“小车入海 ”，航母电磁弹射的上舰路

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导语：不久前，从福建舰甲板上“飞出”的一辆红色小车，标志着我国正在弹射器领域“飞跃巅峰”。我国舰载机电磁弹射“上舰路”面临哪些突破和挑战？

一、航母弹射器的从“非主流”到“顶流必备”

随着舰载机越来越重、所需跑道越来越长，弹射器在辅助舰载机起飞中的作用愈发突出：在二战初期，航母舰载机仅6%的起飞架次通过弹射器实现；

至二战末，已经超过40%的起降是通过弹射器实现；弹射器也愈发复杂——从早期火药、压缩空气动力再到液压动力，发展如今的蒸汽弹射动力，弹射器与斜角甲板、光学助降系统成为航母的顶流配置，包括“福建”舰立项早期也曾规划安装蒸汽弹射器。

然而，蒸汽弹射器其结构与性能已到达性能顶峰，为避免作业时对气缸活塞形成较大侧压，使用时对海况、航向与侧风角度、纵倾角都有极为严苛的限制条件；典型蒸汽弹射器的加速度峰均比为1.15～1.2，弹射末速度误差可达2.57m／s以上,推力不稳定，舰载机机体受力不均衡容易受损。而一套蒸汽弹射器系统总重量达500余吨、1100立方米以上;日常使用与维护需要上百人作业。如何让弹射器更高效、更轻小、运行维护更便捷廉价，电磁式飞机推射系统（EMALS,简称电磁弹射器）应运而生。

二、电磁弹射才是未来航母的最佳选择

从总体上看，电磁弹射器的基本原理是先将航母上供给的电能通过某种储能装置储存起来 ，然后在弹射过程中利用直线电机快速转化为飞机的动能进行释放。

电磁弹射器除了准备时间短、维护成本低、占用空间小外，相比于蒸汽弹射器，电磁弹射器的优势就是具有闭环反馈和更加灵活的推力操控，不仅可以发射更重的舰载战斗机，也可以用于发射更轻的舰载无人机，而且推力更加线性，对舰载机的损伤更小。

电磁弹射器对舰载机更加友好——相比而言电磁弹射器通过优化弹射曲线/采用闭环反馈实时控制等手段，加速度峰均比可达1.05，弹射末速度误差可控制在0～1.5m／s以内，且输出能量调节范围大。从而大幅减小对舰载机的冲击，有利于飞机结构的设计，并可使机体使用寿命提高3成；更能适应未来飞翼等构型的舰载机特别是无人机弹射需求。

作为新一代航母的标志性技术，我国早在本世纪初就开展电磁弹射有关技术的深入研究 ，于2017年下半年确定为我国航母配套弹射器。

自2016年下半年起，福建舰采用的电磁弹射器，已在位于渤海湾畔的舰载机综合试验训练基地进行了海量的陆地弹射试验，积累了丰富的试验数据。

三、为什么“小车弹射入海”不简单

电磁弹射器关键技术主要有六大分系统：能量接口分系统、能量存储分系统、电力调节分系统、能量分配分系统、直线电机分系统、弹射控制分系统，都经过了多年研究并已经成熟。并在全球各行业领域不同程度应用，从理论上电磁弹射器的研制不存在难以克服的障碍。

但理想有时难免与工程实践有所差距，仅在舰上条件将上述系统整合运行就非易事。经过安装正确性检查并进行系统联调结束后，还要在舰载真实环境下进行弹射。

因而在下水到服役这段时间，福建舰上的弹射器会先后经历空载测试、静载荷测试、实机测试。前不久福建舰将一辆配重测试红色小车弹射到福建前面的港池水中并激起水花。这一幕也曾经被美国海军用来测试航母上的电磁弹射器。尽管与真正的舰载机相比这辆“小车”其貌不扬，但为实现这“成功一弹”美国曾经用了4年。

早在2011年，美国成功在陆上利用电磁弹射器放飞了舰载机，但直到2015年6月5日，美国海军和纽波特纽斯船厂在已下水19个月的“福特”级航母首舰（CVN-78）上才完成了小车电磁弹射试验，成功弹射配重为36吨（F-35C舰载机最大重量为31.75吨）小红车，成为首个在航母上被电磁弹射系统弹射的载荷。与“福特”号相比，福建舰在下水后18个月内即利用弹射小车开展静载荷测试，也体现出我国电磁弹射技术相对成熟稳定。

四、电从何处来，如何支撑电磁弹射系统？

世界上没有完全完美的技术,电磁弹射也存在一些短板。例如,它的技术密集度比蒸汽弹射要高得多,这必然会带来可靠性降低的问题,这是一个基本规律;而且它对电力的依赖很大,需要强大的发电和储能系统,这对战舰的发电和控电要求比较高,中小型常规动力航母很难负担;再者,它会产生比较强的电磁辐射,会干扰舰艇电子设备的运行。

1）福建舰为什么采用中压直流电力系统

受陆上输电技术发展与交流电本身特点的影响，长期以来，船舶的大功率用电多被交流电所垄断、以中压交流电为主流。

然而面对电磁弹射器带来水涨船高的全系统用电需求，中压交流电船电越发难以满足其需求，交流电特性导致电网电压不稳定，而提高电磁弹射器的故障率。

2016年6月12日，沿用传统中压交流电系统的福特级航母，2号主发电机发生了一次小规模电气爆炸，电磁弹射器直到目前为止离设计目标仍有相当差距，其故障率不及设计指标1/6。其中问题之一即是中压交流电系统存在供电不稳定产生的过载问题，导致中压交流弹射系统非常容易出现短路以及电机烧坏的情况。

而福建舰专门为电磁弹射器搭配中压直流综合电力系统，作为第二代电力系统技术系统中电流只在一个方向上流动，没有周期性的正负变化。这意味着不需要一个特定的频率就可以保持恒定的电压级。这一特性使得中压直流具有多项优势，例如比中压交流电技术故障率更低、供电过程中耗能更小，其部分设备更精简、运行方式更灵活、整体可靠性更高、传输功率密度更高、可承受的功率波动更高。

直流电系统最大的技术难点是如何让其断流，由于直流电系统电流没有自然过零点，电弧无法像交流电断路那样自然熄灭，所以直流电系统研发起来非常困难。为此我国科研团队在系统层面，先后攻克了舰船综合电力系统的电网结构理论、系统模型与仿真、并联机组功率均分、系统稳定性分析与控制系统分层协调保护、系统接口设计以及高功率瓶颈技术，完成了中压直流综合电力系统集成和性能试验。

2）国产飞轮助力电磁弹射“削峰填谷”

虽然电磁弹射器一次弹射持续时间大多不超过3S，但峰值功率却高达数百兆瓦，因此需要航母专门配备电力储能系统，在1分钟不到时间内储存超过100MJ的能量为电磁弹射系统直接供电。因此找到能量密度很高，保证足够可靠性的储能方式成为难点。如福特号航母的飞轮储能装置既因设计与制造缺陷，导致高转工作时喘振严重影响作业安全；实际转速与设计转速降低近1/3，限制了实际功率。既增加单机电力故障而全系统宕机的风险，更使排故时需全部设备停用，缩短航空作业周期内的有效作业时间。

2014年之前，海军工程大学公开论文证实已经成功研发50MW（兆瓦）飞轮储能装置。在马伟明院士的指导下，王东教授等军内外科研团队经多年苦心研究，目前我国集中突破了高能量密度、长脉宽和长寿命的惯性储能技术，创造性提出了将拖动机、励磁机、旋转整流器及主发电机共轴集成，并将飞轮与转子合二为一的储能系统。这套系统在测试中充分展示了其在短时间内储存较多电能的能力，峰值输出功率超过美国电磁弹射系统储能设备的两倍，且储能飞轮的寿命至少可以满足几十万次充放电循环，从而让电磁弹射系统持续弹射舰载机的效率得到提高。

结语：

作为新一代航母核心技术，随着福建舰海试愈发临近，我国首个航母电磁弹射器还会面临很多问题和挑战。在未来，将以福建舰及搭载的电磁弹射器为起点，不断迭代升级，助力更多型号的舰载机在深蓝飞跃甲板。

参考文献：

[1]张明元，马伟明，汪光森 ，王钰，飞机电磁弹射系统发展综述，舰船科学技术.2013.10

[2]马伟明,肖飞,聂世雄.电磁发射系统中电力电子技术的应用与发展.电工技术学报.2016.19

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[4]王兴刚，石帅，程小亮，张凡，郭雪晴，孙玲.发电功率快速大扰动时舰用蒸汽动力系统动态特性试验研究.中国舰船研究.2022.01