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电磁弹射器

选择字号: 超大 标准 发布时间:2017-11-09 18:04 | 作者:编辑

  电磁弹射器是航空母舰上的一种舰载机起飞装置,已由美国最新下水的(2013年10月11日)福特号航母首先装备。与传统的蒸汽式弹射器相比,电磁弹射具有容积小、对舰上辅助系统要求低、效率高、重量轻、运行和维护费用低廉的好处。是未来航空母舰的核心技术之一。
  弹射器(系统)由4个子系统组成:
  ①来自舰上电源的能量的贮存子系统把提供的能量贮存起来;
  ②能量转换子系统,它把贮存的能量转变成高频脉冲,可控制的能量输出以驱动线性感应电动机;
  ③线性感应电动机本身就是弹射电动机;
  ④控制台,由操作人员设定弹射参数并监视整个系统。
  一、电磁弹射器
  20世纪40年代,美国海军曾经利用感应电动机设计技术,建造线性电动机并对飞机进行弹射试验。然而由于该系统成本太高,在二次世界大战结束时就放弃了电磁弹射器(电磁弹射器)的开发研究工作。由于舰载飞机重量不断增加和起飞速度的提高,1978年美国海军又重新开始对电磁弹射器进行开发,目的是解决目前使用的蒸汽弹射器不能满足舰载飞机重量增加和起飞速度提高的问题。从1992年开始进行概念可行性研究,1998年海军电磁弹射器小组研制了小比尺模型,大小为弹射电动机实际尺寸的一半(12英尺),电磁弹射器小组分别对其进行了弹射、制动和回收的演示。并用该模型做了性能和电磁辐射场试验,证明埋在飞行甲板上槽型结构中的电动机的电磁辐射场符合屏蔽要求。该电磁弹射器能够弹射范围很宽的有人和无人驾驶的飞机,从小型的靶机到大型的战斗机,例如联合攻击战斗机。通常海军舰船,尤其是航空母舰上的蒸汽和液压装置维修很麻烦,维修劳动强度大,运行成本高。这是海军考虑投资3.22亿美元,制订7年计划制造电磁装置取代在航空母舰上使用几十年的蒸汽弹射器的主要原因。根据20世纪90年代的研究,在1999年与两个主要承包商诺斯罗普·格鲁曼(NorthropGrumman)和通用原子(GeneralAtomics)签订了初步合同,还与其他分承包商签订了许多子合同,各独立开发演示系统并将完成最终合同。根据合同,通用原子公司和诺斯罗普·格鲁曼(NorthropGrumman)航海系统等两个承包商进行的早期开发阶段将在2003年末结束。随后,将进一步制订开发该技术的5年工程计划,在制订该计划之前,对海军舰队未来的应用的可能性进行了评估。根据当时的评估,到2005年,海军设计师可以在航空母舰上开始用电磁弹射器取代巨大的蒸汽弹射器。这些系统将安装在2013年左右投入运行的下一代航空母舰CVNX-1上。其后续航空母舰CVNX-2除了将采用电磁弹射器外,还可能安装电磁阻拦飞机装置取代现有的阻拦装置。2003年美国海军正式将CVNX-1(CVN-78)和CVNX-2(CVN-79)合并为CVN-21项目。
  电磁弹射器与蒸汽弹射器比较具有许多优点:能简化舰上维修工作,电磁弹射器将“自动进行状态监测”,发出系统失效的预报和在完成维修工作后跟踪可维持保持多少次弹射。据Sulich估计,海军用它可以比用蒸汽弹射器节省劳动力成本达30%以上,由此几年节省下来的费用足以抵消开发电磁弹射器的成本;电磁弹射器的另一个重要优点是精度高。它将使海军扩大航空母舰上弹射从轻型到重型飞机的能力,有更好的“高精确度控制弹射和回收”;电磁弹射器将允许用闭路控制整个弹射过程,减少弹射应力并对弹射性能进行更加严密的控制;减少对飞机的作用力;其重量和体积大约只有蒸汽弹射器的一半。电磁弹射器与海军正在努力研制的全电力系统舰匹配。它将有更好的控制,安排程序的适应性以及更好利用动力来进行操作监视。此外,为了更换目前使用的液压系统,电磁弹射器设计可以制造目前舰所使用的电力为基础的飞机阻拦系统。
  二、电磁弹射器组成
  1、电源装置
  电磁弹射器用的是直流电源,而且在电磁弹射器工作时是负荷冲击性非常大。虽然有了储能装置,但由于要求弹射器在很短时间内起飞更多架次的飞机,所以对电磁弹射器的电源容量要求也比较大,一般容量在5~8KVA左右(但输出电压却不高)。这么大的功率的交流发电机当然不是问题,但如果是直流发电机则必须是无刷稳流直流发电机,否则滑环的强大电流会灼伤换向器。
  直线电机的原理并不复杂.设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开,并且展平,这就成了一台直线感应电动机。在直线电机中,相当于旋转电机定子的,叫初级;相当于旋转电机转子的,叫次级。初级中通以交流,次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动.这时初级要做得很长,延伸到运动所需要达到的位置,而次级则不需要那么长。实际上,直线电机既可以把初级做得很长,也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动,也可以次级固定、初级移动。然而,电磁弹射器也决不是仅靠直线电机工作的,它总共有强迫储能装置、大功率电力控制设备、中央微机工控控制及直线感应电机
  2、强迫储能装置
  强迫储能装置是电磁弹射器的核心部件,它不仅缓解了发电机的压力,同时在弹射器不工作时吸收发电机的能量,使发电机几乎不受冲击性负荷的影响。强迫储能装置原理不复杂,但实施起来很麻烦。早期美国使用的强迫储能装置是这样的:用一个交流发电机给一个交流电动机供电,这其实很容易办到,但这个电动机的转子同时拖动直流发电机和一个惯性特别大的自由转子(约上百吨)一起旋转。
  我们知道,这么重的自由转子起动起来有一定的难度,然而这么重的自由转子运行到高速时具有非常大的动能。而在弹射器工作时,在发电机看来是接近短路的电流会产生强大的制动力阻止发电机继续运行,电动机将无能力拖动,但此时由自由转子强大的储能强制拖动直流发电机运行,从而完成冲击性负荷过程。自由转子会因此速度降低,但起动结束后电动机会在发电机没有负荷下把自由转子拖动到一定的速度,从而完成储能。但需要说明的一点是,这里的电动机既不是鼠笼式电机,也不是绕线式电机,还是转子有一家电感及线圈的电机。
  电磁弹射系统的强迫储能系统要求在45秒内充满所需要的能量。最大的舰载机起飞一般需要消耗的能量不会超过120兆焦,而这强迫储能系统最大能储存140兆焦的能量,此时充电功率为3.1兆瓦,算上损失,4兆瓦左右(实际上达不到的),四部电磁弹射系统同时充电,充电总功率可达16兆瓦(1兆瓦=1000KW),可见没有强大的电源是无法满足电磁弹射需求的。当然,航母上耗电的又岂止是四部电磁弹射器,另外还有电磁轨道炮、升降机、激光(激光的功率都不算大)等其它用电加起来的话必须要航母总功率达60兆瓦以上,否则电磁弹射器充电时也会影响其它系统用电的。
  3、直线电机
  磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。关于直线感应电机实际上原理简单,在实际生活中也可遇到不少。美国的电梯轿厢门就是采用直线电机驱动,而中国在还大部分停在车床上等不太多的场合。用于电磁弹射器的直线电机与它们相比可谓超功率的,而且其工艺方面也比普通的高。电磁弹射器的直线电机动子是采用铝筒(大部分材料为铝),为U型状,其中3面与直线电机的定子相对,其中往复道与航母存在摩擦外,其余均不会产生摩擦,而且铝筒质量轻,远远小于蒸汽弹射器的活塞,因此返回非常容易,减速道也可短的多。实际上,其中动子部分一部分专家认为还可以进一步减轻,那么电磁弹射器效率是明显的.
  在整个电磁弹射系统中,弹射电动机是电磁弹射系统的核心组成部分,是一种把输入的电能转换为动能,从而在一定距离内推动舰载飞机加速至规定弹出速度的功率执行部件。直线电机既是系统动力的提供者,同时又是整个电磁弹射系统所要控制的对象,因此直线电机本身就是系统主要组成部分之一,直线电机性能的好坏对整个电磁弹射系统有着直接的影响。目前国际上主要通过对直线感应电机,直流电励磁同步电动机,直线永磁同步电动机和超导磁体直线同步电动机进行对比分析,研究各种类型的直线电机在电磁弹射系统当中的应用以及相应的控制策略。
  4、控制系统
  控制系统是整个EMALS 系统的大脑,通过运算控制程序,大量的位置、温度、速度等不同类型的传感器,不间断地指挥、监视着EMALS 全系统的工作。控制系统要根据飞机类型、环境气候、航母运行状态,发出控制指令,按照要求使飞机达到起飞速度。同时,通过控制,还要使发电、储能、电力电子分系统高度协同,从而使系统工作获得高速度、高精度和高可靠性。力的加载时间、大小控制非常关键。通过加载方式的改变,一方面满足飞机起飞要求,另一方面,尽可能降低对电力电子系统、电源、储能系统的冲击。另外,还要尽量使管理对象模块化,即不同类型飞机对应一个模块,同一类型飞机不同环境条件对应一个子模块。这样,便于进行“傻瓜式”操作,提高工作效率。该控制系统应该是舰上计算机集成指挥系统的子系统,必须建立良好的上下游通讯、控制联系。
  5、导轨
  电磁弹射器的导轨与电磁轨道炮的差异很大,也比其复杂的多。
  电磁弹射器的导轨共有4个,分别为上部2个,下部2个。但每跟导轨都非常长(200米以上),安装在起飞甲板的下面。并且每跟导轨内部均有超导体与其熔接,中间是高压冷却油,其冷却油在进入导轨前的温度低于-40℃,而从导轨出口的温度低于-30℃。不仅如此,导轨与飞机牵引杆的接触面至导轨中心还有很多特细的小孔,所以其冷却油不仅仅是为超导体降温,还有润滑的作用,而且会使飞机牵引杆在运行时降温。
  飞机牵引杆是在飞机前轮下与飞机前轮连为一体的装置,可收缩并放置在飞机的腹腔内。其中间也为超导体,但无油冷却通道,而且与导轨连接处面积较大,均为软接触。在起飞前,飞机牵引杆伸出至上下导轨之间,飞机发动机起动并开如运行,但约一秒钟时弹射器通电,强大的电流从导轨经飞机牵引杆后再流回另一对导轨并形成回路,牵引杆在强大的电磁力下被推动运行到高速(未到起飞速度,但只差一点)后电流被强制截止,牵引杆将不再受力,但在飞机发动机的推力下达到起飞速度。为什么未达到起飞速度就断电呢?是因为由于飞机牵引杆与飞机连为一体,如果这时继续通电的话,飞机起飞时将把飞机牵引杆拉出,断电时会产生强大的电弧灼伤飞机牵引杆。
  6、脉冲发生器(电力电子系统)
  以上过程实际上是脉冲发生器(电力电子系统控制储能系统脉冲放电,调节直线电机转速)完成的。蒸汽弹射器为使发动机与弹射器同步运行(缩短起飞距离),用一根钢棍先挡住飞机运行,由于飞机发动机推力无法推断钢棍,但与弹射器合力却可推断钢棍,从而使飞机在弹射器与发动机合力下起飞。但电磁弹射器却无需钢棍挡住,在飞机起飞时电磁弹射器同步通电,但电流是逐渐增加起来,而且在起飞末段将电流截止。
  7、辅助系统
  即冷却系统、预加动力装置、减速缓冲与刹车装置等。 [待续]

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