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美军航母电磁弹射器发展现状

2009-05-26 00:34王 兵 陈 练
现代军事 2009年3期
关键词:弹射器储能民用

王 兵 陈 练

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企业的电磁弹射器方案,确定由该企业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、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。

电磁弹射器的基本原理和系统组成

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。电磁弹射器的核心构成包括:

弹射直线电机

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118.2℃,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。

蒸汽弹射器工作时,活塞在蒸汽的作用下沿汽缸运动,机械磨损相对严重,需要不断检修,系统构成的复杂性也使其可靠性降低。电磁弹射器用直线电机对舰载机加速,结构简单,其电力电子变换系统、控制系统都由民用成熟技术发展而来,整个系统采用容错设计,出现故障时具有快速纠错的能力,使电磁弹射器具有很高的可靠性。

蒸汽弹射器在使用中需要大量的人力,电磁弹射器可实时自动监视系统运行,提供故障和维护信息,大大减少检修工作量和对人员数量的需求(相比蒸汽弹射器减少30%左右),全寿期费用低。

在能量利用率方面,典型的蒸汽弹射器一次弹射作业一般要消耗614千克蒸汽,每次弹射结束都有大量蒸汽被排出,带走大量能量,其效率一般在4%~6%之间。电磁弹射器的效率可达到60%甚至更高,弹射作业时对能量的需求大为降低。

易于控制和调节,可弹射舰载机的范围广

电磁弹射器可在几百微秒内不断修正推力偏差,将推力峰一均比控制在1.05以内,对舰载机的作用力均衡。蒸汽弹射器没有闭环控制系统,弹射时对舰载机的推力峰一均比最大可达到2.0,对舰载机的机身的作用力极不均衡,易造成舰载机机体的疲劳损伤。

蒸汽弹射器最大的弹射能力足够当前的固定翼有人舰载机使用,其最大弹射能力约为101.69兆焦。电磁弹射器扩展了航母使用飞机的能力范围:电磁弹射器弹射飞机的最大能力约为122兆焦,能使更重和起飞速度更高的飞机上舰。从美国海军当前的舰载机发展情况来看,短期内不会出现更重的舰载机,因而,电磁弹射器目前最明显的优势之一在于,它能够通过调节电流等措施,对弹射力进行大幅度调节,同时满足弹射重型舰载机和轻质舰载机《如较轻的无人机》的需要,而蒸汽弹射器不能对弹射力进行大范围的调节,不能弹射轻质无人机。

顺应舰艇全电化趋势

舰艇的全电化是不可阻挡的趋势,电磁弹射器与蒸汽弹射器相比,更加匹配全电化的航母。如果两艘航母除了弹射器之外,其余系统均采用电力,那么,采用电磁

弹射器的航母将能够提供更高的发电总量,也能够为弹射器以外的其他系统提供更多的电力。这是因为:采用蒸汽弹射器的航母,其弹射器需要消耗大量的蒸汽,这部分蒸汽不能用于发电,在弹射舰载机时,效率也非常低,只有6%左右,因此该航母必须提供更多的能量给弹射器,导致其发电总量少,能够供其他系统使用的电量也少。

而在采用电磁弹射器的全电化航母上,所有的系统都采用电力,航母可以将全部的能量转化为电力,发电总量较蒸汽弹射器的航母多,航母可以根据需要对更多的电力进行分配;电磁弹射器的效率可达60%甚至更高,它消耗的能量也远比蒸汽弹射器少,因而,同样在弹射舰载机时,采用电磁弹射器的航母能够为其他系统提供更多的电力。

与民用联系紧密

首先,在研发上可借鉴民用技术。电磁弹射器最核心的技术之一是直线电机技术。直线电机有很强的民用基础,电梯、机床、磁悬浮列车、轨道列车等都已经运用了这一技术,电磁弹射器可以在研制的过程中借鉴相关方面的研究成果。美国海军研究电磁弹射器的牵头单位是通用原子企业,磁悬浮列车就是该企业的业务领域之一,通用原子企业能够在竞争中获胜与其这方面的业务不无关系。电磁弹射器的其他关键技术,如飞轮储能技术、电力电子变换技术、控制技术均在民用技术的基础上研发。20世纪80年代,正是因为相关的民用技术有了巨大的进步,人们看到了电磁弹射器以较低成本研制成功的曙光,才正式开始了电磁弹射器的工程研制。可见,民用技术本身的进步已经对电磁弹射器的研制起到了较强的推动作用。

其次,有利于形成军民良性互动的发展局面。与蒸汽弹射器不同,电磁弹射器的研制成果将具有广泛的民用市场,这种民用的前景已经不是潜力,而是有实实在在的市场需求。如美国航空航天局(NASA)已在空间站安装了48个飞轮储能系统,可提供超过150千瓦的电能;美国得克萨斯大学研制的汽车用飞轮储能系统,其提供的能量能使满载车辆速度达到100千米/小时:德国西门子企业研制的长1 5米、宽0.75米的飞轮储能系统,可为火车提供3兆瓦的功率;中速飞轮储能系统已用于关键的工业不间断电源系统等。电磁弹射器的这些关键技术转为民用后,还可能在激烈的竞争中变得更为成熟、可靠,在其取得重大突破时再通过技术移植进一步提高电磁弹射器的性能,如此往复,形成一个军用与民用良性互动、共同提高的局面。

此外,从工业基础的角度来看,由于电磁弹射器的关键设备和技术有很强的民用背景,民用市场的支撑使得相关的企业不需要过多的国防经费投入就能够维持自己的生存和发展。相比之下,蒸汽弹射器只能用于航母,无法市场化,每年都需要大量的经费投入才能维持其生产线。英国是蒸汽弹射器的发明国,但由于英国二战后发展的航母不采用蒸汽弹射器,该国早已没有了蒸汽弹射器的生产企业;法国虽然使用蒸汽弹射器,但选择从美国购买,而不是自己研制生产,其原因与维护蒸汽弹射器的生产线需要大量经费不无关系。相信随着相关民用技术的进步,有朝一日,电磁弹射器很可能将不为美国所独有,其他国家也可以在相关的民用技术基础上研制出电磁弹射器,并继续保持这种能力。

电磁弹射器能够与某些军用系统在技术上相互借鉴

电磁弹射器与电磁炮有相同的基本原理,它们在技术上能够更多地相互借鉴。电磁炮、激光武器,电热化学炮等都需要大量的脉冲电力,舰艇要能提供这么高的脉;中电力,必须利用储能系统,这与电磁弹射器类似。相应地,为了能够将储能系统储存的电力按照需要的电压、电流、频率等参数输出,电力电子变换必不可少,这些系统在这方面的要求与电磁弹射器接近,都有电流和电压大、瞬时性强的特点。另外,上述系统要能够按照预想的方式工作,良好的控制也是必不可少的,电磁弹射器的大电流控制技术与上述系统也具有较高的相似性。此外,电磁弹射器的储能系统、电力电子变换系统也是综合电力系统的关键系统。

电磁弹射器与其他军用高能系统的诸多相似性决定,其四项关键技术均能与其他军用系统或多或少地产生“共鸣”,如果电磁弹射器的研究超前,将能够对上述高能系统的研制产生带动作用,反之,电磁弹射器也可以借鉴上述高能系统的研究成果。

美海军电磁弹射器研制面临的风险与挑战

2007年8月,美国总审计署发布的评审报告称,由于技术难度大,且难以满足海军的需求,电磁弹射器在完成系统整合阶段时,已经延期超过15个月,同时也已严重超支。但是“福特”级航母首舰已经延期了一年时间,为电磁弹射器赶上装舰使用的进度又提供了契机。尽管承包商已去掉了进度表上所有的时间余度,但是修改后的进度表不足以应对意料之外的测试和生产问题。虽然承包商认为系统整合中出现的问题已经解决,而且电磁弹射器也会按时交付,但是时间依然十分紧迫,在未来的电磁弹射器研制、试验或生产过程中,不能出现任何重大问题和差错。

一旦电磁弹射器的研制赶不上“福特”号航母的建造进度,美国海军将只有两种选择:其一,推迟“福特”号航母的建造和服役进度,为电磁弹射器的研制争取更多时间。只要电磁弹射器不是面临不可逾越的技术障碍,这将是最可能出现的情况,美国可以延长现役航母的服役时间,以弥补推迟“福特”号服役时间造成的影响。二是修改“福特”号航母的设计,对已经建造完毕的内部结构进行调整,重新采用蒸汽弹射器。但这种情况出现的可能性很小,除非电磁弹射器遇到了极大的技术困难。因为,如果“福特”号航母在设计时没有考虑采用蒸汽弹射器的可能,就需要改动航母内部的空间,以容纳蒸气管道、储汽罐所需的空间,在各种空间已经确定的情况下,这种改动难度将很大。此外,重新采用蒸汽弹射器将使“福特”号航母的部分性能难以充分发挥,如发电能力将受到影响,其电气化程度将大打折扣。

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