中国开发革命性的电磁弹射器技术：紧凑、高效、改变游戏规则

据《南华早报》报道，中国军工已经研制出一种新型电磁弹射器设备。整个系统结构简单，与传统电磁弹射器相比，尺寸要小得多。而且，单套设备可以同时进行电磁发射和电磁阻拦，平均无故障运行时间远远超过福特级航母上的电磁发射和截铁设备。这简直是天才设计！

这种电磁弹射器可以在 2.1 秒内将一架 30 吨重的飞机从零加速到 70 米，这比目前常规的电磁弹射器要短 3 秒才能达到与 3 吨级战斗机相同的速度。这表明这种弹射器具有更大的威力，或者它可以轻松发射更重的第六代飞机。

此外，该弹射器结构紧凑，结构简单，重量轻，不需要复杂的电源系统。这意味着它不会占用航空母舰上的宝贵空间，也可以安装在较小的战舰上，例如两栖攻击舰。它甚至可以安装在较小的航母上，根据需求，从 20,000 至 30,000 吨的轻型航母到 40,000 至 60,000 吨的中型航母。由北京工业大学机械与能源工程学院叶副教授领导的研究人员在国内学术期刊《兵器工业科学与技术》上发表了论文。顺着这个线索，我找到了一篇题为“用于发射和阻止 XXXX 的集成电磁弹射装置”的论文，其中介绍了这种弹射器的组件：

该装置由永磁储能电机、涡流离合器、涡流制动器、绕线轮等关键部件组成。基于安培电路定律，建立了涡流离合器和涡流制动器的电磁理论模型。有两种操作模式：协助战斗机起飞的电磁发射模式和辅助着陆的阻拦模式。一台设备可以同时实现这两种功能，这在设计上非常出色！

起飞弹射器模式：

该装置的核心是集成了电机和发电机的飞轮储能系统。在发射之前，需要通过使用电机将飞轮加速到额定速度并保持该速度来“充电”。由于飞轮所在的空间可以抽空，因此飞轮速度不会长时间衰减。

在发射过程中，飞轮电机利用发电机输出的电流向涡流离合器的励磁绕组提供励磁电流，涡流离合器在涡流力的作用下输出向下的旋转转矩。飞轮的动能传递到绕线轮，迅速收紧钢缆，使飞行器逐渐加速，直到达到发射速度。飞行器发射后，涡流离合器断电，两侧涡流制动器通电，快速停止绕线轮的旋转。然后，钢缆通过复位电机复位到起飞位置，完成一个起飞循环。

着陆制止模式：

在制动过程中，当飞机着陆时，它用尾钩钩住钢缆，带动上链轮快速旋转。此时，涡流离合器以制动模式运行，逐渐使飞行器减速直至停止。停机后，电缆可由复位电机复位进行下一个停机循环，该过程可以连续重复。

整个系统的结构非常简单。但是，有一些后续的考虑，但文章的后半部分广泛地集中讨论了飞轮应该有多大，电机应该有多少功率，电磁铁应该有多强，以及需要多少功率输入才能满足操作要求等。我们对这些细节不感兴趣;主要关注的是结构原则和稳定的运营绩效。根据原理描述，这种结构非常紧凑，只有一个大型飞轮储能装置与几米长的轴集成在一起。总直径只有几米，长度可能不到 10 米。所有这些都包含在这个系统中。虽然看起来比较大，但对于舱室长数百米、宽七八十米的航空母舰来说，这是非常方便的。你可以把它塞进任何可用的空间。

与传统的电磁弹射器相比：这种电弹的优缺点是什么？

你可能已经在嘀咕了，认为这么简单的电磁弹射系统不可能被大家忽视，对吧？为什么每个人都在研究传统的电磁弹射器系统，而不是这种“用于发射和制动的集成电磁弹射器装置”？因为与这种集成设备相比，传统的电磁弹射器确实有些复杂：

目前，传统的电磁弹射系统主要分为两类。一种是美国福特级航母上使用的电磁弹射系统，另一种是中国 003 型航母福建舰上使用的电磁弹射系统。两者都是典型的电磁系统，但它们的主要结构原理没有太大区别。例如，福特级航母上的电磁系统包括以下子系统：

主电源接口：主电源接口，连接航母的电力多电源系统，如来自航母的配电系统和专门为电磁弹射器准备的燃气轮机发电机。发射电机：直线电机（发射电机），将电能转化为机械能进行直线运动。

电源转换电子器件：将交流或直流电源转换为系统所需的受控中频电源。

发射控制：控制发射系统的反馈信号，控制飞行器不同重量和起飞要求的发射加速度。

储能：强制储能系统。电磁弹射器系统具有非常高的短期功率，而航母的动力系统无法提供如此高的功率。因此，只有储能系统可以在发射之间临时储存能量。

能量分配系统：通过电缆、断路器等分配能量，连接功率调节子系统和直线电机子系统。

高级阻拦装置（AAG）计划：用于阻拦着陆飞机的高级电磁阻拦系统，不包括在上图中。

原理是在启动前使用电源为储能系统充电。在允许的发射周期间隔内（约 40 至 50 秒），充满电，然后利用电力电子转换设备将功率转换为直线电机可以使用的形式，并启动电机拖动发射滑轨发射战斗机。来自发射控制的反馈调整和控制输出功率，使战斗机平稳起飞。飞行员的舒适度比蒸汽弹射器高几个数量级，并且可以根据发射的重量进行调整。此过程对于两个系统是相同的。区别在于储能系统，它主要有两种类型：一种使用飞轮储能，另一种

另一种使用超级电容器或锂电池进行储能。前者具有维护性强的优点，而后者具有不需要 AC-DC 转换，对电源友好，但缺点是体积大，需要更高级别的维护。

由于存在庞大的子系统，常规电磁弹射器系统的全部体积可以达到蒸汽弹射器的 80%左右，约为 400 立方米。虽然它比蒸汽弹射器小得多，但它仍然非常大。然而，用于发射和制动的集成电磁弹射装置具有非常紧凑的体积。估计体积仅为传统电磁弹射器的 1/5 至 1/10 左右，这对于轻型航母或舱室空间有限的中型航母来说无疑是福音。

另一个优点是结构简单，门槛低。整个系统的主要挑战是飞轮电机和涡流离合器。与传统的电磁弹射器相比，它省去了近 100 米长的直线电机，并且没有极其苛刻的发射控制和能量分配系统。据估计，这些子系统只是传统电磁弹射器的一小部分，因此特别适用于印度等急需电磁系统但载体体积不足的国家。

然而，用于发射和制动的集成电磁弹射装置也有其缺点。例如，它缺乏反馈控制系统。由于子系统仅包括驱动转盘驱动钢缆的电机，即使存在负反馈，也很难精确调整发射速度。这会导致飞行员感到头晕或加速错开。这种感觉不是很愉快，而且不同尺寸和吨位的飞机在发射过程中也很难实现平稳过渡。除非将启动模式更改为使用线性电机，否则这个问题可能具有挑战性，直线电机可以实时调整和反馈系统。但是，这将大大增加结构的复杂性。这种结构非常适合解决是否存在问题。如前所述，两栖攻击舰非常适合该系统。据传闻，中国新型两栖攻击舰只有一个弹射器。如果使用这种紧凑但可调节性稍差的弹射器，则可以安装两个单元，以确保在发生故障时仍能保持舰载机起飞的高频率，这是战时的战斗力。有时性能是必不可少的，但有时在一定性能下确保更多的数量更有利。

也有传言称，福特级航母上的电磁弹射器故障率过高，每 614 次发射需要一次重大维护工序，这与美军要求 4000 次发射后进行大修相去甚远。另一个问题是制动系统，故障率高达每 46 次着陆一次故障。即使这种用于发射和制动的集成电磁弹射装置用作备用或单独的制动系统，它仍然具有成本效益。最后，让我们简单讨论一下“充电系统”。这种用于发射和制动的集成电磁弹射装置的充电电源类型应该与常规电磁弹射器系统相似，毕竟发射要求相似，充电间隔也相似。因此，充电系统也应该需要相对高功率的电源。然而，与传统的电磁弹射系统相比，用于发射的直线电机的效率略低。因此，用作这种集成电磁弹射器装置充电电源的发电机可以比传统电磁弹射器系统的发电机略小。例如，1 到 2 台小型燃气轮机可以为其提供冗余电力。

这种电磁弹射器方法并不完全被认为是电磁弹射器，而是一种直接使用飞轮储能的机械能的变体。它消除了能量转换过程，这有其优点，因为转换效率会非常高！至于缺点，如前所述，它缺乏可调节性。它可以解决它是否存在的问题，但不能保证其质量。可以进行进一步的改进，以争取在未来的两栖攻击舰上应用。