据《联合早报》4月11日报道,美国新一代核动力航空母舰“福特”号(USS Gerald R. Ford)4月8日载着逾千人员,从弗吉尼亚州纽波特纽斯造船厂码头启程,首次到大海试航。

“福特”号航母造价129亿美元,是美国40年来首款新设计的航母,其建造工程始于2009年,原定2015年9月完工。但由于预算超支,以及发电系统、飞机着陆设备等系统出问题,这艘航母多次推迟交付日期,海试时间也延后了一年多。 而对于这艘世界最强航母的一些内部结构,最令人关注的当属其中的电磁弹射和电磁阻拦系统了。

电磁弹射的优点

说起来从蒸汽弹射器这种技术开始服役至今,差不多已经在航母上使用了50年了,这也是唯一经过实战证明的技术。然而,美海军在舰艇设备全面电气化的大趋势下,航母将采用电作为推进的主动力。所有动力设备也将电气化。

所以在80年代末,就开始了对电磁弹射器技术的开发,并在费城东部的试验基地装备了电磁弹射器进行试验。在2003年向国会提交的报告中说到,电磁弹射器(EMAL)证实有以下的优点:

1、电气结构,技术上容易与其他甲板上作战系统兼容

2、操作和维修人员编制简化,而且与其它作战系统人员兼容

3、弹射功率提高,有利于装备大型作战飞机

4、可控性和可靠性高,简化测试

5、结构简化,操作复杂度减低首先,电磁弹射所需要的准备时间更短,弹射机构能够在很短时间内完成能量充填,大大提升了舰载机的出动频率。

其次,电磁弹射可以根据不同机型的需求设置不同的弹射力度,如此一来无论是重型战斗机还是轻型无人机,都可以使用弹射起飞的方式升空,而不需要担心弹射力度过大对起落架造成损伤。

不过,电磁弹射对于航母整体的电力功率输出有较高的要求。建造排水量10万吨的福特级航母采用核动力驱动,内部搭载双反应堆,为的就是能够给舰载设备提供充足的电力。

电磁弹射应用难点

电磁弹射对电力系统的要求很高。根据公开资料美国福特4个弹射器充电功率差不多在16mw,但是弹射的峰值功率在130mw (数据在网上找的,未必准确,但量级应该差不多),这种用电特性属于阶跃性的,跟大功率激光器比较类似,所以在电力系统和永磁电机之间必须要有大容量的储能装置平时慢慢充电来满足阶跃用电和峰均比的问题。而即使只是配置16mw的发电设备专门为弹射器供能在可行性和经济性上仍然难以满足。于是美国提出的技术方案是采用电力推进、电磁阻拦、电磁升降机、电力采暖等把所有主要设备都电气化然后全船采用综合电力系统统一调配电力的方式来实现控制整船发电功率的方法。

美国福特航母使用的是2座新型A1B核反应堆,其推进功率为104兆瓦,发电功率为96兆瓦。相比之下,最新几艘尼米兹级航母使用的A1G反应堆,每座反应堆推进功率为104兆瓦,发电功率为32兆瓦。注:104兆瓦大约合14万轴马力。

这些数字是什么概念呢?以小鹰号常规动力航母为例,小鹰号除了备用的发电机组,其发电能力仅为16.2兆瓦。而尼米兹航母航行1万海里所消耗的发电能源,假如换成燃油的话,接近小鹰号航母的全部燃油储备量。

电磁弹射器技术难度最大的部件最为关键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。美国在这方面的保密很重视,只有原理说明,没有任何的图片,结构披露。高功率循环变频器,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℃的情况下可确保系统温度低于84℃。

此外,线性同步电动机散热是个不小的问题。还有永磁体对温度比较敏感,存在退磁临界温度,一般在100~200℃之间,航母的火灾事故并不罕见,如何保证永磁体的磁强度不受影响也是一个麻烦事。再有,电磁弹射器的磁强度非常高,由于弹射器的磁体是开槽形的,要防止其影响飞机的各种设备,就必须对弹射器的磁屏蔽。目前这一问题已解决。。。

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。

中国用1/5的时间完成了电磁弹射阻拦

技术难点这么多的电磁弹射技术已被美国克服并海试,中国是否感受到压力呢?

早在今年两会期间,就有记者针对该技术采访了中国著名的舰船动力与电气工程专家,中国工程院机械与运载工程学部院士,中国人民解放军海军少将军衔拥有者马伟明。该媒体问:美国“福特”级航母的经验显示,航母的电磁阻拦技术比弹射难度更高……(没问完的是中国是否有这方面研究)

马伟明:不能这样下定论。我们用了1/5的时间就把阻拦做完了,你说哪个难度高?有了弹射的技术阻拦还难吗?弹射和阻拦是一个正一个反,解决了正,解决反不就容易了吗?”

只言片语虽然不够精确,我们能从话里听到什么?

1、我们已经做完电磁阻拦了。而且马院士觉得并不难,然而边境计划firefly注意到美国的福特级还没服役,一个重要原因是电磁阻拦系统不过关,而且因为技术成熟度过低,超期太严重,很可能福特级的二号舰和三号舰会使用老式的mk7液压阻拦系统。

2、我们只用了1/5的时间就做完的,这1/5是谁的1/5?第一种可能是和我们的电磁弹射系统研制时间比,第二种可能是和美国的电磁阻拦研制比。无论和那一个比,马院士的意思都很明确,我们用的时间短。可见中国已经拌住了美国人核航母得马腿。

但值得一提的是,美国其实也有研制电磁阻拦系统(AAG),并且从概念、原理到设计搞得都比较顺,但实验室里好好的设备,到模拟实舰使用环境下,就会出现罢工甚至损伤,美国人才发现对好多问题估计不够,只好重设计一下,因此被卡在了从实验室到实舰这段上了。

发展电磁阻拦系统,少不了全尺寸地面试验,地面试验一般也要经过拦死重和拦实机2个阶段,实机阶段还要把所有上舰的机型都拦一遍,而且有了新舰载机也得拦一遍才能踏实,也就是说这个试验装置会长期存在。

那么中国的电磁阻拦系统什么时候能走出实验室呢?

马院士没有透露,所以,等谷歌的卫星照片把~~

看到照片,才说明中国的电磁航母真的不远了。

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