SiS001! Board - [第一会所关闭注册]

标题: [转帖] 【科普】福特号航母电磁弹射系统 [打印本页]

作者: crystalever 时间: 2015-1-4 00:31 标题: 【科普】福特号航母电磁弹射系统

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。
评论：辽宁号加电磁弹射确实是属于蛋疼的没地儿，但是这个蛋疼不是说不能加，而是值不值得加的问题
首先电磁轨道跟蒸汽气缸最大的区别就是为了密封以及受力均匀，气缸必须做成直线的，而滑块更是需要追求密封效应。而电磁弹射则没有这个要求，毕竟靠线圈~~否则你让人家电子对撞机还怎么活，轨道从欧洲排中国来么？还是越过大西洋去美国？——所以硬要加是可以加的，不说斜角甲板，加到滑越甲板上也可以，毕竟没气缸那么高的要求。
其次，电磁弹射跟蒸汽弹射最大的不同点，电磁弹射可以调弹射力度，而蒸汽弹射就是一个高气压冲击力，力度很难有大调整。同样这也是NAVY为毛死活都要让福特级上电磁弹射，甚至为此推迟几年的竣工期也再所不惜——可以上无人机啊，蒸汽弹射一弹说不定就身腿分离，一个轮子飞出去，而加强结构的话又会让重量增加，影响无人机的载弹量。
当然还有一个好处就是，福特级电磁弹射器最大重量貌似是50吨，而蒸汽弹射器貌似就36吨左右，F14满载不死鸟都飞不起来，一弹直接成死鸟。这意味着什么呢？航母不在需要全速迎风航行才能弹射飞机了~，即使停止不动没有一丝风，也可以直接弹射飞机起飞（说到这我有点怀疑F14退役是不是因为超重？）
所以加了弹射器，滑越起飞还有什么用？不如直接削平算了！一个不能满载一个可以满载。。区别很大的，特别是战时。
最后，经济性，改装不是说改就能改，或者开个甲板槽就可以上的，涉及到舰艇的配重，以及舰艇内部机库结构等等，可以说是伤筋动骨，跟重新造没啥区别。虽然
如果滑越甲板前端是翘起的，相对于斜角的高度与长度差距，这个因为个人偏好没仔细研究过（12°跟14°我倒是记得了。。)不过我想应该不会影响太大，导致斜角弹射的飞机翅膀撞上吧。。

[ 本帖最后由 crystalever 于 2015-1-4 18:52 编辑 ]

作者: qydd 时间: 2015-1-4 14:20

好详细的科普材料，让楼主费心了，感谢长知识了，另外对中国发展航母有一点疑问，既然已经证明了滑跃式起飞有这么多的缺陷，为什么我们自建的第一艘航母还要使用这种方式，而且从第二艘航母开始又要搞蒸汽弹射了，这纯粹是浪费吗。

[ 本帖最后由 qydd 于 2015-1-4 14:23 编辑 ]

作者: jiangmj 时间: 2015-1-4 14:43

引用:

原帖由 qydd 于 2015-1-4 14:20 发表 [bbs=redirect.php?goto=findpost&pid=97287660&ptid=9287819][/bbs]
好详细的科普材料，让楼主费心了，感谢长知识了，另外对中国发展航母有一点疑问，既然已经证明了滑跃式起飞有这么多的缺陷，为什么我们自建的第一艘航母还要使用这种方式，而且从第二艘航母开始又要搞蒸汽弹射了，这 ...

自建的第一艘采用滑跃方式，是因为不管蒸汽还是电弹，我们现在都还没完全攻关成功，同时我们又急需航母，不可能等到弹射器成功之后再造航母。
为了国家安全，一定程度的浪费是允许的，这个我们有过惨重的教训，当年民国时，蒋介石就是以飞机发展技术日新月异、今年买到的飞机明年就落后了为由，把钱存到银行里，想等到将来再买最新的，结果抗日战争一爆发，想买已经来不及了，有钱也没用啊！

作者: lzlsk 时间: 2015-1-4 15:19

这么高大上的东西，LZ一讲解就清楚了，不得不承认高科技的玩意，全世界跟老美的距离都不是一点半点，慢慢积累，厚积薄发吧，这得靠好几代人的努力

作者: naancy 时间: 2015-1-4 16:16

什么时候，我国能有啊。盼了上百年的航母a，我们连蒸汽弹射器都木有

作者: jfj202 时间: 2015-1-8 14:18

我要说一下电磁弹射的问题：
如何储存能量？真的要装一个无比巨大的飞轮吗？有没有考虑空间，航母是很大，但空间并不富余，这是一个难关；
大家可以算一算，一架20吨的飞机起飞速度达到200公里/小时时要消耗多大的能量？
如何产能？如何保证起飞频率？仅仅这几个问题就需要在技术上有翻天覆地的突破，很难的。

作者: fc1cn2 时间: 2015-1-9 16:52

其实我觉得以后电磁弹射不i一定是一个趋势，电磁弹射的耗电量太大，不是核动力系统，完全无法提供相关的能量
而现在看来，能在航母上起降的重型战斗机，主要作战任务已经不再是滞空搏斗，而主要是战斗护航和攻击
等未来无人战斗机发展成熟，只要能够能够密集起降无人机，然后用双座战斗机做指挥机，一切都好
当然也有那种战斗机做中续通讯，然后指挥在航空母舰上的，这样的战斗方式，个人认为未来是主流
这样就不存在什么方式弹射的问题，只要能起飞就好

作者: 250064721 时间: 2015-1-9 17:38

十年陆军,百年海军,海军无论是军人还是设备跟美国差距不是一点两点,电磁弹射离技术离我们很远,下艘航母能做到蒸汽弹射就很好了~

作者: tankusa 时间: 2015-1-15 03:27

中国的第二艘航母不能再搞滑跃起飞模式了，从效率和使用来说，弹射器比滑跃模式有太多的优势了，但是弹射器的技术目前只有美国掌握，连法国的戴高乐号核动力航母的弹射器都是购买的美国技术和产品，中国要自己搞确实还很难。

作者: gy0533 时间: 2015-1-15 10:49

这个真不明白，还是有大能存在的，顶起

作者: zq0624 时间: 2015-1-15 11:34

要是有图片就更好了，什么时候天朝的航母也用上电磁弹射啊，希望中国的武器越来越先进

作者: shallwexy 时间: 2015-1-15 11:46

引用:

原帖由 qydd 于 2015-1-4 14:20 发表 [bbs=redirect.php?goto=findpost&pid=97287660&ptid=9287819][/bbs]
好详细的科普材料，让楼主费心了，感谢长知识了，另外对中国发展航母有一点疑问，既然已经证明了滑跃式起飞有这么多的缺陷，为什么我们自建的第一艘航母还要使用这种方式，而且从第二艘航母开始又要搞蒸汽弹射了，这 ...

不浪费，这是对中国造船业的刷经验的机会，中国之前没有设计和制造万吨军舰的经验，近几年才刚刚下水一些万吨以上的辅助军舰，2014年年末才有055大驱定型，所以自建的第一艘航母很可能是对辽宁号的改进复制，进而锻炼中国造船业，至于弹射器上舰，那更没经验了，都得从零开始。中国后续航母可能直接进入电磁弹射。当然中国愿意花钱买经验瓶的话，可以学苏联的第一艘航母“乌里扬诺夫斯克”级，滑跃起飞和弹射起飞一起上航母，实际检验一下弹射起飞的可靠性。

作者: yunyan1216 时间: 2015-3-12 11:49

中国航母需要突破的技术太多，明显的就有动力系统、飞机弹射系统、航母电站系统等等，这些技术的突破都不是一朝一夕能完成的，是需要长时间很多代人的努力，是认认真真、实事求是的努力，只要中国不浮躁、不浮夸、加大资金投入，还是有希望的。

作者: wdmjjsw 时间: 2015-3-12 13:04

这知识科普得真心不错，涨见闻了，不过这货的电流功率要求实在变态，在我兔的辽宁号上能准备的可能性起码在三五年内还是不太现实。

作者: lyheihei 时间: 2015-3-19 23:47

电磁弹射，不知道老美是用的什么材料造的能量储存罐的

作者: PiranhanRose 时间: 2015-3-20 01:01

弹射器如果研制成功  确实会使中国的国家地位提升
不过我记得F14的退役与其说是重量不如说是小型化吧  包括F18和F35  都应该是更小型的战机
连俄罗斯唯一的航母都开始改换米格上舰了  这应该是一种发展思路  中国的J15还是一款重型舰载机  也可能会因此在辽宁号安装弹射器  因为重型舰载机的要求确实较高  而新型的舰载机还要等很长时间  等到建造好能够替换辽宁号的航母以后又不知道要等到什么时候
相对来说  强化现有战斗力也是国家研发弹射器的原因之一

作者: qq1234yan 时间: 2015-4-3 23:45

同期待国产的电弹...

作者: yanna3211 时间: 2015-4-4 19:39

有了航母，弹射器中国肯定是要搞的，只不过要闯过很多难关。弹射起飞要比滑跃起发要有很大的优势。要搞就直接搞电磁弹射，不要再搞蒸汽弹射了。

作者: QRss 时间: 2015-4-5 02:46

大家对16号的作用还不是很明白阿，16号绝对不是用来作战的，虽然需要的话它会立刻投入战斗。
16号之前我们从来没有部属过航母，对航母应该怎么用也知之甚少，即使有外军的经验可以借鉴也未必就适应我军的情况。
所以16号更重要的任务是摸索我们应该怎么用航母，所以说它是弹射起飞也好滑跃起飞也罢，这并不重要。航母是一个复杂的系统，并不只是一个供飞机起降的跑道。
战斗机的维护，起飞后的空中加油，对空的预警，战斗机备件的运输这都是需要16号来摸索的。
16号的最大意义就是利用现有的平台为我国的第一二代航母指明一个清晰的发展方向。

作者: 逍遥子114 时间: 2015-4-5 09:06

呵呵！还是不要在这猜这猜那的了！真要开战了都是浮云活着才是最重要的！什么技术啥的！没人都是白扯！

作者: wsztwh 时间: 2015-4-5 14:35

老美太先进了，中国目前连蒸汽弹射都吃力，更别说电磁弹射了

欢迎光临 SiS001! Board - [第一会所关闭注册] (http://154.84.5.200/bbs1/)