EMALS

一种正在研究中的下一代飞机弹射装置

EMALS（Electromagnetic Aircraft Launch System ），即电磁弹射装置，磁弹射装置是航空母舰上的一种舰载机起飞装置，是一种正在研究中的下一代飞机弹射装置，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。

历史简介

五十多年来，美国航母都是靠引擎室产生的蒸汽在弹射战斗机，虽然这个系统经过这么多年的演变，技术上已经相当成熟，但是在效率和控制发射力道方面，仍然不是那么地理想，因此美国海军将在新一代的航母上，将改用电磁力来弹射飞机。这个称为 Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS) 的系统在原理上这和磁浮列车颇有异曲同工之妙，靠着输入电力的不同，可以提供更准确的弹射力道控制，使得用弹射器发射未来的小型无人飞机成为可能。这次的测试是陆基测试，第一艘预计搭载 EMALS 的航母 CVN-78 福特号目前还在建造中，要到 2015 年才会完工，但EMALS的陆基测试结果将直接影响到福特号是否能将这个系统整合进去。

工作原理

包括：电源、强迫储能装置、导轨和脉冲发生器等，但弹射器还多了强迫降温及精确控制。

分别介绍如下：

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5~8万KVA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。

电磁弹射器的心脏就是100多米长的直线感应电动机，它推动与飞机相连接的电枢。而目前电枢基本上是一个U形铝块，装在定子的3个侧面。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、力量储能装置

力量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。力量储能装置原理不复杂，但实施起来很麻烦。早期美国使用的力量储能装置是这样的：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。

强迫储能装置是电磁弹射器的一个瓶颈，在国防方面一直是高度机密的。作用就是能平时储能，然后把大功率能量在短时间内释放出来。电磁弹射器工作时间不长，但是在做功时段是个加速度做功的过程，因此不能把它当成恒功率设备来考虑。

这种强迫储能装置是电磁弹射器的一个瓶颈，在国防方面一直是高度机密的。作用就是能平时储能，然后把大功率能量在短时间内释放出来。电磁弹射器工作时间不长，但是在做功时段是个加速度做功的过程，因此不能把它当成恒功率设备来考虑。

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（目前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。

电磁弹射器难就难在电能不象蒸汽，根本不适合大容量储存，象储存弹射舰载机这样的能量更是难上加难。通用原子公司在实验电磁弹射器时对强迫储能装置只字不提，可见其技术的高度机密性非同一般，想突破也非易事。

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。目前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.

3、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，但无油冷确通道，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。

4、脉冲发生器　以上过程实际上是脉冲发生器完成的。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。

发展及展望

美国海军近来致力于船舰的自动化与电力化，除了电磁弹射装置外，轨道炮也是很重要的研发方向。

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