航母电磁飞机弹射系统

即将登场的航母电磁飞机弹射系统

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火炮、火箭等发射装置大多属于化学发射器,它们在军事领域占有重要的地位。随着科学技术的发展, 产生了电磁发射技术EML ( Elect romagneticLaunch) 。电磁推进技术的原理早在19 世纪初就已有人提出,后经过几十年的探索与研究,人们相继研制出了各种电磁感应原理的直线发射装置或模型,但由于受相关研究领域技术的影响,上述模型的性能距工程实用尚存在着较大的差距。70 年代以后,超大功率脉冲技术和电子技术的飞速发展使电磁发射技术有了重大突破。1978 年澳大利亚的马歇尔等人用550MJ单极发电机作为电源和采用等离子体电枢在5m长的导轨炮上把3 g重的聚碳酸脂弹丸加速到了5. 9km/ s 的初速度。这个具有划时代意义的研究成果证明了用电磁力可以把较重的弹丸推进到高速的可能性,使世界各地的科学家受到极大的鼓舞和启发,由此也将电磁发射技术的研究推向了一个新阶段。

直线电磁发射器(又叫电炮) 按照其工作原理或工作方式可分为导轨型、线圈型和重接型。在线圈型原理的基础上,又发展出了电磁弹射技术。

一弹射器的原理和发展前景

1 线圈型电磁发射器的原理和特点

线圈型电磁发射器早期又称“同轴加速器”,一般是指用序列脉冲或交流电流产生运动磁场从而驱动带有线圈的弹丸或磁性材料弹丸的发射装置。由于工作的机理是利用驱动线圈和被加速物体之间的耦合磁场,因此线圈型电磁发射器的本质可以理解成直线电动机。

一个简单结构的线圈型电磁发射器的模型如图

1a 所示。一单匝的驱动线圈和一发射线圈同轴排列。发射线圈上以永磁或电励磁方式建立一恒定磁场,两个线圈之间的互感M 如图1b 所示。当驱动线圈中通以图1c 规律的电流时,发射线圈上始终要受到一个轴向力F ,从而使其加速,沿着X 轴的正方向前进。

一般地,为了减少加速力F 的波动和延长其加速行程,上述的驱动线圈和发射线圈都做成多匝结构,一个多匝线圈型电磁发射器的原理结构示意图如图2 所示。根据发射线圈上磁场的形成机理和驱动线圈的结构与控制方式,线圈型电磁发射器可分为多种类型,相应的特点如下表所示.

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CVN－21，后来定为CVN－78）是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。

2 电磁弹射器的研究现状

弹射的要领在射击武器中是指被发射的物体不启用自身的动力装置而靠发射器赋予的起动力而实施起飞的一种发射方式。弹射是发射技术的一种特例,具体特点有:

(1) 弹射的对象与发射相比一般都是大载荷物体。作为电磁炮的电磁发射器中发射的弹丸一般都是几克到几百克,最大也不过上千克;而弹射器的弹射对象则是小到几千克的航空模型大到几十吨的战机。

(2) 弹射器的速度与发射器相比不是很高。一般情况下,发射器的弹丸可以达到每秒几千米到几十千米,理论上可以达到上百千米;而弹射器则不要求很高的速度,每秒几十米到几百米就可以满足要求。

(3) 弹射器的发射频率远低于发射器。在电磁发射器中,防空电磁炮要求每分钟发射500 发,反导电磁炮要求每秒发射60 发;而电磁弹射器则可以几分钟,甚至于几十分钟做一次弹射。

(4) 从结构上说,电磁炮的发射体一般都在发射管内部,而电磁弹射器在载荷由于相对较大,一般都是“骑”在驱动器之上的。由此可见,电磁弹射的主要应用范围是大载荷的短程加速,在军事上比较典型的是航空母舰上的舰载飞机起飞弹射。现在电磁发射技术在全世界范围内都处于实验研究阶段,电磁弹射虽起步稍晚,但由于其潜在的应用前景,该项技术的研究还是备受重视,1988 年美国海军与卡曼航空航天公司曾计划联合研制航母舰载电磁弹射器模型,指标是在3s 的加速时间内,把重达36T 的全载F - 14 战机加速到150 节。

据估计,这种电磁弹射器的重量只有现役的蒸汽弹射器的十分之一,而且省去许多管道,这对于舰船的安全运行和减重提速都具有重要意义。英国国防部正着手准备一个开发与试验计划,研究在未来两艘航母上加装一种新型电磁弹射系统的可能性。与此同时,其他国家也对电磁弹射技术产生了浓厚的兴趣。4 电磁弹射技术的发展趋势展望应该说,无论是在军事领域的航母舰载飞机弹射,还是在民用领域的电磁列车等方面,以加速大载荷为特征的电磁弹射技术拥有广阔的应用空间。在工业技术领域中一些行程较短、以直线运动为主的驱动或传动环节上也可能会大有作为。以下几方面是该项技术发展的几个关键问题。

3 电磁弹射技术的发展趋势展望

(1) 导电材料

在普通电机中用的导电材料以铜居多,但在电磁弹射技术中却至少存在二个问题。其一,从物理过程上看发射线圈的导体材料密度强烈地影响其速度和加速度,铜的密度太大;其二,在数以兆焦耳能量的发射过程中电流可能达到几兆安培,这在发射线圈与驱

动线圈中都会产生数量可观的欧姆损失。解决此问题的方法是采用超导材料,发射线圈采用铝、镁等轻材料或采用特殊的结构,如等离子体电枢等,当然这些特殊材料大多只适宜于军事上的应用。

(2) 驱动线圈的同步控制

为了获得均匀而持久的加速,驱动线圈在包括发射线圈在内的发射物体上产生的加速力也应当是均匀而持久的,这就要求驱动部分要根据发射物体的具体位置进行同步控制,就象无刷直流电动机的电子换向一样。这个问题的解决是最困难的,相比而言,在工业或民用技术领域应用的场合,无刷直流电动机型的电磁弹射技术应该具有很好的应用前景。

(3) 铁磁材料的影响

在作为电磁炮的发射技术中,被发射物体一般质量较小,不含有铁磁材料。使用铁磁材料的优点是可以减小等效气隙,增加磁场强度,提高效率;缺点是有非线性,铁心损耗,而且普通铁磁材料的饱和磁密较低。在一般的民用或工业领域采用普通的铁磁材料和永磁材料是比较合理和可行的。

二美国弹射器的发展和成果

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，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CVN－21研制全新的、性能非凡的飞机电磁弹射系统。

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。C－13－1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/Ａ－18战斗攻击机飞行员常产调侃C－13－1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，它不仅将机库甲板的占用面积缩减到原来的1/3，而且