0 引言

隨着科技的進步和軍事需求的增長，航母戰鬥力的發揮越來越倚重於各種艦載機，尤其是無人機、固定翼預警機和重型戰鬥機等飛機上艦的需求越來越迫切。蒸汽彈射器已無力滿足這些新的應用需求。美國在規劃航母發展方向時，認識到飛機電磁彈射系統(Electromagnetic Aircraft Launch System，EMALS)的巨大優勢，先後投入大量人力和物力進行研究。

早在20世紀40年代美國就研製了感應型電磁彈射器樣機進行試驗，後由於技術不成熟放棄。1982年重新開始進行可行性研究，1988年開發了一個小比例的彈射器模型，1992年進行了部分關鍵技術的前瞻性探索。這些研究為EMALS的發展奠定了基礎，但限於當時的技術水平還無法實用化。

進入21世紀，隨着儲能、電力電子、直線電機以及控制技術的發展，美國正式啟動了真正實用化EMALS的開發。1999年12月10日，美國海軍選擇了諾斯羅普·格魯曼公司和通用原子公司分別開展了全尺寸、全功率、半長度的EMALS樣機的研製。經過全面比較，最終於2004年4月選擇了通用原子公司的方案，陸上演示驗證樣機的研製隨之展開。2009年6月，美國正式決定將在2015年服役的下一代“福特”級航母CVN78上安裝EMALS，並授予通用原子公司5.73億美元研製合同。2010年12月18日，美國海軍在新澤西州萊克赫斯特基地，成功彈射F/A－18艦載機，標誌着電磁彈射技術的成熟化和實戰化。美國不遺餘力地研製EMALS，達到軍事領先的目的不言而喻。

1 EMALS的巨大優勢

1)彈射能力更強

蒸汽彈射器通過機械方法控制注入汽缸的蒸汽，推力無法精確控制，並且輸出的能量調節範圍也很有限，因此過重和過輕的飛機都無法彈射，這就是目前美國現役航母上無法裝備重型艦載機和輕型無人機的重要原因。EMALS的最大彈射能力比蒸汽彈射器高出約29%，最高達122MJ，並且EMALS輸出能量調節範圍大，因此其彈射能力是蒸汽彈射器無法比擬的。

2)彈射性能更好

典型蒸汽彈射器的加速度峰均比為1.15～1.2，在某些情況下，實際值在2.0以上，並且彈射末速度誤差可達2.57m/s以上。由於蒸汽彈射器推力不穩定，艦載機機體由於受力不均衡容易受損。相比而言，EMALS通過優化彈射曲線，並採用閉環反饋實時控制手段，加速度峰均比可達到1.05，彈射末速度誤差可控制在0～1.5m/s以內。EMALS推力可控，加速平穩，可大幅減小對艦載機和各部件的衝擊，有利於飛機結構的設計，並可使機體的使用壽命延長31%，也能緩解飛行員的身心壓力。蒸汽彈射器從冷態啟動時，正常預熱時間長達24h，而EMALS的準備時間不到15min，大大提高了戰場應急反應能力和作戰效率。另外，蒸汽彈射器能量效率僅為4%～6%，而EMALS的能量效率比蒸汽彈射高出10倍，可達60%左右，大大提高了能量利用率。

3)裝置可靠性更高

蒸汽彈射器是一個高溫高壓的複雜機械系統，部件眾多，全系統的固有可靠性不高，2次重大故障間的平均周期約405周。EMALS採用四能量鏈冗餘結構，在彈射過程中可容忍一個能量鏈出現故障，保證任務完成，可靠性大大提高，2次重大故障間的平均周期可達1300周以上。蒸汽彈射器為開口汽缸結構，為保持活塞運動時汽缸內壓力，需要採用金屬密封條，受損更換極為平凡。而EMALS依靠定、動子之間電磁場的非物理接觸傳力特性，取消了許多高磨損的機械設備，使用壽命有着巨大的優勢。

4)裝置適裝性更佳

美國現役航母1座C13型蒸汽彈射器的總質量為538t，體積超過1100m2，而EMALS的質量小於280t，體積小於425m3。更為嚴重的是，蒸汽彈射器大部分質量位於上層甲板，導致船體重心升高，不利於航行穩定性，而EMALS可靈活布置的特性，能夠避免這個問題。蒸汽彈射器多個部件之間由高溫高壓的管路連接，並且彈射汽缸必須整體安裝，在航母上的總體安裝與布置難度較大。但EMALS採用模塊化設計，直線電機可以分段安裝和拆卸，各個部件通過電纜或信號網絡連接，布置靈活，適裝性更好。

5)運行和維護成本低

蒸汽彈射器一次彈射作業需消耗614kg蒸汽，耗用航母大量的淡水資源和加熱淡水所需要的能源。而EMALS在3s的彈射時間內功率約為100MW，折算下來僅消耗約83kW·h電能。另外，對於潤滑油、冷卻水等其他輔助需求，EMALS也具有很大的優勢。蒸汽彈射器人力需求量大，維護保養耗時耗力一直是為美軍所詬病的難題，而且其全壽命周期費用高昂。EMALS採用電氣化信息化手段，簡化了操作方法，並可實現全系統的狀態監控和故障自診斷，人力需求減小30%，維護工作量大大降低，平均故障修復時間大大減少，並且節省了全壽命周期費用。

EMALS與蒸汽彈射器的主要參數對比如表1所示。

由表1可見，EMALS相比於蒸汽彈射器具有無可比擬的優勢。總而言之，EMALS適應了航母電氣化信息化發展的需要，取代落後的蒸汽彈射器是未來發展趨勢。一旦美國裝備EMALS的航母服役，其他國家的老式航母將難以對其構成實質性威脅。

2 EMALS的構成和關鍵技術

有關EMALS的構想很多，但從總體上來說，基本原理都是先將航母上供給的電能通過某種儲能裝置儲存起來，然後在彈射過程中利用直線電機快速轉化為飛機的動能進行釋放。以美國通用原子公司研製的EMALS為例，其主要由6個分系統構成，如圖1所示。

這6個分系統詳述如下:

1)能量接口分系統。從航母吸取電能，並將能量提供給能量存儲分系統。拖動儲能電機達到指定的轉速。

2)能量存儲分系統。可在2次彈射的間隔時間內，儲存下一次彈射所需要的能量，並在2～3s的彈射過程中釋放能量。

3)電力調節分系統。將能量存儲分系統傳來的電能變換成直線電機所需的變頻變壓的電能。

4)能量分配分系統。通過電纜、斷路器等連接電力調節分系統和直線電機分系統。

5)直線電機分系統。通過定、動子的耦合產生電磁力，由動子上的拖梭帶動飛機加速到起飛速度。

6)彈射控制分系統。根據輸入的彈射參數實時、精確控制通入直線電機的電流，並可進行全系統健康診斷。

從EMALS的構成綜合分析來看，其關鍵技術主要有以下4個方面:

1)儲能技術。一次彈射持續時間雖然不超過3s，但峰值功率高達數百兆瓦，航母電站無法直接提供這樣的電力需求。因此，需要採用儲能裝置在45s的時間內儲存122MJ的能量。儲能技術的難點是需要找到能量密度很高的儲能方式，否則儲能裝置本身體積重量超標就不能滿足上艦使用的要求。通用原子公司最終採用慣性儲能的方法圓滿解決了這個問題。

2)大功率電力調節技術。隨着動子的速度從0逐漸達到最高速，通入直線電機的電能頻率不斷升高，電壓也不斷加大，所以能量存儲分系統輸出的電能不能直接驅動直線電機，需要通過電力調節分系統實現電能的變換，其難點在於處理的電能瞬態功率大，需要對高壓大電流進行調節。隨着大功率固態電力電子器件的不斷升級，以及電力電子器件串並聯技術的不斷進步，大功率電力調節技術在民用領域早已廣泛應用，為解決該問題奠定了堅實的基礎。

3)直線電機技術。直線電機是彈射器的執行機構，其主要優勢是定、動子間無機械接觸，僅靠電磁力實現電能到直線運動的動能轉換。直線電機技術的難點是儘可能提高它的功率密度和能量效率，且需要很強的環境適應能力。直線電機在物流傳輸、直線電梯、車床加工等領域研究非常深入，大功率直線電機在磁懸浮列車等軌道交通領域已經得到廣泛應用。不管是同步直線電機還是直線感應電機，從理論上都能滿足電磁彈射的需求。

4)彈射控制技術。EMALS需要通過實時、閉環的控制，達到根據設定的彈射曲線精確控制彈射末速度和彈射過程中加速度的目的。彈射控制技術的難點在於對直線電機的實時反饋控制，以及對各種信息的組網、交互與處理。EMALS的控制技術在工業及信息領域有大量的方法可以借鑑，如矢量控制技術、直接轉矩控制技術、工業總線技術及計算機技術等等，這些都可以推廣並移植到EMALS中。

由此可見，研製EMALS的關鍵技術並不新奇，都經過了多年研究並已經成熟。慣性儲能的概念早已有之，只是以前沒有這樣大功率的應用需求，而電力電子、直線電機和工業控制技術是在民用領域成熟後，被EMALS借用並加以發展。從理論上可以說EMALS的研製不存在難以克服的障礙。

3 EMALS未來的發展方向

對於EMALS的實現，綜合分析來看，目前最具有實用性的方案如下:

1)直線電機分系統採用雙邊長定子結構的直線感應電機作為執行機構，理由是直線感應電機雖然比永磁直線同步電機的效率低一些，但它的動子可以採用整塊鋁板，動子質量小，運動時動子本身耗費的能量少，利於動子制動，而且可靠性高，可以避免同步電機永磁體可能失磁的問題。

2)電力調節分系統電壓高達4kV，峰值電流高達18kA，美國研究人員採用基於IGBT的變頻驅動裝置解決了這個問題，但這是十幾年前的方案，電力電子器件的發展日新月異，時至今天可採用基於IGCT或碳化硅等更高功率等級的器件，來解決電力調節分系統的高壓大電流變頻驅動問題。

3)能量存儲分系統目前最為合適的應該是飛輪慣性儲能，當前以它的能量密度最高，但不排除隨着技術的進步，將來會有更為理想的儲能裝置，例如超級電容等。4)彈射控制分系統可直接借用工業領域類似的高性能控制系統，諸如高性能DSP、矢量控制算法、工業現場總線等技術為彈射控制分系統的硬件、軟件及組網提供支撐。

上述系統方案代表了未來EMALS的發展方向。

4 EMALS技術的推廣應用

在軍用領域，雖然EMALS目前還只是作為航母上艦載機起飛的一個發射平台，但將來它所涉及到的相關技術可以應用到以下2個方面:一是高能電磁武器，以電磁炮為典型代表，它的特點是發射質量小但速度高;二是魚雷、導彈、衛星甚至火箭等的冷發射裝置，美國已經開始研究利用直線電機作為航天發射的平台，可以大大節省發射的費用。

EMALS還具備一個很重要的優勢是，它所使用的技術具有通用性的特點，很容易應用到民用領域。例如，儲能技術可以用於電網調峰，直線電機技術則可應用於民用軌道交通、工業傳輸等產業。EMALS涉及到的技術與民用領域相關的技術，可以起到互為借鑑、互為促進的效果。例如，EMALS使用的電力調節技術和彈射控制技術借用了民用領域有關的技術，但反過來，又可以進一步促進大功率電力調節技術和高可靠網絡化控制技術在民用領域中的發展。

5 結語

航母艦載機採用電磁彈射助飛的好處毋庸置疑，它對航母戰鬥力的提升具有革命性的意義。美國EMALS成功實用化的事實啟示我們，EMALS技術是下一代航母的標誌性技術，是航母當前最佳的飛機彈射裝置，中國應當開展電磁彈射有關技術的深入研究，實現未來航母彈射裝置的跨越式發展，這是科技強軍的必由之路。

電磁彈射技術不僅是具有戰略意義的航母技術，它還能提升中國高能電磁武器等技術基礎，並且能夠帶動相關工業產業鏈發展，推動國家工業建設和振興經濟，帶來一系列顯著的軍事和民用效益。