新發展的「電磁彈射器」將安裝在美國新一代福特級航母

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大陸新華網  101年07月12日 14:50:11 　來源： 科技日報

 
美國新一代福特級航母


現有蒸汽彈射器

 地面上安裝電磁彈射器
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電磁彈射器是美國新一代福特級航母具有開創性意義的重要系統。該系統將取代美國海軍現役航母使用的蒸汽彈射裝置，對提高航母艦載機出動架次率，減少人力需求等具有至關重要的作用。但筆者認為，彈射起飛賴以存在的邏輯基礎是，艦載機自身不能解決在航母上的短距起飛問題。隨著航空技術的不斷發展，再先進的彈射起飛技術也必然會被漸漸削弱。


安裝新型電磁彈射器

電磁彈射器優勢多
    電磁彈射器主要由儲能系統、電力電子變換系統、彈射直線電機和控製系統4部分組成，其中彈射直線電機是核心，其工作原理是載流導線在磁場中受力，利用磁通量巨大的瞬間變化而產生的感應電磁斥力將飛機彈射升空。與現在航母裝備的蒸汽彈射裝置相比，電磁彈射器的優勢是：

    體積小，易於布置。相比蒸汽彈射器龐大、復雜的系統，電磁彈射器的構成則簡單得多，體積可望比蒸汽彈射器減少一半。現用蒸汽彈射器的體積約1132.8立方米，電磁彈射器的體積則可能小於425立方米。這種較為簡潔、輕便的系統在航母上布置更加靈活，不僅在布置位置上沒有限製，而且便於優化航母設計，有效利用艦上空間。

    可靠性好、便於維護、能量使用效率高。蒸汽彈射器工作時，機械磨損相對嚴重，需要經常檢修。而電磁彈射器用直線電機對艦載機加速，結構簡單，其電力電子變換系統、控製系統都在民用成熟技術基礎上發展而來，具有很高的可靠性。蒸汽彈射器的平均無臨界故障間隔為405個周期，而電磁彈射器的目標間隔達到1300個周期。

    電磁彈射器不僅結構簡單，而且裝備有自動監控檢測設備，提供故障和維護信息，對操控和維修保養人員的需求量大大減少（比蒸汽彈射器減少30%左右），將降低20%的全壽期費用。

    在能量利用方面，蒸汽彈射器一次彈射作業通常要消耗614千克蒸汽，每次彈射結束都要排出大量蒸汽，浪費大量能量，其效率一般在4%—6%之間。電磁彈射器的效率可達到60%甚至更高，彈射作業時對能量的需求大為降低。

    能量幅度寬，易於控製和調節，可彈射艦載機的範圍廣。蒸汽彈射器的彈射能力能夠滿足現役固定翼飛機的彈射需要，但限製了未來艦載機的起飛性能，同時缺乏精確的控製能力，無法滿足輕型飛機特別是無人機的低能量彈射需求。而電磁彈射器能彈射更重和起飛速度更高的飛機升空，並可通過調節電流等措施，對彈射力進行大幅度調節，滿足輕型艦載機（如較輕的無人機）的彈射需要。

    彈射性能穩定，對艦載機的作用力均衡，延長艦載機使用壽命。現役蒸汽彈射器由於缺乏反饋/閉環控製系統，對艦載機機身的作用力極不均衡。電磁彈射器在整個彈射過程中可在幾百微秒內不斷修正推力偏差，對艦載機的作用力均衡，可延長艦載機使用壽命。

其興衰依賴航空技術發展
    電磁彈射器的出現、發展和即將運用於航母是科學技術進步的結果。不過，從航母艦載機起飛方式發展的角度看，電磁彈射器與蒸汽彈射器在本質上並無區別。

    電磁彈射器相對於蒸汽彈射器的優勢，並沒有從根本上消除彈射起飛模式固有的缺陷，如：彈射器本身仍需在航母上搶佔龐大的結構和空間資源；彈射器仍需在航母上進行保障和維護並為此配備相應的人員；彈射器工作所用巨大能量仍需要航母的動力系統提供；最致命的是，彈射器的研製和生產需要長期投入巨大的資源，技術風險高，成為發展航母本身的一道高“門檻”。

    因此，如果這樣就認定美國人的選擇代表了航母艦載機起飛方式的發展趨勢，是應該打一個大大的問號的。

    就本質而言，彈射起飛賴以存在的邏輯基礎是艦載機自身不能解決在航母上的短距起飛問題，需要彈射器所施加的外力這一外部條件。但隨著航空技術的不斷發展，上述邏輯基礎也必然會被漸漸削弱。

    從航母的發展歷史看，自誕生到確立“海上霸主”地位的二戰時期，螺旋槳動力的艦載機短距起飛性能好，大部分能依靠自主動力就能在航母上安全起飛，因此並不是所有航母都配備了彈射器。彈射起飛之所以成為現在最主要的艦載機起飛方式，正是因為航空技術的發展。二戰後出現了早期的噴氣式飛機，對起飛跑道長度的要求比螺旋槳飛機大幅增加。這樣，大功率蒸汽彈射器應運而生，並發展成為當今艦載機起飛的最主要手段。這是航空技術發展對航母設計的一次重大影響。

    對於另一種重要的艦載機起飛方式——滑躍起飛，航空技術發展的影響同樣如此。隨著航空技術特別是航空動力技術的發展，發動機的推力越來越大，並出現了矢量推力發動機，為垂直起降飛機和大推重比的第四代戰鬥機的研製和服役奠定了基礎，兩者又為英國和前蘇聯進行航母艦載機滑躍短距起飛的驗證試驗以及在航母上的實踐運用鋪平了道路。航空技術發展對航母設計重大影響再次得到體現。

    綜上，當我們跳出彈射起飛模式這個圈子，不難發現，航母究竟裝備何種或者是否裝備艦載機起飛裝置，最終決定性因素並不是起飛裝置本身依據怎樣的物理原理和採用如何先進的技術體製，而是航空技術特別是航空動力技術的發展。

    最後，讓我們用一段短暫的歷史片段作為結尾。上世紀80年代末期，當前蘇聯第一艘核動力航母“烏裏揚諾夫斯克”號的船體建造工程進展到一半時，有關各方關於該艦是否安裝彈射器的爭論仍在繼續。反對的一方是以蘇霍伊設計局總設計師西蒙諾夫為代表的飛機研製人員。這場大爭論雖因前蘇聯解體而無果，但最後佔據上風的是反對方。反對方之所以能佔據上風，有多個原因，其中最重要的一點就是：當所有的艦載機，無論是噴氣動力的蘇-27K、米格-29K艦載殲擊機，還是雙發螺旋槳動力的雅克-44艦載預警機，都已經能夠無需彈射器而實現從航母上的自主動力短距滑躍起飛時，航母還要彈射器幹什麼？（作者：黎曉川/大陸海軍裝備研究院）

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心得：

美國航母最大的特色之一是：艦載機利用「蒸氣彈射器」起飛，也就是艦載機不需要加足馬力便能夠輕鬆上路，這對提高出動架次率攸關重大。「蒸氣彈射器」是航母重點的關鍵技術，世界上除了美國使用之外也別無分號。因為採用彈射器發射艦載機，所以艦載機的起落架都必須符合彈射器規格、作業模式。

現在美國將在新一代福特級航母上安裝新發展的「電磁彈射器」，以改進目前「蒸氣彈射器」的缺點。

蘇俄曾在設計爭論下放棄彈射器，最後採行滑躍起飛模式，雖然文章中多所批評彈射器的種種問題，但是據悉，實際上中共私底下並沒有放棄「蒸氣彈射器」的相關研究，相反的更對「電磁彈射器」感到濃厚的興趣。中共發展航母“科學研究說”並非敷衍鄰國的場面話，而是透露中共急欲超俄、超美的真正意圖，這對中共而言有不可言喻的重要性。

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資料圖：美國海軍新型“ 福特 ”級核動力航母(CVN-78) ，如果電磁彈 ​​射器不能按期安裝在“福特”號航母上(CVN-78)，該航母實質上將會變為一艘“價值70億美元的直升機母艦。”

據俄羅斯“潛望鏡2”網站4月26日報導，近日大陸網絡論壇上出現了大陸國產航母電磁彈射系統原型圖片，其設計師馬偉明因成功研製出航母電磁彈射系統而受到中共中央軍委的表彰。從能量消耗角度推測來看，大陸未來航母顯然可能會使用核動力裝置。

俄媒稱，大陸航母電磁彈射系統設計師馬偉明1982年畢業於共軍海軍工程學院，1996年獲得清華大學博士學位，現在是共軍海軍工程大學教授。

他是一位著名的電動機和潛艇電力供應系統專家，並因成就突出而在2001年當選大陸工程院院士。日前，又因成功研製航母電磁彈射系統而受到中共中央軍委的表彰。

據悉，大陸航母電磁彈射系統長度超過100米，使用直線感應電動機，有復雜的供電和指揮系統，其中最為關鍵的高效儲能裝置能在45秒內積聚艦載機彈射起飛所需的電能。

為保證最重的艦載機起飛，彈射器需要消耗的能量大約為120兆焦，而高效儲能裝置最多可儲存140兆焦的能量。

此時充電功率為3.1兆瓦，加上能量損失，不會超過4兆瓦。算上4套電磁彈射器以及其他系統，大陸航母需要的能量最多為60兆瓦。

資料圖：美國設在新澤西州赫斯特湖海軍航空工程站的電磁彈射器實驗基地衛星圖，在這裡將誕生一場航母技術革命。



資料圖：直線電機是航母電磁彈射器的關鍵裝備。電磁彈射器的心臟就是100多米長的直線感應電動機，它推動與飛機相連接的電樞。而電樞是一個U形鋁塊，裝在定子的3個側面。直線電機的原理並不復雜．設想把一台旋轉運動的感應電動機沿著半徑的方向剖開，並且展平，這就成了一台直線感應電動機。
資料圖：美國海軍的電磁彈射器試驗裝置機構框架。電磁彈射器是一種新型彈射系統。與蒸汽彈射器相比，電磁彈射器有眾多的優點，如向飛機施加的應力較小，能延長飛機壽命，並能彈射更多種類的飛機，且維護簡單方便，運行費用較低。



2010年12月18日，美國海軍使用新型電磁彈射系統成功彈射1架F/A-18E型戰鬥機，該彈射系統是美國40年來建造的首艘新型航母的最關鍵設備。圖為F/A-18E型戰鬥機準備彈射起飛。
美國海軍新型“福特”級核動力航母(CVN-78)將是第一艘配備電磁彈射的航母，美國海軍航母艦隊即將進入電力動力的新時代，這也意味著使用了半個世紀的蒸汽彈射器即將告別美國海軍的歷史舞台。



新航母在外觀上與現役的11艘“尼米茲”級航母沒有太大不同，但其內部變化卻是驚人的。特別值得一提的是，“福特”級對蒸汽的依賴大為減少，這在很大程度上得益於它是第一艘“全電”航母。這是一個非常先進的革命性概念——全電軍艦。它要求航母的動力傳輸都將以電力為基礎，而不再採用蒸汽、液壓等傳統的機械手段，其中最重要的技術飛躍之一就是蒸汽彈射器將被電磁彈射器所取代。
資料圖：美國海軍的F/A-18從現役航母的蒸汽彈射器上彈射起飛。在美國航母上已經使用了50多年的傳統飛機蒸汽彈射器不僅體積笨重、噪音大，而且能量效率低下。但最根本的缺點在於每次彈射飛機都要消耗大量的蒸汽，為了產生這些蒸汽需要消耗多達0​​.6噸的淡水，而在海上寶貴的淡水必須通過淡化系統和更多的能源去取得。



蒸汽彈射器要依靠大量的系統和分系統，有液壓泵、蒸汽、水力剎車、蓄壓器等等，需要不斷給彈射槽預熱，蒸汽彈射器的機械磨損嚴重，尤其是金屬密封條，每彈射一次都會與此摩擦一次，更換量非常大。
電磁彈射器所需的維護工作量和操作人員比蒸汽彈射器減少30%，推力輸出可以精確控制，適合不同飛機類型。圖為建設中的試驗用電磁彈射系統。



電磁彈射系統使用的電力電子元件用無接觸的瞬時電磁力，無磨損，可靠性在民用領域已得到檢驗，壽命都在幾萬小時，且具容錯能力。可靠性蒸汽彈射器根本無法相比。
資料圖：美國技術人員在安裝電磁彈射器
資料圖：美海軍高層視察電磁彈射器測試，擺出航母上甲板操作指揮“准許彈射”的手勢留影。


尼米茲級 核動力 航空母艦 U.S NAVY CV-68 Nimitz

尼米茲級 核動力 航空母艦 U.S NAVY CV-68 Nimitz

前型小鷹級次型福特級同型10艘單艘造價45億美元
技術數據: 基準排水量 81,500噸滿載/ 排水量97,000~104,000噸
全長 332.8米
全寬 76.8米
吃水 9.4~11.3米
燃料 鈾 鍋爐 兩座A4W核反應堆
推動四座蒸氣渦輪機
動力 四具驅動軸
最高速度 30節以上
尼米茲號：31.5節/羅斯福號：31.3節/ 杜魯門號：30.9節
乘員 3200艦員，2484飛行人員
飛行設施 飛行甲板寬76.8米
艦載機 100架〈標準載機70架〉包括F/A-18戰鬥機、戰術轟炸機
其它用來做自衛和攻擊的軍機。
武器裝備兩或三具MK29海麻雀導彈發射器
20毫米密集陣近程武器系統
（尼米茲號和艾森豪威爾號上各三門
卡爾文森號後的各四門）
公羊導彈
（尼米茲號和里根號各有兩具）

尼米茲級核動力航空母艦（Nimitz Class Aircraft Carrier）是美國海軍所使用的一種多用途大型航空母艦，也是目前世界上最大型的作戰船艦級別，一共有10艘同型艦。所有尼米茲級航空母艦都是採核動力推進，裝備4座­升降機、4台蒸汽彈射器和4條攔阻索，可以每20秒彈射出一架作戰飛機。艦載作戰聯隊中的機型配備根據作戰任務性質的不同也有所不同，可搭載不同用途的艦載飛機對敵方飛機­、船隻、潛艇和陸地目標發動攻擊，並保護海上艦隊。以它為核心的戰鬥群通常由4至6艘巡洋艦、驅逐艦、潛艇和補給艦隻構成。
所有的尼米茲級航空母艦皆是由位於弗吉尼亞州紐波特的紐波特紐斯造船廠（Newport News Shipyard）建造，該單位也是美國境內唯一一個有能力建造核動力艦艇的設施。
尼米茲號是這個級別的航空母艦中的第一艘，它於1966年7月1日獲得建造經費，1975年啟用，布什號是其第十艘和最後一艘，它已於2008年完工。它同時也是一艘向一­個新的級別（福特級航空母艦）過渡的艦種（福特級自2007年起開始建造）。
尼米茲級的前三艘船（尼米茲號、艾森豪威爾號、卡爾文森號）和後來的七艘（從羅斯福號開始）的規格略有不同，因此也有人將後七艘稱為羅斯福級核動力航空母艦。不過，美國海­軍官方對這兩種艦隻構型並不做區別，一律稱呼為尼米茲級。
從排水量來說，尼米茲級是世界上最大的航空母艦，林肯號以後的滿載排水量已超過10萬噸。布什號完工後這十艘船的總排水量幾乎達到一百萬噸。
1998年，尼米茲號成為美國第一艘在服役多年後，回廠添加推進用核原料的航空母艦，整個這個過程一共用了33個月。核反應堆加一次燃料可工作13～15年。


心得:非常恭喜美國研發出未來核動力航母電磁彈射系統, 想必有些強權海域又是美國獨領風梢, 非常漂亮的航空母艦. 太美了!

子炫

真是一下發明阿
全球又要瘋電磁武器軍備賽

macobear

短時間內增加多架次的出情任務 在戰場上 已經完全家分 老美利害

loulanking

以前的蒸汽彈射器由於體積過大，需要佔用大量空間，現在發展的電磁彈射器空間佔用大大減少，可以讓航母裝載更多的彈藥或油料。
不得不佩服老美的創造能力。。老毛子雖然軍工也強大，但是和美國人比起來，就差一截了~~~~~

tnsjr

真是有夠流線的航空母艦,本錢有夠粗!

ge50343

看來，美帝對於"電磁"的系統已經越來越成熟了

電磁軌道炮不知道啥時會出現量產＠＠

loulanking

梅石 發表於 2011-8-18 03:49  
滑跳式好或彈射式好,看美國用彈射式及俄羅斯用滑跳式,戰機起飛重量差異就可看出哪種較適合作戰需求就知道. ...

彈射器是航母戰力的倍增器。。沒有彈射器的無奈之下才選用滑越式起飛，如果有彈射器誰還用滑越起飛。。彈射器可以讓飛機滿裝備出戰。。。

梅石

滑跳式好或彈射式好,看美國用彈射式及俄羅斯用滑跳式,戰機起飛重量差異就可看出哪種較適合作戰需求就知道.