引言

       随着国产003型航空母舰的成功下水，官方报道新航母将使用电磁弹射系统，由于比预期的蒸汽弹射系统更为先进，一经公布便引发了大家的广泛热议，针对飞机电磁轨道发射系统，我们也学习和整理了国外飞机电磁轨道发射系统（EMALS）的相关资料进行分享。

1.概述

       七十多年来，蒸汽动力弹射器一直是航空母舰发射飞机的标准装置，并配有相关的拉索张紧制动器，用于在着陆时阻拦飞机。没有它，飞机无法在短短几秒和一百英尺内达到超过 100 节的起飞速度，也无法在类似的时间和距离内从着陆速度减速到完全停止。这是一个确实有效的系统。但现在，用于从航母上发射飞机的蒸汽动力弹射器正在被强大的基于电磁的闭环直线电机系统——飞机电磁轨道发射系统 (EMALS) 所取代。EMALS系统已经安装在航空母舰 Gerald R. Ford (CVN 78) 上。

图1 杰拉尔德•R•福特号（CVN 78）航母是第一个使用 EMALS 设计的航母

2.EMALS系统原理

2.1 EMALS基本原理

       EMALS系统采用直线电机原理，类似于“电磁炮”，在飞机发射轨道上铺设足够多的电磁绕组线圈，当线圈通电后，产生电磁斥力，将金属滑块推出并加速，滑块带动飞机达到起飞所需要的最低速度，从而实现飞机在航母上的起飞。

       美国福特航母首先采用了EMALS系统，EMALS系统采用中压交流驱动技术，启动瞬间电流较大，又由于是交流电，一般的储能设备存储的都是直流，无法直接储存交流电，因此设计了飞轮储能设备，可将交流电存储在高速旋转的电机里，弹射飞机时释放交流电能，同时飞轮的转速也下降了，再次弹射前进行充电，飞轮继续保持高速旋转，准备下一次弹射。

图2 EMALS系统示意图

2.2组成

       EMALS系统由六大功能模块组成。

       1)主电源接口，它是与船舶配电系统（由核反应堆供电）的互连，并提供动力以驱动储能转子；

       2)发射电机；

       3)电力转换设备，为发射电机的一系列绕组供电；

       4)发射控制，用于管理输送到发射电机绕组的电流，以实现平稳、量身定制的加速，并在条件变化时提供闭环反馈以确保精度；

       5)储能电动发电机；

       6)能量分配系统，将能量从电力转换系统传输到发射电机所需的电缆、开关和各个终端。

图3 EMALS子系统关系组成

2.3 EMALS 系统发电机

       福特航母有两个核反应堆，共产生 600 兆瓦的电力。EMALS系统的电力来自一台 10万马力的电动机，该电动机也可用作发电机，由航母电力系统驱动。这台电动发电机以高达 6400 转/分的转速“充电”的同时充当电机；当它切换到向电磁弹射器提供能量时它起到发电机的作用，在释放能量后转速会逐渐降低。一艘航母需要 12 个这样的储能子系统（电动发电机、发电机控制器和储能电源）。

图4 飞轮储能发电机结构示意图

       发射时，这种基于转子的动能在2到3秒的时间内被转换为电能。发电机仅需 45 秒间隔便可以实现两次发射。飞轮储能发电机的参数如下：

       1)重量：约80,000 磅；

       2)长：约13.5 英尺；

       3)宽：约 11 英尺；

       4)高：7 英尺；

       5)功率：单台最大 60 兆瓦；

       6)电压：2kV-13.8kVAC。

2.4EMALS 系统发射轨“马达”

       EMALS 系统发射轨“马达”是一个直线感应电机，由三个主要部分组成：

       1)一对 300 英尺长的平行固定梁相隔几英寸充当轨道；

       2)一个 20 英尺长的车厢（穿梭车），夹在电机之间；

       3)两根横梁，可以沿着它们的长度来回滑动。穿梭机连接到飞机的前起落架，使用与蒸汽弹射器相同的连接技术，不需要对飞机进行任何改动。

       横梁构成直线电机的物理结构，每个横梁都有数十个独立绕组以及为其供电所需的接线（图 5）。

图5 EMALS 系统发射轨道横梁

2.5 航母着陆拦阻系统AAG

       航母着陆阻拦系统（AAG）使用吸能水轮机和大型感应电机提供控制。与目前航空母舰上使用的现有液压系统不同，AAG 是一种机械电气系统，带有一根可以旋转水绞机的电缆。它可以适配多种飞机，包括一些更重的飞机。并在增加自我诊断、性能分析和详细系统状态指示的同时减少人员配备和维护。

       与 EMALS 类似，AAG 旨在减少着陆过程中机身上的压力。GA-EMS 公司的一份声明称，在福特号航空母舰上，EMALS 和 AAG 系统最近实现了“在船舶独立航行期间成功发射和回收8157架飞机”。

图6 AAG 着陆阻拦系统示意图

3.EMALS系统的优势

       与传统的蒸汽弹射器相比，通用公司的 EMALS 系统提供更多优势，包括：

       1)减少人员需求；

       2)发射/着陆的循环时间缩短 25%；

       3)体积小，重量轻（对载体稳定性和滚动阻力至关重要）；

       4)整个系统由软件管理，通过计算机进行控制和监控；

       5)EMALS能够处理更广泛的飞机类型和载荷，包括无人驾驶飞行器（UAV），它允许根据特定的飞机、负载和风力条件精确调整发射剖面，这将最大限度地减少起飞期间飞机的压力，从而延长它们的使用寿命；

       6)船上的四个弹射器中的任何一个都能够从船上三个储能组中的任何一个中获取能量。

4.存在的问题

       2015 年 5 月 15 日，经过一系列陆基试验，美国海军进行了首次舰载全速 EMALS 空载弹射试射，测试的目的是验证弹射器系统的集成。

       在三天的时间里，针对15 个不同重量的测试装置进行测试。在测试过程中，EMALS系统出现无法动作的现象，显然各种子系统和软件之间存在通讯不畅。

       在后续的舰载弹射过程中，故障率较高，平均200多次弹射就会出现大规模故障。问题主要是集中在EMALS系统的可靠性上，包括电力供应问题、海上盐雾以及防水问题导致的设备故障。

5.总结

       美国福特航母首先使用了飞机电磁轨道发射系统，目前已经装备使用，虽然存在可靠性的问题，但从设计思路和原理上看，优点也非常明显。在适应性方面，可弹射更多类型的飞机，弹射效率比蒸汽弹射有明显提升，体积和重量比蒸汽弹射有明显的优势。是非常先进的设计理念。当然存在的问题也必须去面对，还需要时间去改进和提高。福特航母飞机电磁轨道发射系统为我们展示了一种全新的飞机发射技术，为我们后续的国产化发射系统提供了参考，具有非常大的意义。