电磁弹射器是航空母舰上的一种舰载机起飞装置.docx

电磁弹射器是航空母舰上的一种舰载机起飞装置，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。
组成部分
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。
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5~8KVA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。
直线感应电动机

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。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.
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。
强迫储能装置
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（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。
导轨
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。
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。　

　 美国航母上的舰载机只所以在百米距离内能腾空而起，靠得就是弹射器，而最新的福特级航母却舍弃了使用习惯了的蒸汽弹射器，改为电磁弹射器。而电磁弹射器与蒸汽弹器相比，有着无与伦比的优势，不仅效率高、维护费用低、而且过载调节能力强，使用了电磁弹射器，简直象电动机与代替蒸汽机一样夸张。电磁弹射器有哪些特点？使用什么原理呢？我在这里将逐一介绍，本章先介绍电磁弹射器的核心部件之一，强迫储能装置。

强迫储能装置就是相当于蒸汽弹射器的储汽罐，锅炉里的蒸汽将近1分钟时间才能把储汽罐里的蒸汽储存到可以弹射战机的能量，相同的是，电磁弹射器的强迫储能装置也需要将1分钟的时间才能储存到可以弹射战机。储存的能量可以达到140兆焦以上，充电功率可达4兆瓦（1兆瓦等于1000千瓦）以上。谈到这里不禁有人要问，是什么东西能储存这么大的能量呢？蓄电池？电容器？答案只有一个，那就是飞轮。只有了解飞轮电池（当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电 能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电 池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的 驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池"充电"增 加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态 运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电 能的转换。）的人可能更容易理解电磁弹射器的储能装置的原理，事实上，无论哪种蓄电池，储存能量都很有限，电动汽车能跑200公里以上的都是奇迹啦，更何况在弹射飞机是大电流更会对蓄电池造成很大的损坏，而且蓄电池寿命也不理想，航母上经常换电池可不是开玩笑的。电容器当然可以大电流充放，寿命也很长，但是短路会爆炸，储存的电量更是少得可怜。而飞轮电池可以让汽车行驶600公里以上，跟加汽油的差不多。而且飞轮完全不用考虑大电流充放影响，由于润滑系统具有可更换性，寿命根本无需担心，只要将飞轮加到一定速度，储能就完成了。可见，在航母电磁弹射器的储能装置中，非飞轮莫属，因此也称惯性飞轮强迫储能装置。

那么这个飞轮强迫储能装置有哪些东西？其实很简单，跟飞轮电池在结构上也差不多，主要由飞轮、电机及其他附件组成。但是如果只是仅仅认为这些和我们日常的东西无异，那就错了，东西虽简单，但是性能和制造出来却并不简单。首先，飞轮就不同，航母上飞轮其实并不重，但是由于其极高的转速，使其储存了巨大的能量，如此巨大的转速会产生强大的离心力，普通材料是无法承受的，而且其加工精度达到了钟表级别，为什么需要这么高的精度呢？因为飞轮从低速加速到高速时，如果在轴向或者径向存在哪怕是一点的误差，就会产生破坏性的震荡，从而使轴承温度骤增，甚至发生破坏的危险，当然，日常的设备几乎没有这么高速的，也无需这么高的精度。另外，飞机弹射时间不过2秒钟，但是却使其速度下降达到70%，强大的扭矩力对飞轮等也是很大的破坏力。飞轮和电机是通过连轴器联接起来的，因此电机也和飞轮同速旋转，虽然电机的转子直径远小于飞轮的直径，从是由于其具有与飞轮同样的转速，产生的离心力仍不可小视，而且转子自重也不轻，而且转子中还有线圈。与轴相接触的还有测速装置，当然它不是象电机一样与飞轮一样转速，它只是一个磁感应装置，轴上的永磁体在旋转时，与它接触（实际上不接触）的线圈即感应产生电压，并以此测定速度。由于飞轮重量是固定的，知道了速度，也就知道了其储存的能量了。

至于强迫储能装置的电机，有的人不禁要问，它是发电机还是电动机呢？其实这个问题问的很有水平，因为它既是发电机，也是电动机。强迫储能装置的电机，结构上跟绕线式电机很相似，它也有滑环，也有引出端子，也有短接环。它是如何工作的呢？首先，它在储能的时候是电动机，原理上相同于三相导步电动机的变频启动或加速（控制装备以后再谈），转子短接。而在驱动电磁弹射器的直线电机时，它又变成发电机，转子不再短接，而是串接入直流电源，切记，直充电流是变化的，而不是恒定的。弹射战机不过2秒钟，但是飞轮转速却下降达70%，然而弹射战机功率却是在增加的，也就是说，从始端到末端，功率一直在增加，因为电磁弹射器其实是加速度作功，而不是恒功率做功，但是飞轮的速度却在下降，如何办呢？显然，转子的励磁电流是关键，也同时说明，励磁电流是个增加变化过程。事实上，在弹射战机的2秒钟，通过励磁电流的调节，定子输出电压从3KV增加到14KV，电流也从零增加到几万安培！可见电磁弹射器确实可以称得上是一个冲击性负荷。当然，励磁电流的调节和控制是由自动化装置控制的，它与大功率可控硅设备及电磁弹射是一体化的，首先，弹射什么样的战机、挂载、油料、风速及航母的航母、风向等这些参数输入后，通过处理中心计算出该如何设置励磁电流的调节，当然这些看起来复杂，但是都有电脑工作了，人是感觉不到的。

另外，电磁弹射器不同于蒸汽弹射器，蒸汽弹射器是利用水刹进行弹射梭制动，因此储存的蒸汽只要满足弹射飞机就行了。而电磁弹射却不行，它储存的能量不仅要弹射战机，还要用来进行对弹射动子（相当于弹射梭）进行制动，同时还要用它储存的能量返回弹射动子。而蒸汽弹射器却是靠拖梭把其拖回。所以强迫储能装置储存的能量不仅要够弹射战机，而且够制动用的（消耗约10%的储存能量），而且还要够弹射动子复位的（复位时间约5到7秒）。而且，即便是复位了，也不允许强迫储能装置的能量全部用完，必须要有一定的预留，通常要求预留不低于5%。事实上，即便是蒸汽弹射器，在弹射完战机后，储汽罐里还是有一定蒸汽压力的。