技术帖——电磁弹射器关键技术 我们卡在哪了？

电磁发射技术EML
一、电磁弹射技术的发展
(1) 导电材料
在普通电机中用的导电材料以铜居多,但在电磁弹射技术中却至少存在二个问题。其一,从物理过程上看发射线圈的导体材料密度强烈地影响其速度和加速度,铜的密度太大;其二,在数以兆焦耳能量的发射过程中电流可能达到几兆安培,这在发射线圈与驱
动线圈中都会产生数量可观的欧姆损失。解决此问题的方法是采用超导材料,发射线圈采用铝、镁等轻材料或采用特殊的结构,如等离子体电枢等,当然这些特殊材料大多只适宜于军事上的应用。
(2) 驱动线圈的同步控制
为了获得均匀而持久的加速,驱动线圈在包括发射线圈在内的发射物体上产生的加速力也应当是均匀而持久的,这就要求驱动部分要根据发射物体的具体位置进行同步控制,就象无刷直流电动机的电子换向一样。这个问题的解决是最困难的,相比而言,在工业或民用技术领域应用的场合,无刷直流电动机型的电磁弹射技术应该具有很好的应用前景。
(3) 铁磁材料的影响
在作为电磁炮的发射技术中,被发射物体一般质量较小,不含有铁磁材料。使用铁磁材料的优点是可以减小等效气隙,增加磁场强度,提高效率;缺点是有非线性,铁心损耗,而且普通铁磁材料的饱和磁密较低。在一般的民用或工业领域采用普通的铁磁材料和永磁材料是比较合理和可行的。  
二、美国弹射器的发展和成果
早在1945年，美国海军就和西屋公司在夏威夷机场上一起建造了一台电磁弹射器，它可以在178米的距离上把4吨重的飞机加速到180千米/小时。但这个能力较之当时主流的液压弹射器还有很大的距离，并且制造时需要消耗大量的铜，使用时也需要非常强大的电能供应，因此这台弹射器尽管非常可靠和耐用，但并没有获得什么发展。50年过去了，已经可以跨出实质性的一步了，于是美国海军在1992年和卡曼电磁系统公司签订风险承包合同，要求其为新一代航母CVN－21研制全新的、性能非凡的飞机电磁弹射系统。
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。
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国在可以达到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产调侃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。目前的蒸汽弹射器厂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，目前的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。
  电磁弹射器的结构                                                
  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。
  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摄氏度，冷却板表面温度61度。
三、关键技术
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。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摄氏度的情况下可确保系统温度低于84摄氏度。目前，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。目前的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，热功率也成倍增加，以目前的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摄氏度之间，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，所以目前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。

  中国在电磁弹射技术领域里一直处于理论研究和同步试验研究验证的小规模发展阶段。线圈炮方面，1996年中国曾发布了一个口径90毫米的4磁体级的样炮原型机，可以达到电能转换50%以上，瞬间能源有成熟的20兆焦和100兆焦输出级别的器件。我国是稀土永磁体生产大国，高磁强度稀土永磁体研究水平较好，但工程实际开发工作较少。在高功率循环变频器方面，我国尚有难度。


电磁发射技术EML
一、电磁弹射技术的发展
(1) 导电材料
在普通电机中用的导电材料以铜居多,但在电磁弹射技术中却至少存在二个问题。其一,从物理过程上看发射线圈的导体材料密度强烈地影响其速度和加速度,铜的密度太大;其二,在数以兆焦耳能量的发射过程中电流可能达到几兆安培,这在发射线圈与驱
动线圈中都会产生数量可观的欧姆损失。解决此问题的方法是采用超导材料,发射线圈采用铝、镁等轻材料或采用特殊的结构,如等离子体电枢等,当然这些特殊材料大多只适宜于军事上的应用。
(2) 驱动线圈的同步控制
为了获得均匀而持久的加速,驱动线圈在包括发射线圈在内的发射物体上产生的加速力也应当是均匀而持久的,这就要求驱动部分要根据发射物体的具体位置进行同步控制,就象无刷直流电动机的电子换向一样。这个问题的解决是最困难的,相比而言,在工业或民用技术领域应用的场合,无刷直流电动机型的电磁弹射技术应该具有很好的应用前景。
(3) 铁磁材料的影响
在作为电磁炮的发射技术中,被发射物体一般质量较小,不含有铁磁材料。使用铁磁材料的优点是可以减小等效气隙,增加磁场强度,提高效率;缺点是有非线性,铁心损耗,而且普通铁磁材料的饱和磁密较低。在一般的民用或工业领域采用普通的铁磁材料和永磁材料是比较合理和可行的。  
二、美国弹射器的发展和成果
早在1945年，美国海军就和西屋公司在夏威夷机场上一起建造了一台电磁弹射器，它可以在178米的距离上把4吨重的飞机加速到180千米/小时。但这个能力较之当时主流的液压弹射器还有很大的距离，并且制造时需要消耗大量的铜，使用时也需要非常强大的电能供应，因此这台弹射器尽管非常可靠和耐用，但并没有获得什么发展。50年过去了，已经可以跨出实质性的一步了，于是美国海军在1992年和卡曼电磁系统公司签订风险承包合同，要求其为新一代航母CVN－21研制全新的、性能非凡的飞机电磁弹射系统。
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。
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国在可以达到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产调侃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。目前的蒸汽弹射器厂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，目前的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。
  电磁弹射器的结构                                                
  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。
  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摄氏度，冷却板表面温度61度。
三、关键技术
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。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摄氏度的情况下可确保系统温度低于84摄氏度。目前，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。目前的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，热功率也成倍增加，以目前的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摄氏度之间，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，所以目前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。

  中国在电磁弹射技术领域里一直处于理论研究和同步试验研究验证的小规模发展阶段。线圈炮方面，1996年中国曾发布了一个口径90毫米的4磁体级的样炮原型机，可以达到电能转换50%以上，瞬间能源有成熟的20兆焦和100兆焦输出级别的器件。我国是稀土永磁体生产大国，高磁强度稀土永磁体研究水平较好，但工程实际开发工作较少。在高功率循环变频器方面，我国尚有难度。