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电磁弹射器(续一)

选择字号: 超大 标准 发布时间:2017-11-09 18:56 | 作者:编辑

  三、电磁弹射器设计思路
  美国海军正在研究用电磁弹射器取代当前和未来航空母舰上使用的蒸汽弹射器的工作。目前,电磁弹射器设计的着重点放在线性同步电动机上,由脉冲盘式交流发电机通过循环变换器供电。平均功率由主平台独立电源供给,在盘式交流发电机的转子中贮存的动能,可在弹射的2~3s脉冲时间内释放出来。这种高功率可给予循环变换器提高电压和弹射电动机的频率。线性同步电动机利用循环变换器输出的功率将加速飞机下面的弹射滑块的行程。始终提供“实时”闭合回路控制。从主电源得到的平均功率经过整流后提供给反向变换器。利用反向变换器输出的功率,在弹射的45s循环时间内,4台盘式交流发电机像电动机转子那样运转。盘式交流发电机是双重定子,轴向磁场的永磁机。转子既作为动能贮存部件也作为产生电力的磁场源,把它放在2个定子之间。在定子上有2个分开的绕组,一组供电动机;另一组供发电机使用。电动机的绕组放在深糟中旨在便于向机壳外更好地散热;发电机绕组接近空气隙以减少脉冲时产生的电抗。采用高强度永磁体可以使用20对磁极,以便较好地利用整个有效面积。转子由加预应力的Inconel合金锻件箍提供,4台盘式交流发电机安装在扭转框内,并且成对以反向转动的安装,目的在于减少扭矩和旋转效应。转子以最大6400r/m的速度旋转,每个转子可贮存总计121MJ的能量,该能量可使转子具有18.1kJ/kg的能量密度,不包括扭矩框。每台盘式交流发电机有6相,每相电阻和阻抗分别为8.6mΩ和10.4mH。在最大转速下,每台盘式交流发电机输出81.6MW的匹配负载。在最大弹射速度时,输出的频率是2133Hz,而在脉冲结束时,频率则会降低到1734Hz。电机的励磁由放在转子罩内的磁能积为35高·奥斯特的NdFeB永磁体提供的。该磁体在40℃下有剩磁感应1.05T,并在工作气隙产生平均磁通量密度0.976T,齿的磁通密度约1.7T。定子由240个有效槽,沿着径向槽的叠层芯和液态冷却板组成。背铁产生的最大电动势(EMF)是1122V。最大输出电压是1700V(峰值),每相的峰值电流是6400A。每台盘式交流发电机的总效率是89.3%,每台发电机总损耗为127kW。发电机的散热是通过定子外面的冷却板进行的。冷却的WEG混合剂流量为151L/min。铜的平均温度是84℃,这时背铁温度达61℃。
  循环变换器或功率电子装置一般是实现电磁弹射器安装到舰上的关键技术。103m长的电动机,即功率电子装置只有在通过线圈的特定时间内才起作用,而不是整个电动机。通过改变供电电压和频率,可使电磁弹射器在最有效位置内以全速移动。循环变换器是可换向的3f-1f桥式电路,通过一条桥式线路与另一条桥式线路的并联/串联的输出而得到所要求的功率水平,并且本身不需要开关。这种设计取消了共用电流电抗器和串联电容器。循环变换器的输出频率和电压分别是0~644Hz和0~1520V。目前已完成循环变换器的模拟试验,最大弹射速度时循环变换器输出波形的峰值电流是6400A。
  开关组件的冷却是通过安装在部件上的液体冷却板来实现的。输入的冷却介质温度为35℃,最大压力为0.7MPa,流量为1363L/min的脱离子水。弹射电动机是一种线性同步“线圈枪”,开槽与蒸汽弹射器相同,以便让滑块在槽内往返移动。电动机本身是一对具有有效面积的面朝外的垂直定子结构。转子或者滑块(滑架)位于定子上面,像马鞍形状,位于飞行甲板上凸起的地方并与飞机连接。滑块是由160块完整的永磁体组成。在盘式发电机上使用同样的永磁体。滑块受两轴上滚轮的限制,滚轮在焊成的定子框架的槽内移动,这可使定子和槽随舰弯曲。滑块将伴随着这种装置产生弯曲并始终保持着6.35mm的空气隙。定子由0.640m长度的分段组成,高度为0.686m,厚度大约为0.076m。当滑块通过各分段上面时就会产生弹射或制动作用。定位感应系统是以霍尔效应传感器为基础的,很像目前旋转的无刷换向电动机。定子通过飞行甲板上槽的偏置装置进行保护。这是为了防止诸如喷气燃料之类的污染物、螺母、螺栓、扳手和液压流体等有可能通过槽口侵入槽内而影响定子工作。在定子之间用密封罩保护总线和静态开关,用可控整流器控制输送到定子段的功率。弹射用定子由称为分段的模块单元做成,总共有298个分段,分布在两侧,每侧设149个分段。对于整个弹射电动机,每一分段长0.640m。分段上的每个槽用6匝三相绕组叠加而成,共计有240个槽。这些绕组使每段变成极距为8cm的8个磁极。这些线圈用环氧树脂黏结,做成具有G10隔离线圈脚的无槽定子结构。将无槽定子结构设计成具有低达18mH的相电感。当总线电阻为0.67mΩ时,相电阻为42mΩ,空气隙工作磁通量为0.896T,电枢磁通量大约是0.24T。在全速推进时,永磁体受到0.26MPa的剪切应力作用。在103m冲击行程的末端,滑块前部进入制动状态。这种制动在较短的定子段内发生,它通过涡流产生制动作用。正是在相同位置,滑块仍覆盖着一些起作用的定子段。在这些定子段中通过改变两相电流,开始产生反向制动力。为了使定子达到70%的设计效率和限制最大损耗为13.3MW,因此必须进行有效地冷却。电磁电动机有一块供定子线圈和背铁的散热用的铝冷却板,其峰值温度可达约155℃。经过45s弹射循环时间内的冷却后,可冷却到75℃。罩在永磁体上的滑块将通过热交换进行冷却,用这种方式将散去来自滑块结构和永磁体上涡流产生的少量热量。
  安装电磁弹射器将对整个航空母舰有正面影响。弹射电动机具有很高的推进能量密度。正如半比尺模型所示,它的横截面会受到9.1MPa的力,而蒸汽弹射器则会受到较低的3.1MPa的推进力作用。它对贮能装置同样有正面影响,与蒸汽弹射器的蒸汽蓄能器起的作用是类似的,低能密度蒸汽蓄能器将被高能密度飞轮所取代,这些飞轮可贮能28kJ/kg的能量密度。提高密度将减少系统的体积并将在舰上腾出更多空间安装其他设备。
  电磁弹射器可减少检查和维护所需的人力要求,但这是对现有系统改进后得到的。因为现有系统需要大量人工进行维护和检查的工作,但电磁弹射器检测却可从机械过渡到电气/电子装置。电磁弹射器可消除现有系统结构的各子系统的复杂性。蒸汽弹射器弹射时需要大约614kg蒸汽,并且需要利用大量液压水用于制动以及电力机械。这些子系统与它们相关的泵、电动机和控制系统一起,使整个弹射系统变得更复杂。而采用电磁弹射器进行弹射时,制动和回收将通过弹射电动机来实现,因此可减少辅助部件并可简化整个系统。这时可取消蒸汽弹射器每次弹射时所需的液压油、压缩空气以及污染环境的润滑油。
  电磁弹射器可保持一个完全独立于舰的主动力装置系统,给舰的设计提供更大的适应性,使推进装置更有效。电磁弹射的主要优点之一是具有集成全电力舰的能力。海军根据先进水面舰艇船机计划,进行了大量研究以开发下一代水面舰艇用电力推进系统;同时已经出现一个能够良好工作的高功率电力武器系统。由此,将有越来越多的舰上系统采用电力系统来取代老的机械系统。
  另一方面,电磁弹射器也有一些缺点。其中之一是高功率电磁电动机对电子装置会产生干扰。当电磁弹射器工作时,位于电磁弹射电动机上的敏感的飞机电子装置,会受到舰本身电子装置产生的电磁波的影响。因此需要通过适当的电磁兼容设计和“磁封闭”电动机设计让电磁波的影响降到最低程度。它的另一个缺点是与脉冲功率应用有关的高速旋转机械。这种盘式发电机-电动机以6400r/m旋转,每台可贮存121MJ能量,4台共计贮存484MJ。在实验室这是不成问题的,但是,如果把这种电动机安装在沉重的振动平台上就会形成很复杂的问题了。为了保证安全运行,飞轮和轴承必须比常规的有更大的刚性[2]  。
  由于对电子装置固有的高水平的精密控制,可减少对飞机的作用力。目前蒸汽弹射器有相当高的峰值与平均应力值比(正常是1.25,异常情况是2.00)。这导致对机身有很高的作用应力,一般地说这是有害的作用。用电磁系统就有可能在典型地数百毫秒内纠正加速图的偏差而获得较低的峰值与平均应力比。人们打算根据可控性范围的模拟分析进行设计。与典型的蒸汽弹射器工况图比较,电磁弹射器的加速工况图很平稳。
  模拟结果表明:在各种加载条件下,电磁弹射器能够在加速作用下,使最大峰值与平均应力比控制在为1.05下运行,这种运行可减少对机身的作用应力。为了鉴别这种减少峰值与平均应力之比产生的效果,对这两种弹射器的峰值与平均应力比的大小对机身的作用进行了断裂力学分析。从分析结果可以看出,由于减少了对机身的作用应力,可使机身寿命提高了31%。这对海军减少严格采购飞机的投资费用具有重大意义,同时也可给飞机创造较安全的运行环境。由于电磁弹射器在弹射时会遇到未预料的问题,需要它就能够迅速调整和纠正弹射能力,即使部件在弹射时发生失效。
  电磁弹射器满足了下一代航空母舰提供增加弹射能的需要,解决了目前蒸汽弹射器弹射能接近设计极限的问题。电磁弹射器具有122MJ弹射能力,与蒸汽弹射器相比增加了29%,意味着它能弹射航空母舰所有舰载飞机和未来的飞机。
  开发的部件包括循环变换器、定子、永磁体和控制系统。要求对这些部件进行分别演示。对循环变换器,要求它的功率密度、波形产生、热控制和每个单元电力参数等所有都是设计所要求的。对定子段,必须说明推力密度、热控制和每个单元等全部设计参数。永磁体必须能承受目前弹射器槽内将遇到的包括加热、冷却、腐蚀介质和冲击等恶劣环境。当演示这些部件的要求时,要将它们集成在试验装置中。这套试验装置包括模拟弹射系统的部件,该装置将验证电磁弹射器的运行。同时,电磁干扰问题必须在设计过程初期就要加以考虑。在进行开发第二阶段之前,对这些问题必须有所全面了解。高电磁场在相当接近飞机的周围发生。飞机覆盖着对电磁敏感的控制系统,武器和磁性异常检测装置。因此,确定电磁弹射器与它们附近系统之间的电磁干扰的可能性是非常重要的。关键部件演示提供了一个解决电磁兼容问题的机会。利用电磁FEA规则,将确定弹射器槽具有的屏蔽效应,不过,这会影响槽的几何尺寸。用低功率水平的硬件验证这种模型,一旦模拟和试验数据有着良好的一致性,这种模拟就可扩大到电磁弹射器的范围。
  四、电磁弹射器的优点
  美军为何要采用电磁弹射器?这是因为这种弹射器有很多优点,首先是加速均匀且力量可控。C-13-1型蒸汽弹射器发射是最大过载可以达到6g,,而整个行程的平均加速度仅有2g多一点,F/A-18战斗攻击机飞行员常常调侃C-13-1弹射器在后段往往没有飞机自身的发动机加速得快。随着速度和气缸容积的增加,过热蒸汽的膨胀绝大多数能量用于蒸汽本身的加速和推动上了,而体积增加后气体膨胀所需蒸汽的比例成立方关系增加。
  蒸汽弹射器长度和气缸容积几乎达到极限,到弹射冲程的末端,蒸汽基本上只能加速活塞,对飞机的帮助不大。电磁弹射器的推力启动段没有蒸汽那种突发爆炸性的冲击,峰值过载从6g可以降低到3g,这不仅对飞机结构和寿命有着巨大的好处,对飞行员的身体承受能力也是一个不错的改善。此外,由于电磁弹射的加速和弹射器的长度没有关系,除了受到气动阻力和摩擦阻力的影响外,弹射初段到末段的基本加速度不会出现太大的波动,这就比蒸汽弹射的逐步下降来得更有效率。根据计算,平均加速度一样时,电磁弹射器可以比蒸汽弹射击让飞机多载重8%~15%。
  另一个比较重要的好处在于电磁弹射器具有很大的能量输出调节范围。蒸汽弹射器的功率输出依靠一个叫速率阀的东西,利用控制蒸汽流量的方式控制弹射器的功率输出,机械的可调节性能输出达到1:6差不多就是极限了;而电磁弹射的功率输出是由电路系统控制的,从大功率民用变电的经验可知1:100以内的变化是相当容易的。美国海军未来将会大量使用轻重不一的无人机,蒸汽弹射器很难适应这个要求。对航母的设计是和海军操作人员来说,电磁弹射器是一个大福音,它不仅将机库甲板的占用面积缩减到原来的1/3,而且重量还轻了一半。大幅减轻高过重心位置的重量对航母的稳性设计是个很有益的举措,同时既不用再为复杂的蒸汽管道迷宫所困扰,也不用再为灼热的蒸汽泄漏和四处污溅、难以清洁的润滑油所发愁。
  还有一个好处是电磁弹射器能与滑跃式甲板巧妙融合,而蒸汽弹射器却没有电磁弹射器的灵活,它不能弯曲,就无法与滑跃起飞结合,而电磁弹射器与滑跃式起飞结合后能增加飞机的载重量。如果将来中国研制出了电磁弹射器,并实用于辽宁号,便可使辽宁号可以搭载更多像美国无人机一样的机种,这样就大大提升了辽宁号的作战能力。
  五、电磁弹射器的发展过程
  美军研发的电磁弹射器由三大主要部件构成,分别是线性同步电动机、盘式交流发电机和大功率数字循环变频器,线性同步电动机是电磁弹射器的主体,它是20世纪80年代末期研究的电磁线圈炮的放大版。
  电磁线圈炮也叫电磁线圈抛射器,1831年英国物理学家法拉弟发现电磁现象以后就有人开始设想电磁线圈炮。1845年,有科学家在理论试验中将一个金属柱抛出20米;1895年,美国有项专利设计了理论上能够将炮弹抛射230千米的线圈炮;1900年,挪威物理学教授克里斯坦·勃兰登获得三项关于电磁炮的专利;1901年,勃兰登在实验室制造了一座长10米、口径65毫米的模型,可以把10千克的金属块加速到100米/秒,这引起了挪威政府、德国政府的注意。德国著名的火炮生产厂商克虏伯公司为勃兰登教授提供了5万马克的研究经费,勃兰登设计了一门长27米、口径380毫米的巨炮,预计可以将2吨重的炮弹发射到50千米远,弹丸速度可以达到900米/秒。为了实现这个目的,勃兰登设计了3800多个线圈,重量达到30吨。使用这门大炮需要3千伏、600千安的直流电源。当时的技术条件根本不可能提供这种直流电源,因此该炮最后被废弃,炮上所用的大量铜丝在后来的战争中被作为重要战略物资回收。
  1970年,德国科隆大学的哈布和齐尔曼用单机磁线圈将一个1.3克的金属圆环加速到490米/秒,这一成果迅速引起世界范围内的高度重视。1976年,苏联科学家本达列托夫和伊凡诺夫宣布已将1.5克的圆环加速到4900米/秒。20世纪80年代,美国太空总署(NASA)桑地亚中心一直在进行电磁线圈炮的概念性研发工作,他们曾尝试修建一个长700米、仰角30度、口径500毫米、采用12级、每级3000个电磁线圈的巨炮,可以将2吨重的火箭加速到4000~5000米/秒,推送到200千米以上的高度。NASA预计使用这个系统发射小型卫星或者为未来兴建大型近地空间站提供廉价的物资运送方式,其发射成本只有火箭的1/2000。
  在早期概念性研究阶段,NASA发展了一系列解决瞬间能源的技术方案,这些都成为电磁弹射的技术基础。美国EMALS中的线性同步电动机采用了单机驱动的方式,只是用一台直线电机直接驱动,和以前的双气缸蒸汽弹射并联输出不同。线性电动机长95.36米,末段有7.6米的减速缓冲区,整个弹射器长103米。弹射器中心的动子滑动组,由190块环形的第三代超级稀土钕铁硼永磁体构成,每一块永磁体间有细密的钛合金制造的承力骨架和散热器管路,中心布置有强力散热器。虽然滑组在工作中其本身只有电感涡流和磁涡流效益产生不多的热量,但是其位置处于中心地带,散热条件不好,且永磁体对温度敏感,高过一定温度就会失效。滑组和定子线圈间保持均匀的6.35毫米间隙,相互间不发生摩擦,依靠滑车和滑车轨道之间的滑轮保持这个间隙不变。滑动组上因为没有需要使用电的装置,所以结构比较简单,且无摩擦设备,需要检修和维修的工作量极少。弹射中,每一块定子磁体将只承受2.7千克/平方厘米的应力。由于滑动组采用了固定的高磁永磁体,所以定子被设计成电磁,形状为马鞍形,左右将滑动组包围,上部有和标准蒸汽弹射器相同大小的35.6毫米的开缝。定子采用模块化设计,共有298个模块,分为左右两组,每个模块由宽640毫米、高686毫米、厚76毫米的片状子模块构成。一个模块上有24个槽,每个槽用3相6线圈重叠绕制而成,这样每一个模块就有8个极,磁极距为80毫米。槽间采用高绝缘的G10材料制成,每个槽都用环氧树脂浇铸,将其粘接成一个无槽的整体模块。通过数字化定位的霍尔元件,定子模块感应滑车上的磁强度信号,当滑车接近时,模块被充电,离开后断开,这样不需要对整个路径上的线圈充电,可以大大节省能源。每一个模块的阻抗很小,只有0.67毫欧,它的设计效率为70%,一次弹射中消耗在定子中的能量有13.3兆瓦,铜线圈的温度会被迅速加热到118.2℃,加之受环境温度影响,这一温度可能会高达155℃。这将超过滑车永磁体的极限退磁温度,因此需要强制冷却,冷却方案是定子模块间采用铝制冷却板,板上有细小的不锈钢冷却管,可以在弹射器循环弹射的45秒重复时间内将线圈温度从155℃降低到75℃。线性电动机的末段是反相段,通过电流反相就能让滑组减速并停下来,同时自动恢复到起始位置。
  从电磁线圈炮的发展历史来看,阻碍电磁弹射器的现实化并不是线性电机本身,而是强大而稳定的瞬发能源。美国航母上采用20世纪90年NASA为电磁炮、激光武器发展的惯性储能装置研制而来的盘式交流发电机。新设计的盘式交流发电机重约8.7吨,如果不算附加的安全壳体设备,其重量只有6.9吨。盘式交流发电机的转子绕水平轴旋转,重约5177千克,使用镍铬铁的铸件经热处理而成,上面用镍镉钛合金箍固定2对扇形轴心磁场的钕铁硼永磁体。镍镉钛合金箍具有很大的弹性预应力,可确保固定高速旋转中的磁体。转子旋转速度为6400转/分,一个转子可存储121兆焦的能量,储能密度比蒸汽弹射器的储气罐高一倍多。一部弹射器由4台盘式交流发电机供电,安装时一般采用成对布置,转子反向旋转,可减少因高速旋转飞轮带来的陀螺效应和单项扭矩。弹射一次仅使用每台发电机所储备能量的22.5%,飞轮转盘的转动速度从6400转/分下降到5200转/分,能量消耗可以在弹射循环的45秒间歇中从主动力输出中获得补充。四蓄能发电机结构允许弹射器在其中一台发电机没有工作的情况下正常使用。由于航母装备4部弹射器,每两部弹射器的动力组会安装到一起,集中管理并允许其动力交联,因而出现6台以上发动机故障而影响弹射的事故每300年才会重复一次。盘式交流发电机采用双定子设计,分别处于盘的两侧,每一个定子由280个线圈绕组的放射性槽构成,槽间是支撑结构和液体冷却板。采用双定子结构,每台发电机的输出电源是6相的,最大输出电压1700伏,峰值电流高达6400安,输出的匹配载荷为8.16万千瓦,输出为2133~1735赫兹的变频交流电。盘式储能交流发电机的设计效率为89.3%,这已经通过缩比模型进行了验证,也就是说每一次弹射将会有127千瓦的能量以热量形式消耗掉。发电机定子线圈的电阻仅有8.6毫欧,这么大的功率会迅速将定子线圈加温数百度,所以设计了定子强制冷却。冷却板布置在定子的外侧,铸铝板上安装不锈钢管,内充WEG混和液,采用流量为151升/分的泵强制散热。根据1/2模型测试可知,上述设计可以保证45秒循环内铜芯温度稳定在84℃,冷却板表面温度61℃。
  真正最为关键、技术难度最大的部件是高功率循环变频器。这个技术是电磁弹射器的真正技术瓶颈。EMALS正处于关键性部件工程验证阶段,循环变频器仅仅是完成了计算机模拟,还没有开始发展工程样机。从设计上看,循环变频器是通过串联或者并联多路桥式电路来获得叠加和控制功率输出的,它不使用开关和串联电容器,省略了电流分享电抗器,实现了完全数字化管理的无电弧电能源变频管理输出。其每一相的输出能力为0~1520伏,峰值电流6400安,可变化频率为0~4.644赫兹。循环变频器设计非常复杂,它不仅需要将4台交流发电机的24相输入电能准确地将正确的相位输入到正确的模块端口,还必须准确的管理298个直线电机的电磁模块,在滑块组运行到来前0.35秒内让电磁体充电,而在滑组经过后0.2秒之内停止送电并将电能输送到下一个模块。循环变频器工作时间虽然不长,每次弹射仅需工作10~15秒,但热耗散非常大,一组循环变频器需要528千瓦的冷却功率,冷却剂是去离子水,流量高达1363升/分,注入温度35℃的情况下可确保系统温度低于84℃。美国对这一核心部件的保密工作非常重视,除了基本原理外,几乎没有任何的模型结构、工程图片披露。2003年,美国海军和通用电气公司签订合同,要求花费7年时间完成这一部件的实体工作。
  到目前为止,美国在海军航母电磁弹射器上花费了28年的时间和32亿美金的经费,预计将在2014年服役的CVN-78航母上正式使用这一设备。从设计和工程实现的关键性部件的性能来看,成功地按时间表投入使用的可能性非常大。主要技术问题出在线形同步电机上,18米所必模型所显示的效率仅为58%,而50米1/2模型显示的效率仅有63.2%,这证明能量利用率还不足,功率也成倍增加,设计是不能完成散热需求的。另外一个问题在于军用系统的防火要求,永磁体对温度比较敏感,存在退磁临界温度,一般在100~200℃之间,航母的火工品较多,火灾事故并不罕见,如何保证磁体的磁强度不受大的影响还是一个很棘手的问题。电磁弹射器功率巨大,其磁场强度也非常可怕,现代战斗机上复杂的电磁设备都非常敏感,容易受到干扰,因此需要特别加强电磁弹射系统的磁屏蔽工作。由于弹射器的磁体是开槽形的,和蒸汽弹射器的蒸汽泄露一样会有很强的磁泄露,所以设计了复杂的磁封闭条,在离飞行甲板15厘米的高度就能将磁场强度降低到正常环境的水准。相关的电磁干扰和兼容性问题将在2012年进行专门的适应性试验。
  美国预期电磁弹射器达到如下指标:起飞速度:28~103米/秒;最大牵引力和平均牵引力之比:1.07;最大弹射能量:122兆焦;最短起飞循环时间:45秒;重量:225吨;体积:425立方米;补充能源需求:6350千瓦。[待续]
      电磁弹射器

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