起點，不斷迭代升級，助力更多型號的艦載機在深藍飛躍甲板。

參考文獻：

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