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中国航空母舰用电磁弹射器难在哪?

品牌专栏中国仪表网2007年02月02日 14:34人气:911

 时代的不断变化都在催促着新生的事物发展,战争中的武器也在不断的升级,越来越多的人认识到,仅凭过去的那种勇气和力量已经远远不能适应现代战争的需要了。而做为集高科技于一体的航母,也在发生着天翻地覆的变革,这些都表现在目前已接近竣工的布什号航母,现已定为福特级。福特级航母造价达到80亿美元,是以往同样航母造价的一倍以上,显然,如此重金打造的航母与以往的航母将会有本质的区别。因为这艘航母不仅使用了电磁轨道炮、激光做为防御武器,而且还使用了让世上所有国家都羡慕的电磁弹射器。

  一直以蒸汽弹射器为自大的美国佬为什么抛弃了至今连老毛子都没有掌握的蒸汽弹射器呢,是什么迫使自己更换已经用惯了的设备了呢?可见电磁弹射器的魅力之强。其实要论电磁弹射器与蒸汽弹射器相比,用现代的高速列车与蒸汽机相比是毫不夸张的。

  首先是效率问题,现役的蒸汽弹射器效率只有百分之五,电磁弹射器高达百分之六十,而且没有密如蛛网的高温高压蒸汽管道维修的噩梦,省人又省钱。在军事开资庞大的美军,是有一定意义的。
  
  其次是电磁弹射实应性更好,电磁飞机弹射系统具有不断监视自身的闭路系统,连续调节速度和功率,以便适应每种飞机机型的弹射剖面。 电磁飞机弹射器除具有较大控制灵活性之外,其重量和大小只相当于蒸汽弹射器的一半。消除了高压、高温蒸汽管路和阀的迷宫将减少值勤作业和战斗危险。由于使用电力电子分系统,电磁飞机弹射系统的维修人员将少30%。 未来电磁飞机弹射系统是模块化的,因此便于维修和改进时不同组件和分系统的交换.

  电磁飞机弹射系统具有更好的性能和和弹射控制范围,适合弹射飞机的范围很广。它将加速飞机的重量约在4.5~45吨,弹射速度在100~370千米/小时之间,控制灵敏度灵活,这是蒸汽弹射器不能达到的。

  还能任意调节弹射推力,哪怕是四吨的无人机,那是蒸汽弹射机一弹就碎的轻巧飞行器——讯息战的新宠,由于弹射动能配置方面的限制,轻型飞机反而更难弹射。而且不能够弹射当前美军使用的无人机。而高性能无人机登上航母是肯定的,由于有人舰载机和无人机大小不一,而蒸汽弹射器又没法调节弹射功率,而且效率太低,一次弹射一般要消耗614千克蒸汽,每次弹射结束都有大量蒸汽被排除,带走大量能量,其效率一般在4%~6%之间。而电磁弹射系统的效率约为60%左右,对能量的需求大为降低。蒸汽弹射器由于功率无法精确控制,在弹射舰载机的过程中,对舰载机的推力上下波动比较大。而电磁弹射系统能够对弹射过程中的力进行精确控制,另外,蒸汽弹射器在飞机脱钩后仍然会维持很高的汽缸压强,对弹射器末端造成极大的冲击,而电磁弹射系统在与飞机脱钩后作用力立刻反向,对弹射系统末端的冲击力远远低于蒸汽弹射器。

  目前的蒸汽动力弹射器不能够用于弹射任何现役无人机,而这被认为是蒸汽弹射器的最大缺陷。信息技术突破性发展以及更轻、更灵巧武器的不断出现,使无人机在“尼米兹”级航母退役之前就可能上舰执行战斗任务。而美国的政治领导层更希望使用无人机作战,以把人员伤亡、被俘的风险降低到零。

  电磁弹射器还可以延长战机的寿命。电磁弹射器的功率可以根据弹射飞机的尺寸重量进行灵活调节,可用于弹射美国海军现在以及未来的各种有人飞机或无人飞机。同时电磁弹射器弹射力非常稳定,弹射过程中,其最大力与平均力的比值仅为1.05,这就大大减轻了弹射过程中飞机机体结构所受到的冲击,有研究表明,电磁弹射器的这一性能最大可使舰载机的机体寿命延长31%。此外,与蒸汽弹射器相比,电磁弹射器的尺寸、重量可降低50%,对人力的需求将减少30%,全寿命周期费用可降低20%,作战可用度可提高20%。

  电磁弹射系统还有一个蒸汽弹射器不具备的优点,那就是它很容易简化为满足短距起降飞机起飞的助跑系统,能很好地与滑跃跑道形状配合,可用于轻型航母或两栖攻击舰上,甚至能够用在任何采用综合电力系统的舰艇上。而蒸汽弹射器的汽缸必须保持直线,不可能装在滑跃甲板上。
  
  另外,电磁弹射系统构成相对简单。它只用直线电动机进行弹射、制动和使往复车复位,不需要保持常备状态,在完全关闭的冷态条件下不到15分钟内就能达到待用状态。实际将来经验成熟后时间会更短,而蒸汽弹射器要依靠大量的系统和分系统,有液压泵、蒸汽、水力刹车、蓄压器等等,需要你不断给弹射槽预热,蒸汽弹射器的机械磨损严重,尤其是金属密封条,每弹射一次都会与此摩擦一次,更换量大。而电磁弹射系统使用的电力电子元件用无接触的瞬时电磁力,无磨损,可靠性在民用领域已得到检验,寿命都在几万小时,且具容错能力。 可见,如遇紧急情况下,电磁弹射器反应速度远远优于蒸汽弹射器。而且可靠性两者根本没法比。  还有一个是蒸汽弹射器根本无法相比的性能,那就是电磁弹射器最大弹射50吨战机,最大速度可达400千米/小时,因此它可以在航母无需高速行驶的情况下或无风的情况下起飞战机。而使用蒸汽弹射器的航母,一旦遇到紧争情况,就全指望旁边的伯克级了,所以有人说航母只适宜进攻而不适宜防守是有一定道理的,但是采用电磁弹射将会改变这种观念。

  显然,有了上述许多优点,那些顽固坚持使用蒸汽弹射器的老家伙们终于软了下来。那些老顽固派有点象中国的潜艇派(这是本人个人意见,请大家不要攻击)。那些人认为电磁弹射器产生的电磁场可能会导致飞机在准备起飞时发生爆炸,而蒸汽动力的弹射器也被证明在超过80万次的弹射记录中,仅出现30次部件故障,而这其中只有一次导致一架飞机损毁的优良性能一直坚持蒸汽弹射器的使用。所以尽管蒸汽弹射器非常可靠和安全,但随着电磁弹射的发展,取代仍是大势所趋。

  电磁弹射器有这么多优点,发展确实是当务之急,尤其是中国还拥有如此广阔的海域,在没有强大舰载机的保护下,仅凭几艘战舰或几艘潜艇是根本无法胜任的。而且现代海战中,没有战机的参与是无法想象的。那么,所谓的电磁弹射器究竟是什么东西呢?它到底难在哪呢?

  其实,电磁弹射器的心脏就是100多米长的直线感应电动机,它推动与飞机相连接的电枢。而目前电枢基本上是一个U形铝块,装在定子的3个侧面。 直线电机的原理并不复杂.设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开,并且展平,这就成了一台直线感应电动机。在直线电机中,相当于旋转电机定子的,叫初级;相当于旋转电机转子的,叫次级。初级中通以交流,次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动.这时初级要做得很长,延伸到运动所需要达到的位置,而次级则不需要那么长。实际上,直线电机既可以把初级做得很长,也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动,也可以次级固定、初级移动。其实就算不象我这样懂电气的,了解这些应该都是不难的。然而,电磁弹射器也决不是仅靠直线电机工作的,它总共有强迫储能装置、大功率电力控制设备、中央微机工控控制及直线感应电机。分别介绍如下:

  强迫储能装置是电磁弹射器的一个瓶颈,在国防方面一直是高度机密的。这方面有什么作用呢?其实这玩意的作用就是能平时储能,然后把大功率能量在短时间内释放出来。电磁弹射器工作时间不长,但是在做功时段是个加速度做功的过程,因此不能把它当成恒功率设备来考虑。电磁弹射系统的强迫储能系统要求在45秒内充满所需要的能量。最大的舰载机起飞一般需要消耗的能量不会超过120兆焦,而这强迫储能系统最大能储存140兆焦的能量,此时充电功率为3.1兆瓦,算上损失,4兆瓦左右(实际上达不到的),四部电磁弹射系统同时充电,充电总功率可达16兆瓦(1兆瓦=1000KW),可见没有强大的电源是无法满足电磁弹射需求的。当然,航母上耗电的又岂止是四部电磁弹射器,另外还有电磁轨道炮、升降机、激光(目前激光的功率都不算大)等其它用电加起来的话必须要航母总功率达60兆瓦以上,否则电磁弹射器充电时也会影响其它系统用电的。这里大家可能有个误区,那就是认为航母目前的功率都是几十万千瓦,为什么不能驱动弹射器呢?需知,这么大的功率实际上大部分用于动力,蒸汽机机直接拖动螺旋桨而不是由发电机拖动,这样做的目的是减少能量转化产生的损失。由此可见,电磁轨道炮想在中、小型航母上恐怕短期内并不容易。而如果没有强迫储能装置,仅靠航母发电机直接提供是根本无法想象的。因为弹射器工作时间短,此时最大功率已经超过航母发电机总功率了。蒸汽弹射器有一个储汽罐,它可以把锅炉的蒸汽能量储存起来,而蒸汽弹射器弹射一架飞机后也至少需要近一分钟的储能(从锅炉来),才能再弹射飞机,让锅炉直接驱动蒸汽弹射器的话是无法想象的。电磁弹射器难就难在电能不象蒸汽,根本不适合大容量储存,象储存弹射舰载机这样的能量更是难上加难。通用原子公司在实验电磁弹射器时对强迫储能装置只字不提,可见其技术的高度机密性非同一般,想突破也非易事。
  大功率电力控制设备,这东西从原理上来说,它就是跟变频器差不多,工作时通过变换器将升高电压和频率的电流输入直线电机。于是电磁线圈便生成一个随电枢运动的运动电磁波,这个运动电磁波不是均速的,而加速度非常高的运动电磁波。借助这个运动电磁波,驱动弹射器的动子(实际上相当于电动机的转子)来高速推动战机起飞。而电磁线圈的电源来自大功率电力控制设备,它实际上是由特高功率的可控硅整流器组成其一次元件,它能在高达几千伏的电压作用下产生几万安培的电流。有人说那不就是变频器吗?这只回答对了一半,因为市场上的所有变频器也不可能有这样高的加速度,也就是说频率的变化会有这么快。而且变频器在频率增加时存在电机定子线路电抗增加的因素,在这里更是严重。
  中央微机工控控制装置,这方面技术并不是很高,尤其是在硅谷方面迅猛发展的今天。只不过这里要求更高的可靠性和高速性、灵活性。控制装置的输出信号给大功率电力控制设备,同时又接受直线电机的反馈信号进行闭环控制,其速度是毫秒级的。也就是说其CPU运算速度??的厂家来说,这些早就实现了,比如是冶炼厂的电炉控制等。而且控制装置的人机界面也是相当好的,操作人只需按下起飞什么类型的飞机,如F-18等,中央处理器会自动根据风速、航母速度、载弹量等条件分析后进行储能,并保证在消耗最你的能量下圆满起飞飞机(当然还要一点保险系数的)。包括起飞无人机、预警机、对空对海作战飞机等。而这些对于蒸汽弹射器来说是很为难的。电气的控制反应、最优控制等都是目前其它机械方面所不能比拟的。


  直线感应电机我已经说过了,磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。关于直线感应电机实际上原理简单,上面也已说过,在实际生活中也可遇到不少。目前美国的电梯轿厢门就是采用直线电机驱动,而中国在还大部分停在车床上等不太多的场合。用于电磁弹射器的直线电机与它们相比可谓超功率的,而且其工艺方面也比普通的高。电磁弹射器的直线电机动子是采用铝筒(大部分材料为铝),为U型状,其中3面与直线电机的定子相对,其中往复道与航母存在摩擦外,其余均不会产生摩擦,而且铝筒质量轻,远远小于蒸汽弹射器的活塞,因此返回非常容易,减速道也可短的多。实际上,其中动子部分一部分专家认为还可以进一步减轻,那么电磁弹射器效率是明显的。

  其实有的人一直固执的认为,电磁弹射器是空中楼阁,或许只是在试验阶段,就是出来恐怕还要得好几年呢。只可惜的是,老美的电磁弹射已经成功,而且已经装上了航母,而且在已经使用蒸汽弹射器的航母中,用电磁弹射器更换蒸汽弹射器的计划也在开展当中。当然,由于电磁弹射器比蒸汽弹射器轻,会造成航母左右重量不对称,而且更难的是电磁弹射系统要代替一系列复杂的蒸汽弹射系统并非易事。这对我们来说,决对不是什么好事,我国发展航母,宜跳过已经落后而又笨重的蒸汽弹射器,直接上电磁弹射器,正所谓更进何必只一步呢?
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