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“福特”级航母上的电磁弹射系统有多强?

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福特级航母结构示意图

“福特”级航母是40多年来美国航母发展历程上的一个里程碑,从飞行甲板、舰体、舰岛、动力单元到航空设施的设计配置,都异于以往航母,引进了众多突破性新技术,打破了以往延续半个世纪之久的航母设计惯例。全面采用电磁弹射系统取代蒸汽弹射系统就是其重要标志之一。目前,“福特”级航母的电磁弹射系统由通用原子公司研制。

按部就班的成长历程

“福特”级航母的电磁弹射系统由供电系统、控制系统和电磁弹射轨道组成。供电系统由电动机、飞轮储能装置和大功率发电机组成。“福特”级航母共有4个弹射器,每个弹射器由2套供电系统和1套电磁弹射轨道组成。电磁弹射系统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:直线感应电机的固定部分输入交流电后,产生交变磁场,磁场在直线感应电机的运动部分产生感应电流,使运动部分变为有感应电流的导体,该部分就会受到电磁驱动力的作用向前运动。电磁驱动力和电流的平方成正比,只要能够保持电流输出达到足够的量,便能产生以平方数量增加的电磁推动力,确保运动部分有感应电流的导体(舰载机或动能弹等)在足够推力的推动下,达到起飞速度。此原理及作用和电磁炮是相同的。

电磁弹射系统第一阶段的实验大致完成于2008年9月。通过1万次的重复实验验证了弹射系统的电力、热力设备的性能及储能系统的充放电频率,通过每天近250次高强度模拟实验,发现并解决了电机振动问题,降低了系统结构损坏风险,增强了系统的可靠性和寿命。2009年7月,电磁弹射系统完成了海上真实环境、电力热动力满功率系列实验,确认了设备在最大热区间的电动发电机的可操作性,降低了弹射器的系统风险。2009年9月以后,美国还先后进行了高加速寿命实验、系统功能演示验证实验、电磁干扰屏蔽实验等等,也取得了一定的进展。

“枪弹”结合让电磁弹射进入运用新阶段。2010年12月18日,美国海军成功使用电磁弹射系统弹射成功F/A-18E“超级大黄蜂”战斗攻击机,此后又继续对T-45C舰载教练机、E-2D舰载预警机、EA-18G“咆哮者”电子战飞机等所有型号现役战机进行了电磁弹射实验,均获得成功。

2009年6月,美国正式决定在“福特”级航母上安装电磁弹射系统,并授予通用原子公司研制合同。合同规定,该公司于2015年7月交付相关硬件,首艘“福特”级航母预计于2017年交付美国海军。在即将交付该系统硬件时刻,通用原子公司获得第二艘“福特”级航母电磁弹射系统建造合同(该航母预计将于2022年交付美国海军)。这体现了美国政府和军方对前一阶段与通用公司合作研制的电磁弹射系统比较满意,关于电磁弹射各项研制的进展及性能达到了预期。

全面超越的弹射系统

常规固定翼舰载机在航母上的起飞方式包括滑越式和弹射式两种。滑越式是苏联和其军事技术主要继承国俄罗斯采用的起飞方式,即依靠自身滑翔惯性起飞,这种方式要求飞机重量轻,因此效率较低,影响有效载荷和作战效能。目前较为通用的是弹射方式,借助外部力量实现舰载机起飞。弹射起飞方式以蒸汽弹射为主,但随着现代战机性能、质量、速度的提高,蒸汽弹射已难以满足发展要求,因此美国等军事强国正在竞相研制采用电子和电气技术的弹射系统,以取代蒸汽弹射系统。电磁弹射系统是一种利用直线电机产生的电磁力将舰载机在航母甲板上加速到起飞速度的弹射装置。是用蒸汽力还是电磁力来推动舰载机上天是两种弹射系统最根本的不同所在。形象地说,二者的差如同是弓弦推动箭矢前进与火药催动弹头前进的不同那么大,电磁弹射的性能作用较之蒸汽弹射呈几何级上升,可全面超越取代蒸汽弹射,其优势主要体现在两个方面。

推力灵活可控。蒸汽弹射系统弹射功率相对固定,调节空间小,无法弹射质量较低的无人机和质量超重的大型航空器。电磁弹射比蒸汽弹射具有更大的输出调节范围,弹射重量范围为200千克~45吨,弹射速度范围为100~4000千米/时,也就是说,利用蒸汽弹射无法在航母上起飞轻重不一的无人机、大型预警机、运输机及各种新型飞机,在电磁弹射作用下均可在航母甲板上起降。除此以外,电磁弹射系统将比蒸汽弹射系统让飞机多载重8%~15%,弹射时平均加速度只有蒸汽弹射的1/3。也就是说,电磁弹射飞机有效载荷更大,起飞时对飞行员的冲击更小。

效率高成本低。蒸汽弹射系统能量效率只有6%,电磁弹射系统高达60%。蒸汽弹射系统在使用前预热需十几个小时甚至24小时,电磁弹射系统从关闭时的冷铁状态到发射准备状态只需15分钟。蒸汽弹射系统质量为538吨,体积为1133立方米,是“福特”级航母电磁弹射系统预计质量、体积的2倍。蒸汽弹射系统一次弹射作业需消耗614千克蒸汽,耗用航母大量淡水资源和加热淡水所需要的能源,这对装载量无法无限增加的航母来说无疑是顽疾,而电磁弹射的弹射功率仅为41.5兆瓦/小时。除此以外,电磁弹射系统还省掉了蒸汽弹射系统数吨的配套设备和排布众多、占空间极大的蒸汽管线,大大减少了质量、空间,使系统更加简化,便于维修。蒸汽弹射被称为“硬弹射”,弹射系统运行时没有反馈控制,弹射产生的瞬间拖动力易对飞机产生较大损伤,降低了飞机使用寿命。而电磁弹射被称作“软弹射”,直流电动机可产生较低的峰值推力和均值推力,从而减少弹射时传递给飞机的冲击载荷,由于飞机所受的应力降低,使用电磁弹射的舰载机使用寿命比蒸汽弹射系统延长31%。

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