[转帖] 【科普】福特号航母电磁弹射系统

福特级航母是美国最新一代核动力航母，采用两座最新型压水堆（A1B），全寿命（50年）无需更换燃料。
    福特级航母采用综合电力系统，13000V高压配电。但是福特级不是全电推进，动力仍然是蒸汽轮机驱动螺旋桨。很多人一听是综合电力系统就认为福特级是全电推进是不对的。另外，电推和全舰综合电力系统也没有必然关系，也可以是分开的。
   
    福特号的核反应堆除驱动螺旋桨外，还驱动大功率发电系统，为全舰提供综合电力。
    福特级还有很多新概念：激光炮、电磁轨道炮等等，目前首舰是没有的。以后什么时候有再说。

    下面重点介绍福特级航母的电磁弹射系统。
    电磁弹射系统由供电系统、控制系统和电磁弹射轨道组成。其中供电系统由电动机、飞轮储能装置和大功率发电机组成。
    福特级航母一共有四个弹射器，每个弹射器由两套供电系统和一套控制系统+一套电磁弹射轨道组成。因此，四套弹射系统共有8组供电系统。
   
    工作原理：电动机带动发电机为电磁弹射器提供电能。这当然不是吃饱了撑的。其原理是：电动机首先给飞轮储能装置储能，达到额定转速后仅提供小功率维持储能飞轮的转速，同时带动发电机工作（此时发电机空载，消耗功率不大）。
    在弹射时，发动机提供的功率远远不够，发电机的转速必然下降达从不到输出功率要求。此时储能飞轮的机械势能开始释放，保证发电机的转速下降较小（20%）。也就是说，在储能飞轮转速下降20%时释放的能量足以完成弹射。
    大功率发电机技术成熟度远高于大功率电动机。此大功率发电机提供短时电能给24相变频控制器，变频控制器驱动电磁弹射轨道上的电磁模块，弹射飞机。也就是说：发电机的输出功率是足够满足电磁弹射器的功率要求的。

    飞轮储能装置原理简单，就是利用大质量的飞轮的惯性机械势能，实现电能——势能——电能的转换。分为离合式和磁悬浮式。前者输出功率大，储能大。
     储能飞轮的放置方式也是个问题：卧式还是立式？储能飞轮重达百吨（某专家号称电磁弹射系统只有几十吨就是个笑话，一套系统要200多吨，但是比起蒸汽弹射的500多吨还是轻了一半多），采用立式安装有诸多不便。福特号采用卧式安装。

    这就带来一个问题：飞轮转动扭矩和陀螺定向问题。解决的办法就是两个储能飞轮一组，反相转动。这消除了扭矩问题，但是陀螺定向的问题无法解决，好在没什么大碍，还在一定程度上保持了航母稳定性，尤其是航向稳定。
    采用立式安装可以解决上述问题。但是，前面说了，立式安装问题很多。主要是这飞轮太重，立式安装效率低，工艺难度太高，主受力点是一个，而且受重心和航母的航行状态影响太大。最终福特号还是选择了卧式安装。

    福特号航母共有4组8套储能发电装置，每个弹射器一组两套。只要有四套储能装置可以工作，就能保证4个弹射器正常工作（电弹的又一大好处）。

    下面说一说电磁弹射系统的核心装置：变频控制器。
    福特号航母电弹系统采用24相变频控制器。这个变频控制器是用来控制电磁轨道上的电磁模块的。整个轨道很长，不可能同时加电，也没有必要。电磁轨道分为N个模块。每个模块应该施加的电流大小和时间是不同的。这和飞机的速度相关。

    弹射是一个加速过程，所以给每个电磁模块提供的电流大小，时间长短都不同。最重要的还得说是相位控制。相位控制是非常关键的，否则就全白忙了。

    24相变频控制器输出功率的变化范围非常的大，相位控制还要非常精确。而且，弹射不同质量、不同类型的飞机也是不同的。所以，变频控制器是整个电磁弹射系统的核心。目前国内IGBT大功率器件研制成功，又为电磁弹射器扫清了一个障碍。

   最后当然要说一下电磁轨道了。
   90-105米长的电磁轨道，由N个电磁模块组成。电磁模块采用钕铁硼永磁铁+线圈组成。24相变频控制器依序分别给各个电磁模块加电，实现对电磁滑块的驱动。电磁滑块带动飞机加速。

    前90米是加速段，后面是制动段。电磁轨道的好处就是施加反相电流，加速就变成减速了，很方便。
   
    但是电磁轨道有很多难题需要处理。

    第一个是散热。
    巨大的功率施加到电磁模块后，发热是免不了的。但是一发热，永磁铁的磁场强度大幅下降，直至损坏。所以，美国科学家花了很大力气解决散热问题。因为不但要散热，还得散的快。美帝的指标是15秒/架次。当然，这是指四个弹射器的总和。也就是说，电磁弹射器有45秒的恢复时间。这45秒内，要完成储能、滑块归位、轨道模块温度恢复。

    第二个问题是电磁屏蔽问题。电磁弹射器如此强大的功率输出，必然带来强大的电磁干扰。这个干扰是脉冲式的，也就意味着其产生的电磁干扰是广谱干扰。电磁轨道也是开缝的，这就意味着高频干扰难以得到较好的屏蔽效果。这不是最难的，难的是如何实现强磁场的屏蔽。这是个大功率的交变磁场。

......

后记：
    一些HKC的小白，一看到马伟明将军的成就，就认为电磁弹射已经完全成熟了。其实差的远，还有很长的路要走。但是我们必须走。
美帝的电磁弹射器陆地实验早已成功，但是上舰后的实验还没做，前后已经过了N年了。
最近YY辽宁号近船坞改装电弹，更是让人哭笑不得。
评论：辽宁号加电磁弹射确实是属于蛋疼的没地儿，但是这个蛋疼不是说不能加，而是值不值得加的问题
首先电磁轨道跟蒸汽气缸最大的区别就是为了密封以及受力均匀，气缸必须做成直线的，而滑块更是需要追求密封效应。而电磁弹射则没有这个要求，毕竟靠线圈~~否则你让人家电子对撞机还怎么活，轨道从欧洲排中国来么？还是越过大西洋去美国？——所以硬要加是可以加的，不说斜角甲板，加到滑越甲板上也可以，毕竟没气缸那么高的要求。
其次，电磁弹射跟蒸汽弹射最大的不同点，电磁弹射可以调弹射力度，而蒸汽弹射就是一个高气压冲击力，力度很难有大调整。同样这也是NAVY为毛死活都要让福特级上电磁弹射，甚至为此推迟几年的竣工期也再所不惜——可以上无人机啊，蒸汽弹射一弹说不定就身腿分离，一个轮子飞出去，而加强结构的话又会让重量增加，影响无人机的载弹量。
当然还有一个好处就是，福特级电磁弹射器最大重量貌似是50吨，而蒸汽弹射器貌似就36吨左右，F14满载不死鸟都飞不起来，一弹直接成死鸟。这意味着什么呢？航母不在需要全速迎风航行才能弹射飞机了~，即使停止不动没有一丝风，也可以直接弹射飞机起飞（说到这我有点怀疑F14退役是不是因为超重？）
所以加了弹射器，滑越起飞还有什么用？不如直接削平算了！一个不能满载一个可以满载。。区别很大的，特别是战时。
最后，经济性，改装不是说改就能改，或者开个甲板槽就可以上的，涉及到舰艇的配重，以及舰艇内部机库结构等等，可以说是伤筋动骨，跟重新造没啥区别。虽然
如果滑越甲板前端是翘起的，相对于斜角的高度与长度差距，这个因为个人偏好没仔细研究过（12°跟14°我倒是记得了。。)不过我想应该不会影响太大，导致斜角弹射的飞机翅膀撞上吧。。

[ 本帖最后由 crystalever 于 2015-1-4 18:52 编辑 ]

好详细的科普材料，让楼主费心了，感谢长知识了，另外对中国发展航母有一点疑问，既然已经证明了滑跃式起飞有这么多的缺陷，为什么我们自建的第一艘航母还要使用这种方式，而且从第二艘航母开始又要搞蒸汽弹射了，这纯粹是浪费吗。

[ 本帖最后由 qydd 于 2015-1-4 14:23 编辑 ]

自建的第一艘采用滑跃方式，是因为不管蒸汽还是电弹，我们现在都还没完全攻关成功，同时我们又急需航母，不可能等到弹射器成功之后再造航母。
为了国家安全，一定程度的浪费是允许的，这个我们有过惨重的教训，当年民国时，蒋介石就是以飞机发展技术日新月异、今年买到的飞机明年就落后了为由，把钱存到银行里，想等到将来再买最新的，结果抗日战争一爆发，想买已经来不及了，有钱也没用啊！

这么高大上的东西，LZ一讲解就清楚了，不得不承认高科技的玩意，全世界跟老美的距离都不是一点半点，慢慢积累，厚积薄发吧，这得靠好几代人的努力

什么时候，我国能有啊。盼了上百年的航母a，我们连蒸汽弹射器都木有

我要说一下电磁弹射的问题：
如何储存能量？真的要装一个无比巨大的飞轮吗？有没有考虑空间，航母是很大，但空间并不富余，这是一个难关；
大家可以算一算，一架20吨的飞机起飞速度达到200公里/小时时要消耗多大的能量？
如何产能？如何保证起飞频率？仅仅这几个问题就需要在技术上有翻天覆地的突破，很难的。

其实我觉得以后电磁弹射不i一定是一个趋势，电磁弹射的耗电量太大，不是核动力系统，完全无法提供相关的能量
而现在看来，能在航母上起降的重型战斗机，主要作战任务已经不再是滞空搏斗，而主要是战斗护航和攻击
等未来无人战斗机发展成熟，只要能够能够密集起降无人机，然后用双座战斗机做指挥机，一切都好
当然也有那种战斗机做中续通讯，然后指挥在航空母舰上的，这样的战斗方式，个人认为未来是主流
这样就不存在什么方式弹射的问题，只要能起飞就好

十年陆军,百年海军,海军无论是军人还是设备跟美国差距不是一点两点,电磁弹射离技术离我们很远,下艘航母能做到蒸汽弹射就很好了~

中国的第二艘航母不能再搞滑跃起飞模式了，从效率和使用来说，弹射器比滑跃模式有太多的优势了，但是弹射器的技术目前只有美国掌握，连法国的戴高乐号核动力航母的弹射器都是购买的美国技术和产品，中国要自己搞确实还很难。

这个真不明白，还是有大能存在的，顶起