【科普】福特号航母电磁弹射系统

    论坛上对于电磁弹射系统有诸多的误解，也对福特级航母有着较多的错误认识。本文对其中部分问题予以澄清。对电磁弹射系统做概要性的介绍。

    福特级航母是美国最新一代核动力航母，采用两座最新型压水堆（A1B），全寿命（50年）无需更换燃料。
    福特级航母采用综合电力系统，13000V高压配电。但是福特级不是全电推进，动力仍然是蒸汽轮机驱动螺旋桨。很多人一听是综合电力系统就认为福特级是全电推进是不对的。另外，电推和全舰综合电力系统也没有必然关系，也可以是分开的。
   
    福特号的核反应堆除驱动螺旋桨外，还驱动大功率发电系统，为全舰提供综合电力。
    福特级还有很多新概念：激光炮、电磁轨道炮等等，目前首舰是没有的。以后什么时候有再说。

    下面重点介绍福特级航母的电磁弹射系统。
    电磁弹射系统由供电系统、控制系统和电磁弹射轨道组成。其中供电系统由电动机、飞轮储能装置和大功率发电机组成。
    福特级航母一共有四个弹射器，每个弹射器由两套供电系统和一套控制系统+一套电磁弹射轨道组成。因此，四套弹射系统共有8组供电系统。
   
    工作原理：电动机带动发电机为电磁弹射器提供电能。这当然不是吃饱了撑的。其原理是：电动机首先给飞轮储能装置储能，达到额定转速后仅提供小功率维持储能飞轮的转速，同时带动发电机工作（此时发电机空载，消耗功率不大）。
    在弹射时，发动机提供的功率远远不够，发电机的转速必然下降达从不到输出功率要求。此时储能飞轮的机械势能开始释放，保证发电机的转速下降较小（20%）。也就是说，在储能飞轮转速下降20%时释放的能量足以完成弹射。
    大功率发电机技术成熟度远高于大功率电动机。此大功率发电机提供短时电能给24相变频控制器，变频控制器驱动电磁弹射轨道上的电磁模块，弹射飞机。也就是说：发电机的输出功率是足够满足电磁弹射器的功率要求的。

    飞轮储能装置原理简单，就是利用大质量的飞轮的惯性机械势能，实现电能——势能——电能的转换。分为离合式和磁悬浮式。前者输出功率大，储能大。
     储能飞轮的放置方式也是个问题：卧式还是立式？储能飞轮重达百吨（某专家号称电磁弹射系统只有几十吨就是个笑话，一套系统要200多吨，但是比起蒸汽弹射的500多吨还是轻了一半多），采用立式安装有诸多不便。福特号采用卧式安装。

    这就带来一个问题：飞轮转动扭矩和陀螺定向问题。解决的办法就是两个储能飞轮一组，反相转动。这消除了扭矩问题，但是陀螺定向的问题无法解决，好在没什么大碍，还在一定程度上保持了航母稳定性，尤其是航向稳定。
    采用立式安装可以解决上述问题。但是，前面说了，立式安装问题很多。主要是这飞轮太重，立式安装效率低，工艺难度太高，主受力点是一个，而且受重心和航母的航行状态影响太大。最终福特号还是选择了卧式安装。

    福特号航母共有4组8套储能发电装置，每个弹射器一组两套。只要有四套储能装置可以工作，就能保证4个弹射器正常工作（电弹的又一大好处）。

    下面说一说电磁弹射系统的核心装置：变频控制器。
    福特号航母电弹系统采用24相变频控制器。这个变频控制器是用来控制电磁轨道上的电磁模块的。整个轨道很长，不可能同时加电，也没有必要。电磁轨道分为N个模块。每个模块应该施加的电流大小和时间是不同的。这和飞机的速度相关。

    弹射是一个加速过程，所以给每个电磁模块提供的电流大小，时间长短都不同。最重要的还得说是相位控制。相位控制是非常关键的，否则就全白忙了。

    24相变频控制器输出功率的变化范围非常的大，相位控制还要非常精确。而且，弹射不同质量、不同类型的飞机也是不同的。所以，变频控制器是整个电磁弹射系统的核心。目前国内IGBT大功率器件研制成功，又为电磁弹射器扫清了一个障碍。

   最后当然要说一下电磁轨道了。
   90-105米长的电磁轨道，由N个电磁模块组成。电磁模块采用钕铁硼永磁铁+线圈组成。24相变频控制器依序分别给各个电磁模块加电，实现对电磁滑块的驱动。电磁滑块带动飞机加速。

    前90米是加速段，后面是制动段。电磁轨道的好处就是施加反相电流，加速就变成减速了，很方便。
   
    但是电磁轨道有很多难题需要处理。

    第一个是散热。
    巨大的功率施加到电磁模块后，发热是免不了的。但是一发热，永磁铁的磁场强度大幅下降，直至损坏。所以，美国科学家花了很大力气解决散热问题。因为不但要散热，还得散的快。美帝的指标是15秒/架次。当然，这是指四个弹射器的总和。也就是说，电磁弹射器有45秒的恢复时间。这45秒内，要完成储能、滑块归位、轨道模块温度恢复。

    第二个问题是电磁屏蔽问题。电磁弹射器如此强大的功率输出，必然带来强大的电磁干扰。这个干扰是脉冲式的，也就意味着其产生的电磁干扰是广谱干扰。电磁轨道也是开缝的，这就意味着高频干扰难以得到较好的屏蔽效果。这不是最难的，难的是如何实现强磁场的屏蔽。这是个大功率的交变磁场。

......

后记：
    一些HKC的小白，一看到马伟明将军的成就，就认为电磁弹射已经完全成熟了。其实差的远，还有很长的路要走。但是我们必须走。
美帝的电磁弹射器陆地实验早已成功，但是上舰后的实验还没做，前后已经过了N年了。
最近YY辽宁号近船坞改装电弹，更是让人哭笑不得。

    饭要一口一口的吃，路要一步一步的走。说论坛大神黑电弹的，是不是太过了？盲人摸象的寓言应该是很有教育意义的。

最后声明：我可不是大神。看军衔就知道了。

    论坛上对于电磁弹射系统有诸多的误解，也对福特级航母有着较多的错误认识。本文对其中部分问题予以澄清。对电磁弹射系统做概要性的介绍。

    福特级航母是美国最新一代核动力航母，采用两座最新型压水堆（A1B），全寿命（50年）无需更换燃料。
    福特级航母采用综合电力系统，13000V高压配电。但是福特级不是全电推进，动力仍然是蒸汽轮机驱动螺旋桨。很多人一听是综合电力系统就认为福特级是全电推进是不对的。另外，电推和全舰综合电力系统也没有必然关系，也可以是分开的。
   
    福特号的核反应堆除驱动螺旋桨外，还驱动大功率发电系统，为全舰提供综合电力。
    福特级还有很多新概念：激光炮、电磁轨道炮等等，目前首舰是没有的。以后什么时候有再说。

    下面重点介绍福特级航母的电磁弹射系统。
    电磁弹射系统由供电系统、控制系统和电磁弹射轨道组成。其中供电系统由电动机、飞轮储能装置和大功率发电机组成。
    福特级航母一共有四个弹射器，每个弹射器由两套供电系统和一套控制系统+一套电磁弹射轨道组成。因此，四套弹射系统共有8组供电系统。
   
    工作原理：电动机带动发电机为电磁弹射器提供电能。这当然不是吃饱了撑的。其原理是：电动机首先给飞轮储能装置储能，达到额定转速后仅提供小功率维持储能飞轮的转速，同时带动发电机工作（此时发电机空载，消耗功率不大）。
    在弹射时，发动机提供的功率远远不够，发电机的转速必然下降达从不到输出功率要求。此时储能飞轮的机械势能开始释放，保证发电机的转速下降较小（20%）。也就是说，在储能飞轮转速下降20%时释放的能量足以完成弹射。
    大功率发电机技术成熟度远高于大功率电动机。此大功率发电机提供短时电能给24相变频控制器，变频控制器驱动电磁弹射轨道上的电磁模块，弹射飞机。也就是说：发电机的输出功率是足够满足电磁弹射器的功率要求的。

    飞轮储能装置原理简单，就是利用大质量的飞轮的惯性机械势能，实现电能——势能——电能的转换。分为离合式和磁悬浮式。前者输出功率大，储能大。
     储能飞轮的放置方式也是个问题：卧式还是立式？储能飞轮重达百吨（某专家号称电磁弹射系统只有几十吨就是个笑话，一套系统要200多吨，但是比起蒸汽弹射的500多吨还是轻了一半多），采用立式安装有诸多不便。福特号采用卧式安装。

    这就带来一个问题：飞轮转动扭矩和陀螺定向问题。解决的办法就是两个储能飞轮一组，反相转动。这消除了扭矩问题，但是陀螺定向的问题无法解决，好在没什么大碍，还在一定程度上保持了航母稳定性，尤其是航向稳定。
    采用立式安装可以解决上述问题。但是，前面说了，立式安装问题很多。主要是这飞轮太重，立式安装效率低，工艺难度太高，主受力点是一个，而且受重心和航母的航行状态影响太大。最终福特号还是选择了卧式安装。

    福特号航母共有4组8套储能发电装置，每个弹射器一组两套。只要有四套储能装置可以工作，就能保证4个弹射器正常工作（电弹的又一大好处）。

    下面说一说电磁弹射系统的核心装置：变频控制器。
    福特号航母电弹系统采用24相变频控制器。这个变频控制器是用来控制电磁轨道上的电磁模块的。整个轨道很长，不可能同时加电，也没有必要。电磁轨道分为N个模块。每个模块应该施加的电流大小和时间是不同的。这和飞机的速度相关。

    弹射是一个加速过程，所以给每个电磁模块提供的电流大小，时间长短都不同。最重要的还得说是相位控制。相位控制是非常关键的，否则就全白忙了。

    24相变频控制器输出功率的变化范围非常的大，相位控制还要非常精确。而且，弹射不同质量、不同类型的飞机也是不同的。所以，变频控制器是整个电磁弹射系统的核心。目前国内IGBT大功率器件研制成功，又为电磁弹射器扫清了一个障碍。

   最后当然要说一下电磁轨道了。
   90-105米长的电磁轨道，由N个电磁模块组成。电磁模块采用钕铁硼永磁铁+线圈组成。24相变频控制器依序分别给各个电磁模块加电，实现对电磁滑块的驱动。电磁滑块带动飞机加速。

    前90米是加速段，后面是制动段。电磁轨道的好处就是施加反相电流，加速就变成减速了，很方便。
   
    但是电磁轨道有很多难题需要处理。

    第一个是散热。
    巨大的功率施加到电磁模块后，发热是免不了的。但是一发热，永磁铁的磁场强度大幅下降，直至损坏。所以，美国科学家花了很大力气解决散热问题。因为不但要散热，还得散的快。美帝的指标是15秒/架次。当然，这是指四个弹射器的总和。也就是说，电磁弹射器有45秒的恢复时间。这45秒内，要完成储能、滑块归位、轨道模块温度恢复。

    第二个问题是电磁屏蔽问题。电磁弹射器如此强大的功率输出，必然带来强大的电磁干扰。这个干扰是脉冲式的，也就意味着其产生的电磁干扰是广谱干扰。电磁轨道也是开缝的，这就意味着高频干扰难以得到较好的屏蔽效果。这不是最难的，难的是如何实现强磁场的屏蔽。这是个大功率的交变磁场。

......

后记：
    一些HKC的小白，一看到马伟明将军的成就，就认为电磁弹射已经完全成熟了。其实差的远，还有很长的路要走。但是我们必须走。
美帝的电磁弹射器陆地实验早已成功，但是上舰后的实验还没做，前后已经过了N年了。
最近YY辽宁号近船坞改装电弹，更是让人哭笑不得。

    饭要一口一口的吃，路要一步一步的走。说论坛大神黑电弹的，是不是太过了？盲人摸象的寓言应该是很有教育意义的。

最后声明：我可不是大神。看军衔就知道了。