·猪钢鬃·
摘抄学习军政知识
电磁弹射器——被画上问号的航母之翼 |
| 2011年07月 来源： 科技日报 |
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舰载机蒸汽弹射瞬间 [资料图片] 电磁弹射器是美国新一代福特级航母具有开创性意义的重要系统。该系统将取代美国海军现役航母使用的蒸汽弹射装置，对提高航母舰载机出动架次率，减少人力需求等具有至关重要的作用。但笔者认为，弹射起飞赖以存在的逻辑基础是，舰载机自身不能解决在航母上的短距起飞问题。随着航空技术的不断发展，再先进的弹射起飞技术也必然会被渐渐削弱。 电磁弹射器研制顺利 美国海军对电磁弹射器的研究始于上世纪80年代。1988年，美国海军开发出长3.66米的模型，同时进行了电磁弹射、制动与回收以及电磁辐射试验等。上世纪90年代末，美国海军经过论证，决定在新一代的CVN 21（即福特级）航母上采用电磁弹射器。 在2000年，根据美国海军的合同，美国通用原子公司与诺斯罗普·格鲁曼公司分别开始电磁弹射器的概念研究。之后，美国海军航空系统司令部经过慎重比较，于2004年4月将项目合同授予通用原子公司。2009年4月，美国海军通过了对电磁弹射器重量、费用、技术风险等方面的关键设计审查。同年9月，电磁弹射器项目开始进入系统功能演示验证阶段。 虽然在2010年1月12日的试验中发生了一次严重事故，但并没有对电磁弹射器项目的研制进展造成严重影响。2010年12月20日，电磁弹射器首次成功进行了F/A-18E舰载战斗机的弹射起飞试验。这标志着美国海军电磁弹射项目取得了里程碑式的重大进展。不过，首次及之后的3次弹射起飞试验表明，需要对控制弹射器电机的软件进行微调，以更好的控制电机启动和关闭之间的微小时间间隔。为此，试验暂停了大约5个月。 2011年5月25日，随着F/A-18E舰载机的弹射起飞，电磁弹射器的试验重新开始，之后通过13次F/A-18E的成功弹射起飞验证了弹射器电机控制软件更新的有效性和可靠性。随后，电磁弹射器陆续完成了T-45C舰载教练机、C-2A舰载运输机的弹射起飞试验。在7月份，将进行F/A-18E舰载机的另一组试验，即舰载机外挂各种武器或其他装置状态下的弹射起飞试验；在夏末，美国海军最新的E-2D舰载预警机也将加入到弹射起飞试验中。 按照计划，“福特”号航母将装备4部电磁弹射器。最后一部电磁弹射器组件应于2014年初交付，从而保证在2015年初在舰上进行4部电磁弹射器的验证试验，为“福特”号航母在2015年9月交付美国海军做好准备。 尽管电磁弹射器项目已经并正在取得上述进展，但在其研制过程中也出现了一系列问题，如由于前期关键分系统发电机的研制失败，导致项目进度拖延达15个月，经费超支达到12.9亿美元。同时，弹射器重量也超过预期：美国海军要求每部重量为530吨，但实际最终达到约630吨。
准备加装电磁弹射装置的美军新航母（来源：中广网）【资料图】 电磁弹射器优势多 电磁弹射器主要由储能系统、电力电子变换系统、弹射直线电机和控制系统4部分组成，其中弹射直线电机是核心，其工作原理是载流导线在磁场中受力，利用磁通量巨大的瞬间变化而产生的感应电磁斥力将飞机弹射升空。与现在航母装备的蒸汽弹射装置相比，电磁弹射器的优势是： 体积小，易于布置。相比蒸汽弹射器庞大、复杂的系统，电磁弹射器的构成则简单得多，体积可望比蒸汽弹射器减少一半。现用蒸汽弹射器的体积约1132.8立方米，电磁弹射器的体积则可能小于425立方米。这种较为简洁、轻便的系统在航母上布置更加灵活，不仅在布置位置上没有限制，而且便于优化航母设计，有效利用舰上空间。 可靠性好、便于维护、能量使用效率高。蒸汽弹射器工作时，机械磨损相对严重，需要经常检修。而电磁弹射器用直线电机对舰载机加速，结构简单，其电力电子变换系统、控制系统都在民用成熟技术基础上发展而来，具有很高的可靠性。蒸汽弹射器的平均无临界故障间隔为405个周期，而电磁弹射器的目标间隔达到1300个周期。 电磁弹射器不仅结构简单，而且装备有自动监控检测设备，提供故障和维护信息，对操控和维修保养人员的需求量大大减少（比蒸汽弹射器减少30%左右），将降低20%的全寿期费用。 在能量利用方面，蒸汽弹射器一次弹射作业通常要消耗614千克蒸汽，每次弹射结束都要排出大量蒸汽，浪费大量能量，其效率一般在4%—6%之间。电磁弹射器的效率可达到60%甚至更高，弹射作业时对能量的需求大为降低。 能量幅度宽，易于控制和调节，可弹射舰载机的范围广。蒸汽弹射器的弹射能力能够满足现役固定翼飞机的弹射需要，但限制了未来舰载机的起飞性能，同时缺乏精确的控制能力，无法满足轻型飞机特别是无人机的低能量弹射需求。而电磁弹射器能弹射更重和起飞速度更高的飞机升空，并可通过调节电流等措施，对弹射力进行大幅度调节，满足轻型舰载机（如较轻的无人机）的弹射需要。 弹射性能稳定，对舰载机的作用力均衡，延长舰载机使用寿命。现役蒸汽弹射器由于缺乏反馈/闭环控制系统，对舰载机机身的作用力极不均衡。电磁弹射器在整个弹射过程中可在几百微秒内不断修正推力偏差，对舰载机的作用力均衡，可延长舰载机使用寿命。
美国电磁弹射器构架。【资料图】 其兴衰依赖航空技术发展 电磁弹射器的出现、发展和即将运用于航母是科学技术进步的结果。不过，从航母舰载机起飞方式发展的角度看，电磁弹射器与蒸汽弹射器在本质上并无区别。 电磁弹射器相对于蒸汽弹射器的优势，并没有从根本上消除弹射起飞模式固有的缺陷，如：弹射器本身仍需在航母上抢占庞大的结构和空间资源；弹射器仍需在航母上进行保障和维护并为此配备相应的人员；弹射器工作所用巨大能量仍需要航母的动力系统提供；最致命的是，弹射器的研制和生产需要长期投入巨大的资源，技术风险高，成为发展航母本身的一道高“门槛”。 因此，如果这样就认定美国人的选择代表了航母舰载机起飞方式的发展趋势，是应该打一个大大的问号的。 就本质而言，弹射起飞赖以存在的逻辑基础是舰载机自身不能解决在航母上的短距起飞问题，需要弹射器所施加的外力这一外部条件。但随着航空技术的不断发展，上述逻辑基础也必然会被渐渐削弱。 从航母的发展历史看，自诞生到确立“海上霸主”地位的二战时期，螺旋桨动力的舰载机短距起飞性能好，大部分能依靠自主动力就能在航母上安全起飞，因此并不是所有航母都配备了弹射器。弹射起飞之所以成为现在最主要的舰载机起飞方式，正是因为航空技术的发展。二战后出现了早期的喷气式飞机，对起飞跑道长度的要求比螺旋桨飞机大幅增加。这样，大功率蒸汽弹射器应运而生，并发展成为当今舰载机起飞的最主要手段。这是航空技术发展对航母设计的一次重大影响。 对于另一种重要的舰载机起飞方式——滑跃起飞，航空技术发展的影响同样如此。随着航空技术特别是航空动力技术的发展，发动机的推力越来越大，并出现了矢量推力发动机，为垂直起降飞机和大推重比的第四代战斗机的研制和服役奠定了基础，两者又为英国和前苏联进行航母舰载机滑跃短距起飞的验证试验以及在航母上的实践运用铺平了道路。航空技术发展对航母设计重大影响再次得到体现。 综上，当我们跳出弹射起飞模式这个圈子，不难发现，航母究竟装备何种或者是否装备舰载机起飞装置，最终决定性因素并不是起飞装置本身依据怎样的物理原理和采用如何先进的技术体制，而是航空技术特别是航空动力技术的发展。 最后，让我们用一段短暂的历史片段作为结尾。上世纪80年代末期，当前苏联第一艘核动力航母“乌里扬诺夫斯克”号的船体建造工程进展到一半时，有关各方关于该舰是否安装弹射器的争论仍在继续。反对的一方是以苏霍伊设计局总设计师西蒙诺夫为代表的飞机研制人员。这场大争论虽因前苏联解体而无果，但最后占据上风的是反对方。反对方之所以能占据上风，有多个原因，其中最重要的一点就是：当所有的舰载机，无论是喷气动力的苏-27K、米格-29K舰载歼击机，还是双发螺旋桨动力的雅克-44舰载预警机，都已经能够无需弹射器而实现从航母上的自主动力短距滑跃起飞时，航母还要弹射器干什么？（作者：黎晓川/海军装备研究院）    |
