EMALS發(fā)展及展望

美國海軍近來致力于船艦的自動(dòng)化與電力化，除了電磁彈射裝置外，軌道炮也是很重要的研發(fā)方向。

包括:電源、強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置、導(dǎo)軌和脈沖發(fā)生器等，但彈射器還多了強(qiáng)迫降溫及精確控制。 分別介紹如下: 1、 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(shí)是負(fù)荷沖擊性非常大。雖然有了儲(chǔ)能裝置，但由于要求彈射器在很短時(shí)間內(nèi)起飛更多架次的飛機(jī)，所以對(duì)電磁彈射器的電源容量要求也比較大，一般容量在5~8萬KVA左右(但輸出電壓卻不高)。這么大的功率的交流發(fā)電機(jī)當(dāng)然不是問題，但如果是直流發(fā)電機(jī)則必須是無刷穩(wěn)流直流發(fā)電機(jī)，否則滑環(huán)的強(qiáng)大電流會(huì)灼傷換向器。 電磁彈射器的心臟就是100多米長的直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，它推動(dòng)與飛機(jī)相連接的電樞。而目前電樞基本上是一個(gè)U形鋁塊，裝在定子的3個(gè)側(cè)面。直線電機(jī)的原理并不復(fù)雜.設(shè)想把一臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)沿著半徑的方向剖開，并且展平，這就成了一臺(tái)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。在直線電機(jī)中，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子的，叫初級(jí);相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的，叫次級(jí)。初級(jí)中通以交流，次級(jí)就在電磁力的作用下沿著初級(jí)做直線運(yùn)動(dòng).這時(shí)初級(jí)要做得很長，延伸到運(yùn)動(dòng)所需要達(dá)到的位置，而次級(jí)則不需要那么長。實(shí)際上，直線電機(jī)既可以把初級(jí)做得很長，也可以把次級(jí)做得很長;既可以初級(jí)固定、次級(jí)移動(dòng)，也可以次級(jí)固定、初級(jí)移動(dòng)。然而，電磁彈射器也決不是僅靠直線電機(jī)工作的，它總共有強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置、大功率電力控制設(shè)備、中央微機(jī)工控控制及直線感應(yīng)電機(jī) 2、 力量儲(chǔ)能裝置 力量儲(chǔ)能裝置是電磁彈射器的核心部件，它不僅緩解了發(fā)電機(jī)的壓力，同時(shí)在彈射器不工作時(shí)吸收發(fā)電機(jī)的能量，使發(fā)電機(jī)幾乎不受沖擊性負(fù)荷的影響。力量儲(chǔ)能裝置原理不復(fù)雜，但實(shí)施起來很麻煩。早期美國使用的力量儲(chǔ)能裝置是這樣的:用一個(gè)交流發(fā)電機(jī)給一個(gè)交流電動(dòng)機(jī)供電，這其實(shí)很容易辦到，但這個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子同時(shí)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)和一個(gè)慣性特別大的自由轉(zhuǎn)子(約上百噸)一起旋轉(zhuǎn)。我們知道，這么重的自由轉(zhuǎn)子起動(dòng)起來有一定的難度，然而這么重的自由轉(zhuǎn)子運(yùn)行到高速時(shí)具有非常大的動(dòng)能。而在彈射器工作時(shí)，在發(fā)電機(jī)看來是接近短路的電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的制動(dòng)力阻止發(fā)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)將無能力拖動(dòng)，但此時(shí)由自由轉(zhuǎn)子強(qiáng)大的儲(chǔ)能強(qiáng)制拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，從而完成沖擊性負(fù)荷過程。自由轉(zhuǎn)子會(huì)因此速度降低，但起動(dòng)結(jié)束后電動(dòng)機(jī)會(huì)在發(fā)電機(jī)沒有負(fù)荷下把自由轉(zhuǎn)子拖動(dòng)到一定的速度，從而完成儲(chǔ)能。但需要說明的一點(diǎn)是，這里的電動(dòng)機(jī)既不是鼠籠式電機(jī)，也不是繞線式電機(jī)，還是轉(zhuǎn)子有一家電感及線圈的電機(jī)。 強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置是電磁彈射器的一個(gè)瓶頸，在國防方面一直是高度機(jī)密的。作用就是能平時(shí)儲(chǔ)能，然后把大功率能量在短時(shí)間內(nèi)釋放出來。電磁彈射器工作時(shí)間不長，但是在做功時(shí)段是個(gè)加速度做功的過程，因此不能把它當(dāng)成恒功率設(shè)備來考慮。 這種強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置是電磁彈射器的一個(gè)瓶頸，在國防方面一直是高度機(jī)密的。作用就是能平時(shí)儲(chǔ)能，然后把大功率能量在短時(shí)間內(nèi)釋放出來。電磁彈射器工作時(shí)間不長，但是在做功時(shí)段是個(gè)加速度做功的過程，因此不能把它當(dāng)成恒功率設(shè)備來考慮。 電磁彈射系統(tǒng)的強(qiáng)迫儲(chǔ)能系統(tǒng)要求在45秒內(nèi)充滿所需要的能量。最大的艦載機(jī)起飛一般需要消耗的能量不會(huì)超過120兆焦,而這強(qiáng)迫儲(chǔ)能系統(tǒng)最大能儲(chǔ)存140兆焦的能量,此時(shí)充電功率為3.1兆瓦,算上損失,4兆瓦左右(實(shí)際上達(dá)不到的)，四部電磁彈射系統(tǒng)同時(shí)充電,充電總功率可達(dá)16兆瓦(1兆瓦=1000KW)，可見沒有強(qiáng)大的電源是無法滿足電磁彈射需求的。當(dāng)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(jī)、激光(目前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(dá)60兆瓦以上,否則電磁彈射器充電時(shí)也會(huì)影響其它系統(tǒng)用電的。 電磁彈射器難就難在電能不象蒸汽，根本不適合大容量儲(chǔ)存，象儲(chǔ)存彈射艦載機(jī)這樣的能量更是難上加難。通用原子公司在實(shí)驗(yàn)電磁彈射器時(shí)對(duì)強(qiáng)迫儲(chǔ)能裝置只字不提，可見其技術(shù)的高度機(jī)密性非同一般，想突破也非易事。 磁懸浮列車就是用直線電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的。關(guān)于直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)際上原理簡單，在實(shí)際生活中也可遇到不少。目前美國的電梯轎廂門就是采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而中國在還大部分停在車床上等不太多的場合。用于電磁彈射器的直線電機(jī)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(jī)動(dòng)子是采用鋁筒(大部分材料為鋁)，為U型狀，其中3面與直線電機(jī)的定子相對(duì)，其中往復(fù)道與航母存在摩擦外，其余均不會(huì)產(chǎn)生摩擦，而且鋁筒質(zhì)量輕，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蒸汽彈射器的活塞，因此返回非常容易，減速道也可短的多。實(shí)際上，其中動(dòng)子部分一部分專家認(rèn)為還可以進(jìn)一步減輕，那么電磁彈射器效率是明顯的. 3、 導(dǎo)軌 電磁彈射器的導(dǎo)軌與電磁軌道炮的差異很大，也比其復(fù)雜的多。 電磁彈射器的導(dǎo)軌共有4個(gè)，分別為上部2個(gè)，下部2個(gè)。但每跟導(dǎo)軌都非常長(200米以上)，安裝在起飛甲板的下面。并且每跟導(dǎo)軌內(nèi)部均有超導(dǎo)體與其熔接，中間是高壓冷卻油，其冷卻油在進(jìn)入導(dǎo)軌前的溫度低于-40℃，而從導(dǎo)軌出口的溫度低于-30℃。不僅如此，導(dǎo)軌與飛機(jī)牽引桿的接觸面至導(dǎo)軌中心還有很多特細(xì)的小孔，所以其冷卻油不僅僅是為超導(dǎo)體降溫，還有潤滑的作用，而且會(huì)使飛機(jī)牽引桿在運(yùn)行時(shí)降溫。 飛機(jī)牽引桿是在飛機(jī)前輪下與飛機(jī)前輪連為一體的裝置，可收縮并放置在飛機(jī)的腹腔內(nèi)。其中間也為超導(dǎo)體，但無油冷確通道，而且與導(dǎo)軌連接處面積較大，均為軟接觸。在起飛前，飛機(jī)牽引桿伸出至上下導(dǎo)軌之間，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)并開如運(yùn)行，但約一秒鐘時(shí)彈射器通電，強(qiáng)大的電流從導(dǎo)軌經(jīng)飛機(jī)牽引桿后再流回另一對(duì)導(dǎo)軌并形成回路，牽引桿在強(qiáng)大的電磁力下被推動(dòng)運(yùn)行到高速(未到起飛速度，但只差一點(diǎn))后電流被強(qiáng)制截止，牽引桿將不再受力，但在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力下達(dá)到起飛速度。為什么未達(dá)到起飛速度就斷電呢?是因?yàn)橛捎陲w機(jī)牽引桿與飛機(jī)連為一體，如果這時(shí)繼續(xù)通電的話，飛機(jī)起飛時(shí)將把飛機(jī)牽引桿拉出，斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電弧灼傷飛機(jī)牽引桿。 4、 脈沖發(fā)生器 以上過程實(shí)際上是脈沖發(fā)生器完成的。蒸汽彈射器為使發(fā)動(dòng)機(jī)與彈射器同步運(yùn)行(縮短起飛距離)，用一根鋼棍先擋住飛機(jī)運(yùn)行，由于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)在彈射器與發(fā)動(dòng)機(jī)合力下起飛。但電磁彈射器卻無需鋼棍擋住，在飛機(jī)起飛時(shí)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。