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中美航母電磁彈射技術差距幾何

鐵流   · 2019-12-21 · 來源:鐵君  
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  日前,山東號正式交付。山東號依然采用滑越起飛,并沒有采用福特級的電磁彈射。此前,中國工程院院士、信息工程大學教授鄔江興和中國工程院院士、海軍工程大學教授馬偉明榮獲本年度何梁何利基金最高級別獎項——“科學與技術成就獎”。

  馬偉明院士能夠獲此殊榮的原因就在于在電磁彈射、綜合電力推進、新能源接入技術等領域取得了一批具有完全自主知識產權的原創性成果,共獲國家科技進步一等獎2項,國家技術發明三等獎2項。那么,相對于傳統的蒸汽彈射,電磁彈射具有哪些優勢?電磁彈射的技術難點是什么?中國在建的航母會選擇電磁彈射么?

  

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  Q:什么是電磁彈射?

  A:根據電磁感應原理,切割磁感線能夠產生電流,反過來,電能也能轉化為機械能。電磁彈射就是根據這個原理,將電能轉化為動能,彈射艦載機從航母上起飛。

  Q:電磁彈射有哪些技術難點?

  A:電磁彈射主要技術難點有儲能技術、直線電機技術、彈射控制技術等。

  Q:能具體說說儲能技術、彈射控制技術和直線電機技術嗎?

  A:每一次電磁彈射持續時間大約不到3秒,但峰值功率高達上百兆瓦,這就需要一個儲能設備將航母電站輸出的電能儲存起來,一瞬間釋放。儲能技術的難點就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。

  直線電機是彈射器的執行部分,主要依靠動子和定子的無機械接觸,僅靠電磁感應原理產生的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盡可能提高它的功率密度和能量效率,并且具備海洋環境適應能力。

  電磁彈射需要精確控制彈射末速度和彈射過程中加速度,彈射控制技術的難點在于對直線電機的實時反饋控制,以及對各種信息的組網、交互與處理等。

  

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  Q:中國攻克這些技術的難度大嗎?

  A:雖然電磁彈射最近才被美軍搬上航母,但實際上研制電磁彈射的關鍵技術并不是什么高不可攀的技術,很多技術都是經過了多年研究,甚至已經被廣泛應用。

  比如直線電機技術在物流傳輸、直線電梯、車床加工等領域都有涉及,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。

  電磁彈射的控制技術在工業及信息領域有大量的方法可以借鑒,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,這些都可以推廣并移植到電磁彈射中。

  慣性儲能的概念其實早已有之,只是以前沒有這樣大功率的應用需求。因此,中國攻克電磁彈射的核心技術并不存在無法逾越的障礙。

  

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  Q:相對于蒸汽彈射,電磁彈射具有哪些優勢?

  A:電磁彈射具有彈射性能更好、彈射更為可控、可靠性更高、適裝性更佳等優勢

  Q:電磁彈射性能更好主要表現在是?

  A:電磁彈射的最大彈射能力高達122兆焦耳,比蒸汽彈射器高出約29%,可以彈射重量更大的艦載機。

  Q:電磁彈射可控性更好指的是?

  A:蒸汽蒸汽彈射器通過機械方法控制注入汽缸的蒸汽,無法精確控制推力,在彈射過程中推力的峰谷值比電磁彈射大,這會造成艦載機因不穩定的推力而受力不均,進而因此造成機體受損。而電磁彈射加速更可控,更平穩,可大幅減小對艦載機和各部件的沖擊,有利于飛機結構的設計,并可使機體的使用壽命延長31%,也能緩解飛行員的身心壓力。

  Q:為什么新技術會比運行半個世紀的成熟技術更可靠?

  A:電磁彈射現階段還處于測試摸索階段,可靠性還是不如技術成熟的蒸汽彈射的,這里的可靠性指的是電磁彈射技術成熟后理論上可以達到的可靠性。

  Q:蒸汽彈射可控性不如電磁彈射的原因是?

  A:因為蒸汽彈射器結構復雜零部件眾多,且飽受高溫高壓摧殘,加上蒸汽彈射器為開口汽缸結構,需要采用金屬密封條保持活塞運動時汽缸內壓力,受損更換極為平凡,進而導致全系統的固有可靠性不高。而電磁彈射電磁彈射采用四能量鏈冗余結構,在彈射過程中可容忍一個能量鏈出現故障,保證任務完成,加上定子和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,不僅壽命大幅延長,可靠性也大幅提高。

  Q:能用具體數據來說明嗎?

  A:蒸汽彈射2次重大故障間的平均周期約405周;而電磁彈射技術成熟的話,2次重大故障間的平均周期有望達1300周以上。

  Q:適裝性更佳是什么意思?

  A:這是指電磁彈射器相對于蒸汽彈射器安裝更方便更靈活。舉例來說,蒸汽彈射器大部分重量位于上層甲板,導致船體重心升高,不利于航行穩定性;而電磁彈射可靈活布置的特性,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,并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;而電磁彈射采用模塊化設計,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,適裝性更好。

  此外,電磁彈射器還具有比蒸汽彈射器更小的體積和質量——美國現役航母1座C13型蒸汽彈射器的總質量為538噸,體積超過1100m2;而電磁彈射的質量小于280噸,體積小于425立方米。

  Q:電磁彈射還有其他優勢么?

  A:電磁彈射能量利用率比蒸汽彈射更高,而且更加節省人力,節約淡水資源。

  一是節省淡水資源。航母在海上作戰,淡水資源非常寶貴,而蒸汽彈射器一次彈射作業需消耗614千克水蒸汽,將會消耗大量的淡水資源和加熱淡水所需要的能源。

  而電磁彈射在3s的彈射時間內功率約為100MW,折算下來僅消耗約83千瓦時電能。

  二是人力維護成本更低。蒸汽彈射器人力需求量大,全壽命周期費用高昂。電磁彈射采用電氣化信息化手段,簡化了操作方法,并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,并且節省了全壽命周期費用。

  三是電磁彈射對潤滑油、冷卻水等其他輔助需求比蒸汽彈射小的多。

  Q:中美在電磁彈射技術差距有多大?

  A:中國是稀土永磁體生產大國,在高磁強度稀土永磁體研究方面比起美國也不顯遜色,早在1996年,中國曾發布了一個口徑90毫米的4磁體級的樣炮原型機,可以達到電能轉換50%以上,瞬間能源有成熟的20兆焦和100兆焦輸出級別的器件。

  近年來,在中國電磁彈射方面更是捷報頻傳——馬偉明院士帶領項目組完成了電磁彈射樣機研制和試驗的全過程,攻克43項關鍵技術,申報國防專利32項。某軍工企業冷彈射技術可實現彈射推力達數百噸,并具有機構輕便、操作和維修簡化、彈射功率高、可控性可靠性強等特點。在此前公布于網絡的衛星照片顯示,中國在某地一個機場建造了電磁型導軌式高速牽引裝置工程樣機測試設施,中國已成為繼美國之后建成電磁型導軌式高速牽引裝置工程樣機測試設施的國家。

  Q:就是說中國在電磁彈射方面已經超越俄羅斯,僅次于美國?

  A:馬明偉院士在接受媒體采訪時曾表示,“在軍委、總部和海軍首長的高度關注和支持下,2008年我們終于研制成功小型樣機,接著又做出了1:1單元設備樣機,突破了全部關鍵技術,實現了與世界最先進技術的同步發展。中國艦載機彈射起飛技術完全沒有問題,實踐多次也很順利,有信心運用到現實當中去......中國掌握的技術已經不輸美國,在局部領域甚至更為先進。”

  Q:中國正在建的航母會是電磁彈射航母嗎?

  A:根據目前的消息來看,中國軍方實行技術大躍進的概率不高,很可能依舊采用小步快走的方式發展中國航母——在建的航母可能會和遼寧號、山東號比較類似,通過完成航母制造的全過程磨礪中國造船工業,積累航母設計和制造經驗,并對遼寧號、山東號在使用中暴露出的一些問題做一些改進。

  Q:如果安裝電磁彈射器,是否一定要上核動力航母?

  A:雖然核動力航母在能源方面會比常規動力航母具有優勢,但未必必須上核動力才能保障電磁彈射所需能源。因為電磁彈射的能量利用效率很高,比蒸汽彈射要高10倍,所以常規動力航母也能上電磁彈射,只要在儲能技術、直線電機技術、彈射控制技術、大功率轉換技術上過關,并配屬大功率燃機即可。

  Q:中國是否一定要借鑒美國在彈射器上的使用經驗,先搞蒸汽彈射,再做電磁彈射?

  A:蒸汽彈射和電磁彈射在技術上不具備繼承性,哪怕中國耗費巨資和15—30年時間完全掌握了蒸汽彈射技術,到電磁彈射之時一切都要近乎于從頭開始。美國先蒸汽彈射,后電磁彈射只是因為歷史原因,中國會根據自身實際情況做選擇,未必會完全照搬美國的做法。

  Q:中國蒸汽彈射和電磁彈射研究進度哪個更快?

  A:根據官方八股文和網絡消息,電磁彈射和蒸汽彈射都不乏振奮人心的消息,從興城在建的兩條彈射器來看,一條是蒸汽彈射器,一條是電磁彈射器。由此可見,蒸汽彈射和電磁彈射方案都在軍方的選擇方案中,兩者的進度很可能大致處于同一水平,至于鹿死誰手,很可能取決于兩個團隊的技術成果性能和成熟度的比拼。

  Q:未來新航母會安裝電磁彈射器,還是蒸汽彈射器?

  A:從實際需求上講,未來一段時間內中國依舊會執行積極防御戰略,并沒有向美國那樣制霸全球的需求,依靠遼寧號、山東號和055驅逐艦為核心的航母戰斗群,輔以東風21D、東風26以及南海島礁上的航空兵力量基本能夠完成第二島鏈內自衛反擊任務。因此,對電磁彈射航母的需求并不迫切。

  所以,彈射器上國產航母還有待時日,滑躍式起飛在相當長時間內都會是主流。之后的幾艘入役航母很可能會是山東號的姐妹艦。現在就斷言那種彈射器上航母還為時尚早。

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