中國第二艘國產航母還不用電磁彈射器？是技術水平達不到嗎？

電磁彈射器是航空母艦上的一種艦載機起飛裝置，已由美國最新下水的（2013年10月11日）福特號航母首先裝備。與傳統的蒸汽式彈射器相比，電磁彈射具有容積小、對艦上輔助系統要求低、效率高、重量輕、運行和維護費用低廉的好處。是未來航空母艦的核心技術之一。

近期，本賬號工作人員綜合日本《搜索中國》、俄羅斯《軍工信使》周刊等媒體報道驚奇地發現，中國殲-15艦載戰鬥機已經進行過電磁彈射起飛測試，另外中國第二艘國產航母可能已經開工建造，不過，這艘代號為002的航母沒有採用電磁彈射系統，而是採用蒸汽彈射系統，既然已經具備了相應的技術能力，中國為何不直接為新航母配備電磁彈射系統?

20世紀40年代，美國海軍曾經利用感應電動機設計技術，建造線性電動機並對飛機進行彈射試驗。然而由於該系統成本太高，在二次世界大戰結束時就放棄了電磁彈射器（電磁彈射器）的開發研究工作。由於艦載飛機重量不斷增加和起飛速度的提高，1978年美國海軍又重新開始對電磁彈射器進行開發，目的是解決目前使用的蒸汽彈射器不能滿足艦載飛機重量增加和起飛速度提高的問題。從1992年開始進行概念可行性研究，1998年海軍電磁彈射器小組研製了小比尺模型，大小為彈射電動機實際尺寸的一半（12英尺），電磁彈射器小組分別對其進行了彈射、制動和回收的演示。並用該模型做了性能和電磁輻射場試驗，證明埋在飛行甲板上槽型結構中的電動機的電磁輻射場符合屏蔽要求。該電磁彈射器能夠彈射範圍很寬的有人和無人駕駛的飛機，從小型的靶機到大型的戰鬥機，例如聯合攻擊戰鬥機。通常海軍艦船，尤其是航空母艦上的蒸汽和液壓裝置維修很麻煩，維修勞動強度大，運行成本高。這是海軍考慮投資3.22億美元，制訂7年計劃製造電磁裝置取代在航空母艦上使用幾十年的蒸汽彈射器的主要原因。根據20世紀90年代的研究，在1999年與兩個主要承包商諾斯羅普·格魯曼（NorthropGrumman）和通用原子（GeneralAtomics）簽訂了初步合同，還與其他分承包商簽訂了許多子合同，各獨立開發演示系統並將完成最終合同。根據合同，通用原子公司和諾斯羅普·格魯曼（NorthropGrumman）航海系統等兩個承包商進行的早期開發階段將在2003年末結束。隨後，將進一步制訂開發該技術的5年工程計劃，在制訂該計劃之前，對海軍艦隊未來的應用的可能性進行了評估。根據當時的評估，到2005年，海軍設計師可以在航空母艦上開始用電磁彈射器取代巨大的蒸汽彈射器。這些系統將安裝在2013年左右投入運行的下一代航空母艦CVNX-1上。其後續航空母艦CVNX-2除了將採用電磁彈射器外，還可能安裝電磁阻攔飛機裝置取代現有的阻攔裝置。2003年美國海軍正式將CVNX-1(CVN-78)和CVNX-2(CVN-79)合并為CVN-21項目[2]。

彈射器（系統）由4個子系統組成：來自艦上電源的能量的貯存子系統把提供的能量貯存起來；能量轉換子系統，它把貯存的能量轉變成高頻脈衝，可控制的能量輸出以驅動線性感應電動機；線性感應電動機本身就是彈射電動機；控制台，由操作人員設定彈射參數並監視整個系統[2]。

電磁彈射器與蒸汽彈射器比較具有許多優點：能簡化艦上維修工作，電磁彈射器將「自動進行狀態監測」，發出系統失效的預報和在完成維修工作後跟蹤可維持保持多少次彈射。據Sulich估計，海軍用它可以比用蒸汽彈射器節省勞動力成本達30%以上，由此幾年節省下來的費用足以抵消開發電磁彈射器的成本；電磁彈射器的另一個重要優點是精度高。它將使海軍擴大航空母艦上彈射從輕型到重型飛機的能力，有更好的「高精確度控制彈射和回收」；電磁彈射器將允許用閉路控制整個彈射過程，減少彈射應力並對彈射性能進行更加嚴密的控制；減少對飛機的作用力；其重量和體積大約只有蒸汽彈射器的一半。電磁彈射器與海軍正在努力研製的全電力系統艦匹配。它將有更好的控制，安排程序的適應性以及更好利用動力來進行操作監視。此外，為了更換目前使用的液壓系統，電磁彈射器設計可以製造目前艦所使用的電力為基礎的飛機阻攔系統

本文分析中國第二艘國產航母為何不用電磁彈射器主要有以下原因。首先，解放軍殲-15艦載戰鬥機在中國首個電磁彈射試驗系統上完成了彈射起飛，這次成功的試驗是在中國海軍某艦載機基地的電磁彈射器試驗場進行的，從中國航母工程啟動開始，艦載機的起飛方式就一直是外界關注的焦點之一。網上觀點以及軍事專家觀點都認為，中國第二艘國產航母將採用彈射起飛方式，它將是中國首艘配備彈射器的航母。

電源裝置

電磁彈射器用的是直流電源，而且在電磁彈射器工作時是負荷衝擊性非常大。雖然有了儲能裝置，但由於要求彈射器在很短時間內起飛更多架次的飛機，所以對電磁彈射器的電源容量要求也比較大，一般容量在5~8KVA左右（但輸出電壓卻不高）。這麼大的功率的交流發電機當然不是問題，但如果是直流發電機則必須是無刷穩流直流發電機，否則滑環的強大電流會灼傷換向器。

直線電機的原理並不複雜．設想把一台旋轉運動的感應電動機沿著半徑的方向剖開，並且展平，這就成了一台直線感應電動機。在直線電機中，相當於旋轉電機定子的，叫初級；相當於旋轉電機轉子的，叫次級。初級中通以交流，次級就在電磁力的作用下沿著初級做直線運動．這時初級要做得很長，延伸到運動所需要達到的位置，而次級則不需要那麼長。實際上，直線電機既可以把初級做得很長，也可以把次級做得很長；既可以初級固定、次級移動，也可以次級固定、初級移動。然而，電磁彈射器也決不是僅靠直線電機工作的，它總共有強迫儲能裝置、大功率電力控制設備、中央微機工控控制及直線感應電機

強迫儲能裝置

強迫儲能裝置是電磁彈射器的核心部件，它不僅緩解了發電機的壓力，同時在彈射器不工作時吸收發電機的能量，使發電機幾乎不受衝擊性負荷的影響。強迫儲能裝置原理不複雜，但實施起來很麻煩。早期美國使用的強迫儲能裝置是這樣的：用一個交流發電機給一個交流電動機供電，這其實很容易辦到，但這個電動機的轉子同時拖動直流發電機和一個慣性特別大的自由轉子（約上百噸）一起旋轉。

我們知道，這麼重的自由轉子起動起來有一定的難度，然而這麼重的自由轉子運行到高速時具有非常大的動能。而在彈射器工作時，在發電機看來是接近短路的電流會產生強大的制動力阻止發電機繼續運行，電動機將無能力拖動，但此時由自由轉子強大的儲能強制拖動直流發電機運行，從而完成衝擊性負荷過程。自由轉子會因此速度降低，但起動結束後電動機會在發電機沒有負荷下把自由轉子拖動到一定的速度，從而完成儲能。但需要說明的一點是，這裡的電動機既不是鼠籠式電機，也不是繞線式電機，還是轉子有一家電感及線圈的電機。

電磁彈射系統的強迫儲能系統要求在45秒內充滿所需要的能量。最大的艦載機起飛一般需要消耗的能量不會超過120兆焦,而這強迫儲能系統最大能儲存140兆焦的能量,此時充電功率為3.1兆瓦,算上損失,4兆瓦左右（實際上達不到的），四部電磁彈射系統同時充電,充電總功率可達16兆瓦（1兆瓦=1000KW），可見沒有強大的電源是無法滿足電磁彈射需求的。當然，航母上耗電的又豈止是四部電磁彈射器，另外還有電磁軌道炮、升降機、激光（激光的功率都不算大）等其它用電加起來的話必須要航母總功率達60兆瓦以上,否則電磁彈射器充電時也會影響其它系統用電的。

直線電機

磁懸浮列車就是用直線電機來驅動的。關於直線感應電機實際上原理簡單，在實際生活中也可遇到不少。美國的電梯轎廂門就是採用直線電機驅動，而中國在還大部分停在車床上等不太多的場合。用於電磁彈射器的直線電機與它們相比可謂超功率的，而且其工藝方面也比普通的高。電磁彈射器的直線電機動子是採用鋁筒（大部分材料為鋁），為U型狀，其中3面與直線電機的定子相對，其中往複道與航母存在摩擦外，其餘均不會產生摩擦，而且鋁筒質量輕，遠遠小於蒸汽彈射器的活塞，因此返回非常容易，減速道也可短的多。實際上，其中動子部分一部分專家認為還可以進一步減輕，那麼電磁彈射器效率是明顯的.

在整個電磁彈射系統中，彈射電動機是電磁彈射系統的核心組成部分，是一種把輸入的電能轉換為動能，從而在一定距離內推動艦載飛機加速至規定彈出速度的功率執行部件[5]。直線電機既是系統動力的提供者，同時又是整個電磁彈射系統所要控制的對象，因此直線電機本身就是系統主要組成部分之一，直線電機性能的好壞對整個電磁彈射系統有著直接的影響。目前國際上主要通過對直線感應電機，直流電勵磁同步電動機，直線永磁同步電動機和超導磁體直線同步電動機進行對比分析，研究各種類型的直線電機在電磁彈射系統當中的應用以及相應的控制策略。[3]

控制系統

控制系統是整個EMALS 系統的大腦，通過運算控制程序，大量的位置、溫度、速度等不同類型的感測器，不間斷地指揮、監視著EMALS 全系統的工作。控制系統要根據飛機類型、環境氣候、航母運行狀態，發出控制指令，按照要求使飛機達到起飛速度。同時，通過控制，還要使發電、儲能、電力電子分系統高度協同，從而使系統工作獲得高速度、高精度和高可靠性。力的載入時間、大小控制非常關鍵。通過載入方式的改變，一方面滿足飛機起飛要求，另一方面，儘可能降低對電力電子系統、電源、儲能系統的衝擊。另外，還要盡量使管理對象模塊化，即不同類型飛機對應一個模塊，同一類型飛機不同環境條件對應一個子模塊。這樣，便於進行「傻瓜式」操作，提高工作效率。該控制系統應該是艦上計算機集成指揮系統的子系統，必須建立良好的上下游通訊、控制聯繫。[3]

導軌

電磁彈射器的導軌與電磁軌道炮的差異很大，也比其複雜的多。

電磁彈射器的導軌共有4個，分別為上部2個，下部2個。但每跟導軌都非常長（200米以上），安裝在起飛甲板的下面。並且每跟導軌內部均有超導體與其熔接，中間是高壓冷卻油，其冷卻油在進入導軌前的溫度低於-40℃，而從導軌出口的溫度低於-30℃。不僅如此，導軌與飛機牽引桿的接觸面至導軌中心還有很多特細的小孔，所以其冷卻油不僅僅是為超導體降溫，還有潤滑的作用，而且會使飛機牽引桿在運行時降溫。

飛機牽引桿是在飛機前輪下與飛機前輪連為一體的裝置，可收縮並放置在飛機的腹腔內。其中間也為超導體，但無油冷卻通道，而且與導軌連接處面積較大，均為軟接觸。在起飛前，飛機牽引桿伸出至上下導軌之間，飛機發動機起動並開如運行，但約一秒鐘時彈射器通電，強大的電流從導軌經飛機牽引桿後再流回另一對導軌並形成迴路，牽引桿在強大的電磁力下被推動運行到高速（未到起飛速度，但只差一點）後電流被強制截止，牽引桿將不再受力，但在飛機發動機的推力下達到起飛速度。為什麼未達到起飛速度就斷電呢？是因為由於飛機牽引桿與飛機連為一體，如果這時繼續通電的話，飛機起飛時將把飛機牽引桿拉出，斷電時會產生強大的電弧灼傷飛機牽引桿。[3]

脈衝發生器（電力電子系統）

以上過程實際上是脈衝發生器（電力電子系統控制儲能系統脈衝放電，調節直線電機轉速）完成的。蒸汽彈射器為使發動機與彈射器同步運行（縮短起飛距離），用一根鋼棍先擋住飛機運行，由於飛機發動機推力無法推斷鋼棍，但與彈射器合力卻可推斷鋼棍，從而使飛機在彈射器與發動機合力下起飛。但電磁彈射器卻無需鋼棍擋住，在飛機起飛時電磁彈射器同步通電，但電流是逐漸增加起來，而且在起飛末段將電流截止。

俄羅斯《軍工信使》周刊作為專業特性非常鮮明的外媒，認為根據中國現有的技術和已經取得的成果推斷，其002號航母(即第二艘國產航母)已進入設計階段如無意外將在2016年底開工建造，但是核動力系統和電磁彈射系統都沒有被列入建造計劃原因是解放軍選擇了更傳統的蒸汽彈射器。有分析人士指出001A號航母(中國首艘國產航母)是在「遼寧」號的基礎上設計建造的因而採用常規動力系統和滑躍式甲板完全在情理之中而且具備加裝蒸汽彈射器的條件，而002號航母被認為「擔負著彎道超車的重任即使不採用核動力系統，也應該採用電磁彈射器」。

《軍工信使》周刊分析當代中國海軍的首要任務是在未來10到15年實現全球抵達掌控重要節點從航母配置上看解放軍難以追趕某軍11艘航母的全球部署能力，中國初期發展航母艦隊的主要任務是建造並運用航母同時兼顧遠洋航行任務，因此在擁有「遼寧」號和001A號航母的改裝和建造經驗的基礎上繼續建造一艘常規動力航母符合實際需求。

俄羅斯《軍事報道員》雜誌猜測「小鷹」號的每部蒸汽輪機的動力在7萬馬力左右總動力28萬馬力最高時速32節，中國已經掌握了超過5萬馬力的蒸汽輪機的設計、建造和維護技術因而002號航母可能採用4台大馬力蒸汽輪機作為動力系統超過20萬馬力的總動力足以推進7萬噸排水量的002號航母執行日常航行戰備任務，7萬噸應該是該型航母的常規排水量其滿載排水量接近8萬噸與已經退役的美國「小鷹」號航母8萬噸的排水量相當。如果中國002號航母能夠通過調校蒸汽輪機和改進技術將單發功率提升到7萬馬力那麼將是非常不錯的成績。目前全球沒有一艘常規動力航母能夠實現那樣的動力配置，英國最新的「伊麗莎白」級航母排水量6.5萬噸雖然採用先進的燃氣輪機但總動力僅為14.5萬馬力。

《軍事報道員》指出，中國002號國產航母沒有採用電磁彈射系統這與航母採用常規動力系統而非核動力系統有很大關係，為了確保把大到運輸機小到艦載無人機的各型飛機以準確的離艦速度推離甲板需要穩定的高功耗輸出系統，核動力系統在這方面顯然比常規動力系統更有優勢因為前者可以提供幾乎取之不盡的能量，但是要把核動力系統的能憾合理釋放出來供電磁彈射系統使用需要電容組和散熱單元等系統密切配合，目前全球只有「福特」級航母對這種系統進行了測試但現階段的測試結果並不理想還有很長的路要走，對於其他國家的海軍來說在現階段採用該系統的風險更大。

美國海軍正在研究用電磁彈射器取代當前和未來航空母艦上使用的蒸汽彈射器的工作。目前，電磁彈射器設計的著重點放在線性同步電動機上，由脈衝盤式交流發電機通過循環變換器供電。平均功率由主平台獨立電源供給，在盤式交流發電機的轉子中貯存的動能，可在彈射的2～3s脈衝時間內釋放出來。這種高功率可給予循環變換器提高電壓和彈射電動機的頻率。線性同步電動機利用循環變換器輸出的功率將加速飛機下面的彈射滑塊的行程。始終提供「實時」閉合迴路控制。從主電源得到的平均功率經過整流後提供給反向變換器。利用反向變換器輸出的功率，在彈射的45s循環時間內，4台盤式交流發電機像電動機轉子那樣運轉。盤式交流發電機是雙重定子，軸向磁場的永磁機。轉子既作為動能貯存部件也作為產生電力的磁場源，把它放在2個定子之間。在定子上有2個分開的繞組，一組供電動機；另一組供發電機使用。電動機的繞組放在深糟中旨在便於向機殼外更好地散熱；發電機繞組接近空氣隙以減少脈衝時產生的電抗。採用高強度永磁體可以使用20對磁極，以便較好地利用整個有效面積。轉子由加預應力的Inconel合金鍛件箍提供，4台盤式交流發電機安裝在扭轉框內，並且成對以反向轉動的安裝，目的在於減少扭矩和旋轉效應。轉子以最大6400r/m的速度旋轉，每個轉子可貯存總計121MJ的能量，該能量可使轉子具有18.1kJ/kg的能量密度，不包括扭矩框。每台盤式交流發電機有6相，每相電阻和阻抗分別為8.6mΩ和10.4mH。在最大轉速下，每台盤式交流發電機輸出81.6MW的匹配負載。在最大彈射速度時，輸出的頻率是2133Hz,而在脈衝結束時，頻率則會降低到1734Hz。電機的勵磁由放在轉子罩內的磁能積為35高·奧斯特的NdFeB永磁體提供的。該磁體在40℃下有剩磁感應1.05T,並在工作氣隙產生平均磁通量密度0.976T,齒的磁通密度約1.7T。定子由240個有效槽，沿著徑向槽的疊層芯和液態冷卻板組成。背鐵產生的最大電動勢（EMF）是1122V。最大輸出電壓是1700V（峰值），每相的峰值電流是6400A。每台盤式交流發電機的總效率是89.3%，每台發電機總損耗為127kW。發電機的散熱是通過定子外面的冷卻板進行的。冷卻的WEG混合劑流量為151L/min。銅的平均溫度是84℃,這時背鐵溫度達61℃[2]。

循環變換器或功率電子裝置一般是實現電磁彈射器安裝到艦上的關鍵技術。103m長的電動機，即功率電子裝置只有在通過線圈的特定時間內才起作用，而不是整個電動機。通過改變供電電壓和頻率，可使電磁彈射器在最有效位置內以全速移動。循環變換器是可換向的3f-1f橋式電路，通過一條橋式線路與另一條橋式線路的並聯/串聯的輸出而得到所要求的功率水平，並且本身不需要開關。這種設計取消了共用電流電抗器和串聯電容器。循環變換器的輸出頻率和電壓分別是0～644Hz和0～1520V。目前已完成循環變換器的模擬試驗，最大彈射速度時循環變換器輸出波形的峰值電流是6400A[2]。

開關組件的冷卻是通過安裝在部件上的液體冷卻板來實現的。輸入的冷卻介質溫度為35℃，最大壓力為0.7MPa，流量為1363L/min的脫離子水。彈射電動機是一種線性同步「線圈槍」，開槽與蒸汽彈射器相同，以便讓滑塊在槽內往返移動。電動機本身是一對具有有效面積的面朝外的垂直定子結構。轉子或者滑塊（滑架）位於定子上面，像馬鞍形狀，位於飛行甲板上凸起的地方並與飛機連接。滑塊是由160塊完整的永磁體組成。在盤式發電機上使用同樣的永磁體。滑塊受兩軸上滾輪的限制，滾輪在焊成的定子框架的槽內移動，這可使定子和槽隨艦彎曲。滑塊將伴隨著這種裝置產生彎曲並始終保持著6.35mm的空氣隙。定子由0.640m長度的分段組成，高度為0.686m,厚度大約為0.076m。當滑塊通過各分段上面時就會產生彈射或制動作用。定位感應系統是以霍爾效應感測器為基礎的，很像目前旋轉的無刷換向電動機。定子通過飛行甲板上槽的偏置裝置進行保護。這是為了防止諸如噴氣燃料之類的污染物、螺母、螺栓、扳手和液壓流體等有可能通過槽口侵入槽內而影響定子工作。在定子之間用密封罩保護匯流排和靜態開關，用可控整流器控制輸送到定子段的功率。彈射用定子由稱為分段的模塊單元做成，總共有298個分段，分布在兩側，每側設149個分段。對於整個彈射電動機，每一分段長0.640m。分段上的每個槽用6匝三相繞組疊加而成，共計有240個槽。這些繞組使每段變成極距為8cm的8個磁極。這些線圈用環氧樹脂黏結，做成具有G10隔離線圈腳的無槽定子結構。將無槽定子結構設計成具有低達18mH的相電感。當匯流排電阻為0.67mΩ時，相電阻為42mΩ，空氣隙工作磁通量為0.896T,電樞磁通量大約是0.24T。在全速推進時，永磁體受到0.26MPa的剪切應力作用。在103m衝擊行程的末端，滑塊前部進入制動狀態。這種制動在較短的定子段內發生，它通過渦流產生制動作用。正是在相同位置，滑塊仍覆蓋著一些起作用的定子段。在這些定子段中通過改變兩相電流，開始產生反向制動力。為了使定子達到70%的設計效率和限制最大損耗為13.3MW,因此必須進行有效地冷卻。電磁電動機有一塊供定子線圈和背鐵的散熱用的鋁冷卻板，其峰值溫度可達約155℃。經過45s彈射循環時間內的冷卻後，可冷卻到75℃。罩在永磁體上的滑塊將通過熱交換進行冷卻，用這種方式將散去來自滑塊結構和永磁體上渦流產生的少量熱量[2]。

安裝電磁彈射器將對整個航空母艦有正面影響。彈射電動機具有很高的推進能量密度。正如半比尺模型所示，它的橫截面會受到9.1MPa的力，而蒸汽彈射器則會受到較低的3.1MPa的推進力作用。它對貯能裝置同樣有正面影響，與蒸汽彈射器的蒸汽蓄能器起的作用是類似的，低能密度蒸汽蓄能器將被高能密度飛輪所取代，這些飛輪可貯能28kJ/kg的能量密度。提高密度將減少系統的體積並將在艦上騰出更多空間安裝其他設備。

電磁彈射器可減少檢查和維護所需的人力要求，但這是對現有系統改進後得到的。因為現有系統需要大量人工進行維護和檢查的工作，但電磁彈射器檢測卻可從機械過渡到電氣/電子裝置。電磁彈射器可消除現有系統結構的各子系統的複雜性。蒸汽彈射器彈射時需要大約614kg蒸汽，並且需要利用大量液壓水用於制動以及電力機械。這些子系統與它們相關的泵、電動機和控制系統一起，使整個彈射系統變得更複雜。而採用電磁彈射器進行彈射時，制動和回收將通過彈射電動機來實現，因此可減少輔助部件並可簡化整個系統。這時可取消蒸汽彈射器每次彈射時所需的液壓油、壓縮空氣以及污染環境的潤滑油。

電磁彈射器可保持一個完全獨立於艦的主動力裝置系統，給艦的設計提供更大的適應性，使推進裝置更有效。電磁彈射的主要優點之一是具有集成全電力艦的能力。海軍根據先進水面艦艇船機計劃，進行了大量研究以開發下一代水面艦艇用電力推進系統；同時已經出現一個能夠良好工作的高功率電力武器系統。由此，將有越來越多的艦上系統採用電力系統來取代老的機械系統

本文分析認為，中國在電磁彈射領域的發展成就是已經在某些技術取得了突破，「福特」級航母的首艦「福特」號到2020年將初步形成作戰能力，而對於中國來說如果在2020年要力爭擁有3支航母編隊，那麼一定是「遼寧」號、001A號艦和002號艦組成，由於這些航母擔任的任務各不相同，比如遼寧艦就是訓練科研為主要目的，因此比較穩妥的方案是採用常規動力系統和蒸汽彈射器，而不是直接上馬核動力系統和電磁彈射器。

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