0 引言

随着科技的进步和军事需求的增长，航母战斗力的发挥越来越倚重于各种舰载机，尤其是无人机、固定翼预警机和重型战斗机等飞机上舰的需求越来越迫切。蒸汽弹射器已无力满足这些新的应用需求。美国在规划航母发展方向时，认识到飞机电磁弹射系统(Electromagnetic Aircraft Launch System，EMALS)的巨大优势，先后投入大量人力和物力进行研究。

早在20世纪40年代美国就研制了感应型电磁弹射器样机进行试验，后由于技术不成熟放弃。1982年重新开始进行可行性研究，1988年开发了一个小比例的弹射器模型，1992年进行了部分关键技术的前瞻性探索。这些研究为EMALS的发展奠定了基础，但限于当时的技术水平还无法实用化。

进入21世纪，随着储能、电力电子、直线电机以及控制技术的发展，美国正式启动了真正实用化EMALS的开发。1999年12月10日，美国海军选择了诺斯罗普·格鲁曼公司和通用原子公司分别开展了全尺寸、全功率、半长度的EMALS样机的研制。经过全面比较，最终于2004年4月选择了通用原子公司的方案，陆上演示验证样机的研制随之展开。2009年6月，美国正式决定将在2015年服役的下一代“福特”级航母CVN78上安装EMALS，并授予通用原子公司5.73亿美元研制合同。2010年12月18日，美国海军在新泽西州莱克赫斯特基地，成功弹射F/A－18舰载机，标志着电磁弹射技术的成熟化和实战化。美国不遗余力地研制EMALS，达到军事领先的目的不言而喻。

1 EMALS的巨大优势

1)弹射能力更强

蒸汽弹射器通过机械方法控制注入汽缸的蒸汽，推力无法精确控制，并且输出的能量调节范围也很有限，因此过重和过轻的飞机都无法弹射，这就是目前美国现役航母上无法装备重型舰载机和轻型无人机的重要原因。EMALS的最大弹射能力比蒸汽弹射器高出约29%，最高达122MJ，并且EMALS输出能量调节范围大，因此其弹射能力是蒸汽弹射器无法比拟的。

2)弹射性能更好

典型蒸汽弹射器的加速度峰均比为1.15～1.2，在某些情况下，实际值在2.0以上，并且弹射末速度误差可达2.57m/s以上。由于蒸汽弹射器推力不稳定，舰载机机体由于受力不均衡容易受损。相比而言，EMALS通过优化弹射曲线，并采用闭环反馈实时控制手段，加速度峰均比可达到1.05，弹射末速度误差可控制在0～1.5m/s以内。EMALS推力可控，加速平稳，可大幅减小对舰载机和各部件的冲击，有利于飞机结构的设计，并可使机体的使用寿命延长31%，也能缓解飞行员的身心压力。蒸汽弹射器从冷态启动时，正常预热时间长达24h，而EMALS的准备时间不到15min，大大提高了战场应急反应能力和作战效率。另外，蒸汽弹射器能量效率仅为4%～6%，而EMALS的能量效率比蒸汽弹射高出10倍，可达60%左右，大大提高了能量利用率。

3)装置可靠性更高

蒸汽弹射器是一个高温高压的复杂机械系统，部件众多，全系统的固有可靠性不高，2次重大故障间的平均周期约405周。EMALS采用四能量链冗余结构，在弹射过程中可容忍一个能量链出现故障，保证任务完成，可靠性大大提高，2次重大故障间的平均周期可达1300周以上。蒸汽弹射器为开口汽缸结构，为保持活塞运动时汽缸内压力，需要采用金属密封条，受损更换极为平凡。而EMALS依靠定、动子之间电磁场的非物理接触传力特性，取消了许多高磨损的机械设备，使用寿命有着巨大的优势。

4)装置适装性更佳

美国现役航母1座C13型蒸汽弹射器的总质量为538t，体积超过1100m2，而EMALS的质量小于280t，体积小于425m3。更为严重的是，蒸汽弹射器大部分质量位于上层甲板，导致船体重心升高，不利于航行稳定性，而EMALS可灵活布置的特性，能够避免这个问题。蒸汽弹射器多个部件之间由高温高压的管路连接，并且弹射汽缸必须整体安装，在航母上的总体安装与布置难度较大。但EMALS采用模块化设计，直线电机可以分段安装和拆卸，各个部件通过电缆或信号网络连接，布置灵活，适装性更好。

5)运行和维护成本低

蒸汽弹射器一次弹射作业需消耗614kg蒸汽，耗用航母大量的淡水资源和加热淡水所需要的能源。而EMALS在3s的弹射时间内功率约为100MW，折算下来仅消耗约83kW·h电能。另外，对于润滑油、冷却水等其他辅助需求，EMALS也具有很大的优势。蒸汽弹射器人力需求量大，维护保养耗时耗力一直是为美军所诟病的难题，而且其全寿命周期费用高昂。EMALS采用电气化信息化手段，简化了操作方法，并可实现全系统的状态监控和故障自诊断，人力需求减小30%，维护工作量大大降低，平均故障修复时间大大减少，并且节省了全寿命周期费用。

EMALS与蒸汽弹射器的主要参数对比如表1所示。

由表1可见，EMALS相比于蒸汽弹射器具有无可比拟的优势。总而言之，EMALS适应了航母电气化信息化发展的需要，取代落后的蒸汽弹射器是未来发展趋势。一旦美国装备EMALS的航母服役，其他国家的老式航母将难以对其构成实质性威胁。

2 EMALS的构成和关键技术

有关EMALS的构想很多，但从总体上来说，基本原理都是先将航母上供给的电能通过某种储能装置储存起来，然后在弹射过程中利用直线电机快速转化为飞机的动能进行释放。以美国通用原子公司研制的EMALS为例，其主要由6个分系统构成，如图1所示。

这6个分系统详述如下:

1)能量接口分系统。从航母吸取电能，并将能量提供给能量存储分系统。拖动储能电机达到指定的转速。

2)能量存储分系统。可在2次弹射的间隔时间内，储存下一次弹射所需要的能量，并在2～3s的弹射过程中释放能量。

3)电力调节分系统。将能量存储分系统传来的电能变换成直线电机所需的变频变压的电能。

4)能量分配分系统。通过电缆、断路器等连接电力调节分系统和直线电机分系统。

5)直线电机分系统。通过定、动子的耦合产生电磁力，由动子上的拖梭带动飞机加速到起飞速度。

6)弹射控制分系统。根据输入的弹射参数实时、精确控制通入直线电机的电流，并可进行全系统健康诊断。

从EMALS的构成综合分析来看，其关键技术主要有以下4个方面:

1)储能技术。一次弹射持续时间虽然不超过3s，但峰值功率高达数百兆瓦，航母电站无法直接提供这样的电力需求。因此，需要采用储能装置在45s的时间内储存122MJ的能量。储能技术的难点是需要找到能量密度很高的储能方式，否则储能装置本身体积重量超标就不能满足上舰使用的要求。通用原子公司最终采用惯性储能的方法圆满解决了这个问题。

2)大功率电力调节技术。随着动子的速度从0逐渐达到最高速，通入直线电机的电能频率不断升高，电压也不断加大，所以能量存储分系统输出的电能不能直接驱动直线电机，需要通过电力调节分系统实现电能的变换，其难点在于处理的电能瞬态功率大，需要对高压大电流进行调节。随着大功率固态电力电子器件的不断升级，以及电力电子器件串并联技术的不断进步，大功率电力调节技术在民用领域早已广泛应用，为解决该问题奠定了坚实的基础。

3)直线电机技术。直线电机是弹射器的执行机构，其主要优势是定、动子间无机械接触，仅靠电磁力实现电能到直线运动的动能转换。直线电机技术的难点是尽可能提高它的功率密度和能量效率，且需要很强的环境适应能力。直线电机在物流传输、直线电梯、车床加工等领域研究非常深入，大功率直线电机在磁悬浮列车等轨道交通领域已经得到广泛应用。不管是同步直线电机还是直线感应电机，从理论上都能满足电磁弹射的需求。

4)弹射控制技术。EMALS需要通过实时、闭环的控制，达到根据设定的弹射曲线精确控制弹射末速度和弹射过程中加速度的目的。弹射控制技术的难点在于对直线电机的实时反馈控制，以及对各种信息的组网、交互与处理。EMALS的控制技术在工业及信息领域有大量的方法可以借鉴，如矢量控制技术、直接转矩控制技术、工业总线技术及计算机技术等等，这些都可以推广并移植到EMALS中。

由此可见，研制EMALS的关键技术并不新奇，都经过了多年研究并已经成熟。惯性储能的概念早已有之，只是以前没有这样大功率的应用需求，而电力电子、直线电机和工业控制技术是在民用领域成熟后，被EMALS借用并加以发展。从理论上可以说EMALS的研制不存在难以克服的障碍。

3 EMALS未来的发展方向

对于EMALS的实现，综合分析来看，目前最具有实用性的方案如下:

1)直线电机分系统采用双边长定子结构的直线感应电机作为执行机构，理由是直线感应电机虽然比永磁直线同步电机的效率低一些，但它的动子可以采用整块铝板，动子质量小，运动时动子本身耗费的能量少，利于动子制动，而且可靠性高，可以避免同步电机永磁体可能失磁的问题。

2)电力调节分系统电压高达4kV，峰值电流高达18kA，美国研究人员采用基于IGBT的变频驱动装置解决了这个问题，但这是十几年前的方案，电力电子器件的发展日新月异，时至今天可采用基于IGCT或碳化硅等更高功率等级的器件，来解决电力调节分系统的高压大电流变频驱动问题。

3)能量存储分系统目前最为合适的应该是飞轮惯性储能，当前以它的能量密度最高，但不排除随着技术的进步，将来会有更为理想的储能装置，例如超级电容等。4)弹射控制分系统可直接借用工业领域类似的高性能控制系统，诸如高性能DSP、矢量控制算法、工业现场总线等技术为弹射控制分系统的硬件、软件及组网提供支撑。

上述系统方案代表了未来EMALS的发展方向。

4 EMALS技术的推广应用

在军用领域，虽然EMALS目前还只是作为航母上舰载机起飞的一个发射平台，但将来它所涉及到的相关技术可以应用到以下2个方面:一是高能电磁武器，以电磁炮为典型代表，它的特点是发射质量小但速度高;二是鱼雷、导弹、卫星甚至火箭等的冷发射装置，美国已经开始研究利用直线电机作为航天发射的平台，可以大大节省发射的费用。

EMALS还具备一个很重要的优势是，它所使用的技术具有通用性的特点，很容易应用到民用领域。例如，储能技术可以用于电网调峰，直线电机技术则可应用于民用轨道交通、工业传输等产业。EMALS涉及到的技术与民用领域相关的技术，可以起到互为借鉴、互为促进的效果。例如，EMALS使用的电力调节技术和弹射控制技术借用了民用领域有关的技术，但反过来，又可以进一步促进大功率电力调节技术和高可靠网络化控制技术在民用领域中的发展。

5 结语

航母舰载机采用电磁弹射助飞的好处毋庸置疑，它对航母战斗力的提升具有革命性的意义。美国EMALS成功实用化的事实启示我们，EMALS技术是下一代航母的标志性技术，是航母当前最佳的飞机弹射装置，中国应当开展电磁弹射有关技术的深入研究，实现未来航母弹射装置的跨越式发展，这是科技强军的必由之路。

电磁弹射技术不仅是具有战略意义的航母技术，它还能提升中国高能电磁武器等技术基础，并且能够带动相关工业产业链发展，推动国家工业建设和振兴经济，带来一系列显著的军事和民用效益。