马伟明的故事 关于马伟明院士获奖和蒸汽弹射 电磁弹射的集中帖
1960年生于江苏扬中。在世界上最早提出“电力集成”理论,攻克制约国家、军队装备发展的重大技术难关近千个,有20多项成果为“世界首创”、“国际领先”。长期致力于舰船综合电力技术研究,先后承担国家和国防重大装备重点课题40多项,获得40多项发明专利,20多项关键技术成果居世界先进水平。由于贡献特别重大,2002年和2011年先后荣获两次一等功。
【重大贡献】
1、在国际上率先提出了 “电力集成”的技术思想,即用一台电机同时发出交流和直流两种电。当时在国内外电机界看来,这是不可能实现的“妄想”。但是,马院士经过10年的艰苦攻关,创立了三相交流和多相整流同时供电的发电机基本理论,攻克了该类电机电磁参数计算、系统稳定性等大量关键技术,成功研制出世界第一台交直流双绕组发电机供电系统!
2002年,交直流发电机工程样机通过鉴定,正式生产装备部队。从此,我国海军新型潜艇有了一颗强大的“心脏”。这颗“中国制造”的“心脏”不负众望:交直流混合发电供电系统不仅功率密度和可靠性高,而且占用体积小,军事和经济效益十分显著。
2、为满足大型战舰对舰载电力需求的快速增长,提出研制体积重量更小、发电容量更大的“高速感应整流发电机供电系统”的设想。当西方国家几年后才相继开展该项研究时,马院士已经成功研制出高速感应整流供电系统的全尺寸样机,又一次确立了我国在多相发电机整流供电系统理论研究和工程技术上的世界领先地位。
3、解决电机界的世界性难题——“固有振荡”。我国曾经从国外引进的十二相整流发电机,因为一直存在 “固有振荡”现象,从而影响了舰船动力安全。马院士经过无数次试验、无数组参数分析计算,在世界上率先建立了发现“振荡现象”的“判据公式”;在此基础上,历经1800多个日日夜夜的拼搏攻关,成功解决了固有振荡难题。
这一成果通过德温特(Derwent)世界专利索引公布后,国外公司只得高价购买该专利的使用权,而且国外公司还破天荒地将对外严密封锁的电机设计图纸交给我们,请求帮助审查,给予技术指导。
4、重大科研成果——“永磁直驱风力发电变流器”。该技术成功突破大功率变流器的多项关键技术和设计瓶颈,研制出具有自主知识产权的风力发电变流器,打破了西方国家的技术垄断。自从该项研究成功后,外国公司出口给中国的风力发电变流器便从每台230万元直降到每台98万元。
5、某型舰船特种电力技术,目前只有个别发达国家掌握。(蜀中行、刀口认为是航母舰载机电磁弹射器电力系统) 回顾2010年3月,美国政府问责署(GAO)针对航母项目发表的一份报告称,美国下一代航母还有三项技术(即先进阻拦装置、双波段雷达以及电磁弹射器)很不成熟,将为航母的建造成本及进度带来最大的风险。
而这三项关键技术的共同点是对“电”的特殊要求,所以,马院士突破的,也许不仅仅是电磁弹射这一领域的技术而已,(不负责任地推测)可能是突破了“未来舰艇电力支持综合系统”,解决往来舰艇能量、动力的核心问题。
据最近传出官方消息,暗示中国海军从九十年代末开始下水的新型宋级潜艇以及093/094 以及宋、元AIP潜艇全部装备了领先世界水平的电力系统,水下作战可以实现全电推进(超级安静和大容量大功率以及快速充放电),所以,当年的“宋祖英”是完全在技术能力之下的能力展示。
6、马院士领衔的科研团队中,有40多名教员、教授,80多名博士、硕士研究生,分别来自清华、北大、浙大、武大、上海交大、国防科大等15所名牌高校,在马院士的指导和培养下,他们已成为我国10多个技术领域的专家人才,其中不少人已经为祖国做出了重大贡献。
7、(略)……马院士贡献太多了,太重大了,他将永远激励着各个岗位的华夏儿女,是我心中当之无愧的“钱学森第二”。主要参考资料来源:清华大学官方网站
超大太空舰队资料搜集:美国、中国研制电磁弹射器的节点过程 [转帖没告知,见谅】1984-2011
到目前为止,美国在海军电磁弹射器上花费了28年的时间和32亿美金的经费,预计将在2014年服役的cv-78航母上正式使用这一设备,
1945年,美国海军就在夏威夷的陆地机场上和西屋公司建造了一台电磁弹射器,这台弹射器可以在178米的距离上把4吨重的飞机加速到180km/h。后放弃。
1992年美国和卡曼电磁系统公司签订风险承包合同,要求为新一代航母cvn-21研制全新的性能非凡的飞机电磁弹射起飞系统。
1998年完成小比例原理实验机。(卡曼没有采用前卫的超导体,而是使用可靠性和耐用性都较好的高强永磁和常规的铜绕组电磁技术,在能耗和体积重量上求得一个比较不错的平衡。在结束卡曼公司的先期前瞻性研究合同以后,考虑到减小技术风险)。
1999年美国海军通过竞标的方式让两个造船总承包商,诺思罗普.格鲁曼公司和通用电气分别获得6177万美元展开工程型号前的验证原形机的建造。
2003年诺格公司先期展示了一台长度50米的1:4的缩比样机,
(18米缩比模型所显示的效率仅58%,而50米1/2模型显示效率仅有63.2%,)
中国的过程:
(2008年岁末,包括7位院士在内的80多位知名专家学者齐集海军工程大学,参加马伟明院士的科技成果鉴定会。面对马伟明院士和他的创举,所有的人都称惊道奇,所有的人都为之震撼。
2006年出论证报告。
2008年研制成功了小型样机
2009年1:1样机单元部件的研制。
2010年全尺寸样机。
2011年进行实验????)
2003年美国海军和通用电气签订合同要求花费7年时间完成循环变频器的实体工作。
2009年6月主承包商通用原子公司被授予了一份价值5.73亿美元的合同为CVN78建造舰载电磁弹射器,其中包括改装密封条的费用。
2009年7月——2010年1月12日,全尺寸试验开始
2010年3月6日电磁弹射器的试验工作又重新开始进行。
2010年8月电磁弹射器项目已达到全部研发里程碑。
2010年7月13日通用原子公司走出了极为不寻常的一步——其就未来将装备在“福特”级航母上的先进阻拦装置以及电磁弹射器(EMALS)项目签订了一份价值6.762亿美元的固定价格合同。
2010年9月才是真正的关键时刻,到那时电磁弹射器将首次弹射飞机起飞。
上海的网传电磁实验的图【老图】
对比老美的图
1 航空母舰弹射器介绍
重型飞机要想从航空母舰上起飞,必须有蒸汽弹射器。在飞机起飞前,由位持器钢圈把尾部扣在一个坚固点上,飞机前轮附近的牵引杆垂落到一个“滑梭”内,滑梭以挂钩钩住飞机。
滑梭是蒸汽弹射器唯一露在飞行甲板上的零件。飞机前面的甲板下,有两个平行圆筒,每个至少长45米,筒中的活塞与所有滑梭相连。蒸汽由母舰上的锅炉输出,增压后输入滑梭。飞机起飞时开足马力,但被位持器扣住。
蒸汽弹射器一启动,飞机引擎的动力加上蒸汽压力,使钢圈断开,飞机前冲,在45米距离内达到时速250千米。飞机弹射起飞脱离滑梭后,活塞前端的注管就落入水池,在几米的距离内停顿,滑梭移回原位,推动另一架飞机起飞。母舰上每个蒸汽弹射器每分钟可推动两架飞机起飞。通常航空母舰最多装设4个蒸汽弹射器。
要构件包括三部分:
(1)弹射器做动系统:开口活塞筒体、活塞环、引出牵引部分、U型密封条、导气管、模度气动阀门、排气阀、安全阀、测距仪、压力传感器。
(2)弹射器附属系统:海水淡化设备、贮水池、高压水泵、锅炉、加热装置。
(3)弹射器控制系统和导流板。
下面,具体介绍如下:
一、海水淡化设备及贮水池
航母即使没有弹射器(如采用滑跃起飞的),也有海水淡化设备及贮水池,因为生活用水、机器用水也需要淡水,从陆地上补给淡水只是一些近海防卫型护卫舰的办法。有了海水淡化装置,军舰远洋作战能力大大增强,对补给依赖低,而航母是远洋型军舰,不能没有海水淡化装置。
有弹射器的航母,不仅生活淡水消耗量大,而且弹射器消耗量更大,根据美军记录:每起飞一架飞机,约消耗1吨淡水。目前,海水淡化技术比较成功的有低压蒸馏及膜透法。其中膜透法已广泛用于民用海水淡化水厂。当然,有了淡化设备还必须有贮水池,用于贮备淡水。
二、高压水泵、锅炉和加热装置
高压水泵的用途是把淡水从贮水池中抽入锅炉,以抵消释放蒸汽而消耗的淡水。由于锅炉在使用时压力很高,高压水泵必须有很高的压力才能把水补充进去,所以高压水泵不仅要有强大的动力以形成很高的压强,而且要有很高的抗压性,对轧钢和焊接工艺提出很高的要求。高压水泵是根据锅炉内淡水量的多少自动补充的,不过早期的是手动控制的,显得比较落后。
锅炉是提供蒸汽的设备,实际上锅炉就是一个储能装置,民用的锅炉比较多,航母用的锅炉原理上与民用没什么区别,但航母的锅炉更大、耐压性能更高,安全标准更高。即使如此,美国与英国航母还是发生过锅炉爆炸和烫死人的事故。高压锅炉对水质的要求也高,高盐、高硬度的海水根本不能进入锅炉。锅炉工作时要消耗大量蒸汽,如果以最小间隔进行弹射,需要消耗航母锅炉20%的蒸汽。
加热装置很多,美国现役核动力航母都是利用反应堆加热,以保证其有足够的能量释放给弹射器。加热装置也是受控的,但在战争时期锅炉是不能熄火的,以保证紧急情况下随时起飞飞机。不能熄火,就意味着锅炉随时消耗大量的能源,如果是常规动力航母,其燃料费用十分巨大。美军之所以发展核动力航母,也是为了在经济上节省能源开支,毕竟从长期来看,核动力运行成本较便宜。
三、开口活塞筒体、活塞、引出牵引部分和U型密封条
航母所用的弹射器早期采用闭口活塞,不过需要一个非常长的动力传动杆把蒸汽能量传给需起飞的飞机,由于几十米长(近百米)的传动杆中间无支点,导致存在传动杆下垂现象,而且会经常把传动杆顶弯的事故发生。
后来工程技术人员把传动杆推力改为拉力起飞,解决了这个问题,但发现活塞与传动杆连在一起重量实在太重(大部分重量是传动杆),由于起飞时间短,蒸汽做功很大一部分都消耗在做在了活塞与传动杆上,而且停止时还必须用缓冲器。
后来工程技术人员采用活塞开口,活塞环的动能直接从开口处把能量传出去,由于取消了传动杆,大大减少了重量,也同时提高了效率,可以毫不夸张地说:这是一场弹射器的**,这种方法一直沿用至今。
2 航空母舰弹射器介绍
当然,由于采用了开口活塞筒,其开口对称的筒壁就需要相应加厚,否则在蒸汽的高压下,开口处会增大,导致密封不紧、蒸汽外泄。实际上,除对称筒壁加厚外,开口活塞筒外壁也要加固。
由于采用了开口活塞筒,最大的麻烦是活塞的密封刀经过开口时的密封问题。其实,弹射器活塞与普通活塞没什么两样,不过弹射器上的活塞较长一点,一是增强其稳定性,二是由于密封刀必须非常薄,而推力又比较大,所以只有增加密封刀宽度才能解决问题,而密封刀宽度增加了,活塞也需加长一点。
不过,虽然活塞长了,重量并不增加多少,原因是其中间是空的(并非完全空,还有部分钢构),而且活塞为双向密封的。
引出牵引部分是通过密封刀与外部件连接起来的,但弹射器最大的麻烦之处就在于密封刀与U型密封条的结合处。由于密封刀经过时必须把U型密封条在接口处顶开,顶开后与密封刀接缝处肯定会泄漏蒸汽,如果U型密封条的密封力很大,密封效果肯定很好,但密封刀阻力也会越大,U型密封条磨损也就越快,所以为了很好地解决密封、运行阻力及U型密封条磨损问题,美国率先采用了“高压细流水密封技术”解决了这个问题。
虽然还会有些蒸汽外泄,但密封刀的磨擦阻力与U型密封条磨损率已经大大降低。不过,不要认为这样就完美了,U型密封条磨损仍然是困扰弹射器的最大心病,日常维护与检修都相当麻烦,虽然一直在不断改进材质及采用新技术,但至今仍不能令人满意,美军对此意见很大。
四、导气管、模度气动阀门、排气阀和安全阀
导气管是把锅炉里的蒸汽导入弹射器,以迫使弹射器工作。模度气动阀门的作用是控制蒸汽进入的速度。由于气动模度阀门有开关迅速及开度易控制的特点,所以气动模度阀门可以控制蒸汽压力而达到控制弹射器的目的。排气阀作用是把活塞筒内的蒸汽排出去。安全阀是为了防止弹射器筒体内压力过高而采用的保护设备。
五、测距仪、压力传感器及控制系统
安装在弹射器上的测距仪可以精确地测出弹射器位置及弹射器的速度,而两侧的压力传感器可精确地读出弹射器内的压力,这些数据以极快的速度送入智能控制处理器(相当于PLC)。智能控制器处理这些数据后,准确控制气动模度阀门,从而达到起飞飞机的目的,也能通过控制气动阀门使弹射器返回原来位置。
弹射器还装有其它仪表,如锅炉水位计、温度计、压力传感器等,这些都要由智能控制器总体控制、统一管理,这样才能使弹射器效率大大提高。
六、燃气导流板
在弹射前,舰载机的喷气发动机已经全速运转,会向后喷射出高温高速燃气流,对后面的人员和器材危害甚大。这时,弹射器后方张起的挡板可使燃气流向上偏转,不会喷向后面甲板,这些挡板叫“偏流板”或“燃气导流板”。
一般来讲,每个弹射器后面有一组共3块燃气导流板。当单发飞机起降时张开正中一块;当双发飞机起降时三块都张开。为降低燃气流的灼热温度,燃气导流板后面都装有供冷却水循环流动的格状水管。燃气导流板要求耐高温、耐冲击,能经受忽冷忽热和飞机降落时的强大冲击力,加工制造难度很大。
七、其他设备
其实,不要以为以上这些就是航母弹射器的全部设备,实际上还有弹射器固定装置、降温装置、专用维修工具和专用维修通道等。为了保证弹射器正常运行,航母上每天有数十人(至少40-50人)为运行、维护和保养弹射器而忙碌不已。
其实就是蒸汽机的工作原理 化学能-内能-机械能
主要是一个汽缸,汽缸运动到右侧末端时,打开右侧进气阀向汽缸右侧冲高压水蒸汽,打开左侧排气阀,高压水蒸汽推动活塞向左运动,运动最左端时,打开左侧进气阀关闭右侧排气阀,向汽缸左侧冲高压水蒸汽,使汽缸活塞向右运动。
将汽缸活塞的往复运动通过联杆滑块曲轴转化为旋转运动。各阀门的开关也是通过联杆滑块带动滑阀进行的。常见在老式蒸气机车(火车)上,因效率低、烧煤灰大、污染大被淘汰。
蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机的出现曾引起了18世纪的工业革命。直到20世纪初,它仍然是世界上最重要的原动机,后来才逐渐让位于内燃机和汽轮机等。
16世纪末到17世纪后期,英国的采矿业,特别是煤矿,已发展到相当的规模,单靠人力、畜力已难以满足排除矿井地下水的要求,而现场又有丰富而廉价的煤作为燃料。现实的需要促使许多人,如英国的帕潘、萨弗里、纽科门等就致力于“以火力提水”的探索和试验。
萨弗里制成的世界上第一台实用的蒸汽提水机,在1698年取得标名为“矿工之友”的英国专利。他将一个蛋形容器先充满蒸汽,然后关闭进汽阀,在容器外喷淋冷水使容器内蒸汽冷凝而形成真空。
打开进水阀,矿井底的水受大气压力作用经进水管吸入容器中;关闭进水阀,重开进汽阀,靠蒸汽压力将容器中的水经排水阀压出。待容器中的水被排空而充满蒸汽时,关闭进汽阀和排水阀,重新喷水使蒸汽冷凝。如此反复循环,用两个蛋形容器交替工作,可连续排水。
萨弗里的提水机依靠真空的吸力汲水,汲水深度不能超过六米。为了从几十米深的矿井汲水,须将提水机装在矿井深处,用较高的蒸汽压力才能将水压到地面上,这在当时无疑是困难而又危险的。
纽科门及其助手卡利在1705年发明了大气式蒸汽机,用以驱动独立的提水泵,被称为纽科门大气式蒸汽机。这种蒸汽机先在英国,后来在欧洲大陆得到迅速推广,它的改型产品直到19世纪初还在制造。纽科门大气式蒸汽机的热效率很低,这主要是由于蒸汽进入汽缸时,在刚被水冷却过的汽缸壁上冷凝而损失掉大量热量,只在煤价低廉的产煤区才得到推广。
1764年,英国的仪器修理工瓦特为格拉斯哥大学修理纽科门蒸汽机模型时,注意到了这一缺点,并于1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机,并于1769年取得了英国的专利。初期的瓦特蒸汽机仍用平衡杠杆和拉杆机构来驱动提水泵,为了从凝汽器中抽除凝结水和空气,瓦特装设了抽气泵。他还在汽缸外壁加装夹层,用蒸汽加热汽缸壁,以减少冷凝损失。
1782年前后,瓦特将机器进一步改进,完成了两项重要发明:在活寒工作行程的中途,关闭进汽阀,使蒸汽膨胀作功以提高热效率;使蒸汽在活塞两面都作功(双作用式),以提高输出功率。这时的活塞既要向下拉动杠杆又要向上推动杠杆,扇形平衡杠杆和拉链已不再适用,瓦特使发明了平行四边形机构。瓦特还于18世纪末将曲柄连杆机构用在蒸汽机上。
瓦特的创造性工作使蒸汽机迅速地发展,他使原来只能提水的机械,成为了可以普遍应用的蒸汽机,并使蒸汽机的热效率成倍提高,煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽机最主要的发明人。
自18世纪晚期起,蒸汽机不仅在采矿业中得到广泛应用,在冶炼、纺织、机器制造等行业中也都获得迅速推广。它使英国的纺织品产量在20多年内(从1766年到1789年)增长了5倍,为市场提供了大量消费商品,加速了资金的积累,并对运输业提出了迫切要求。
在船舶上采用蒸汽机作为推进动力的实验始于1776年,经过不断改进,至1807年,美国的富尔顿制成了第一艘实用的明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙脱”号。此后,蒸汽机在船舶上作为推进动力历百余年之久。
1801年,英国的特里维西克提出了可移动的蒸汽机的概念,1803年,这种利用轨道的可移动蒸汽机首先在煤矿区出现,这就是机车的雏型。英国的斯蒂芬森将机车不断改进,于1829年创造了“火箭”号蒸汽机车,该机车拖带一节载有30位乘客的车厢,时速达46公里/时,引起了各国的重视,开创了铁路时代。
19世纪末,随着电力应用的兴起,蒸汽机曾一度作为电站中的主要动力机械。1900年,美国纽约曾有单机功率达五兆瓦的蒸汽机电站。
蒸汽机的发展在20世纪初达到了顶峰。它具有恒扭矩、可变速、可逆转、运行可靠、制造和维修方便等优点,因此曾被广泛用于电站、工厂、机车和船舶等各个领域中,特别在军舰上成了当时唯一的原动机。
蒸汽机按蒸汽在活塞一侧或两侧工作,可分为单作用和双作用式;按汽缸布置方式,可分为立和卧式;按蒸汽是在一个汽缸中膨胀或依次连续在多个汽缸中膨胀,可分为单胀式和多胀式;按蒸汽在汽缸中的流向,可分为回流式和单流式;按排汽方式和排汽压力可分为凝汽式、大气式和背压式。
简单蒸汽机主要由汽缸、底座、活塞、曲柄连杆机构、滑阀配汽机构、调速机构和飞轮等部分组成,汽缸和底座是静止部分。从锅炉来的新蒸汽,经主汽阀和节流阀进入滑阀室,受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧,推动活塞运动。
蒸汽机的发展首先体现在功率和效率的提高,而这又主要取决于蒸汽参数的提高。初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11~0.13兆帕,19世纪初才达到0.35~0.7兆帕,20世纪20年代曾用到6~10兆帕。在蒸汽温度上,19世纪末还不超过250℃,而到20世纪30年代曾用到450~480℃。
至于效率,瓦特初期连续运转的蒸汽机,按燃料热值计总效率不超过3%;到1840年,最好的凝汽式蒸汽机总效率可达8%;到20世纪,蒸汽机最高效率可达到20%以上。
在转速方面,18世纪末瓦特蒸汽机仅40~50转/分;20世纪初转速达到100~300转/分,个别蒸汽机曾达到2500转/分。在功率方面,最初单机功率仅几马力,20世纪初的一台船用蒸汽机的功率可达25000马力。
随着蒸汽参数和功率的提高,蒸汽已不可能在一个汽缸中继续膨胀,还必须在相连接的汽缸中继续膨胀,于是出现了多级膨胀的蒸汽机。蒸汽机因受到润滑油闪点的限制,所用蒸汽的最高温度一般都不超过400℃,机车,船用等移动式蒸汽机还略低一些,多数不高于350℃。
考虑到膨胀的可能性和结构的经济性,常用压力在2.5兆帕以下。蒸汽参数受到限制,从而也限制了蒸汽机功率的进一步提高。
蒸汽机的出现和改进促进了社会经济的发展,但同时经济的发展反过来又向蒸汽机提出了更高的要求,如要求蒸汽机功率大、效率高、重量轻、尺寸小等。尽管人们对蒸汽机作过许多改进,不断扩大它的使用范围和改善它的性能,但是随着汽轮机和内燃机的发展,蒸汽机因存在不可克服的弱点而逐渐衰落。
蒸汽机的弱点是:离不开锅炉,整个装置既笨重又庞大;新蒸汽的压力和温度不能过高,排气压力不能过低,热效率难以提高;它是一种往复式机器,惯性力限制了转速的提高;工作过程是不连续的,蒸汽的流量受到限制,也就限制了功率的提高。
因此,抛弃了笨重锅炉的内燃机,最终以其重量轻,体积小、热效率高和操作灵活等优点,在船舶和机车上逐渐取代了蒸汽机。汽轮机则以其热效率高、单机功率大、转速高、单位功率重量轻和运行平稳等优点,将蒸汽机排挤出了电站。
接着电动机又以其使用方便,代替了蒸汽机在工业设备中的应用。然而小功率蒸汽机热效率比汽轮机高,所以在产煤区或只有劣质燃料的地区或某些特殊场合,蒸汽机仍有发挥作用的余地。
蒸汽机有很大的历史作用,它曾推动了机械工业甚至社会的发展。随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础;汽轮机继承了蒸汽机以蒸汽为工质的特点,和采用凝汽器以降低排汽压力的优点,摒弃了往复运动和间断进汽的缺点;内燃机继承了蒸汽机的基本结构和传动形式,采用了将燃油直接输入汽缸内燃烧的方式,形成了热效率高得多的热力循环;同时,蒸汽机所采用的汽缸、活塞、飞轮、飞锤调速器,阀门和密封件等,均是构成多种现代机械的基本元件。
电磁弹射器包括: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。
分别介绍如下:
1、 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5~8万KVA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。
2、 强迫储能装置
强迫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。强迫储能装置原理不复杂,但实施起来很麻烦。
早期美国使用的强迫储能装置是这样的: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。但需要说明的一点是,这里的电动机既不是鼠笼式电机,也不是绕线式电机,还是转子有一家电感及线圈的电机。
后来,美国佬干脆用高性能电池代替,为此老美子采用了上万个高性能抗冲击负荷的电池,每个单体电池最大做功能达到5~10KW,有效时效为35S,弹射器工作时由发电机和电池同时为弹射器做功,做功后的电池因强制放电而电压降低,但弹射器工作完毕后发电机将完成对电池的充电。
这里也需要说明的一点就是大家不要把这里的电池当成日常生活的铅酸电池,这里的电池内阻很低,有很强的抗冲击能力及快速复充电能力。
但目前美国佬使用的强迫储能装置都不是以上两种。
3、 导轨
电磁弹射器的导轨与电磁轨道炮的差异很大,也比其复杂的多。
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。
4、 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。 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。 电磁弹射的工作原理
通电导体在磁场中会受到磁场力的作用,电磁弹射就是用强电流通过电磁铁产生强磁场作用于连接飞机的牵引器上,牵引器位于磁场中的部分通强电流,就会受到磁场力作用产生加速度,使之带动飞机作加速运动,达到起飞速度后飞机脱离飞行甲板起飞。这就是所谓的电磁弹射的基本原理
电磁弹射器五大优势
法国航宇防务网站去年11月载文声称,就技术特性而言,电磁弹射器的优点主要有如下5点:
1.使用范围更广:无论是未来可能出现更重的飞机,还是当前小而轻的无人机,电磁弹射器都可以弹射。
2.可用性得到了提高:当前使用的蒸汽弹射器的两次重大故障间的平均周期是405周,而电磁弹射器可以达到1300周。
3.减少了运行和支援费用:只需要90人就可以操作它,比蒸汽弹射器节省30人。
4.提高了能量利用率:电磁弹射器的效率大约是蒸汽弹射器的10倍,约为60%左右。
5.减少对舰上辅助系统的要求:蒸汽弹射器依赖于航母提供的大批辅助系统,电磁弹射器则简化了许多,它从关闭状态到待用状态的时间不到15分钟,这让蒸汽弹射器望尘莫及。
美国海军将新型核动力航母定为“CVN-21”级,以取代现役的“尼米兹”级核动力航母,将要装备4台电磁弹射器的“福特”号航母,正是该级航母的首舰。
“福特”号航母在作战效能上优于“尼米兹”级航母,电磁弹射器是个决定性因素。美国海军技术网站的文章声称,在电磁弹射器投入使用后,“福特”号航母的飞机正常出动每天可达160架次,而现役尼米兹级航母每天正常出动120架次。
在形势瞬息万变的现代海战中,这种差异往往决定一场战争的胜负。可以认为,如果说蒸汽弹射器代表了20世纪的舰载机起降技术,那么电磁弹射器,确定了美国航母在新世纪继续领跑的地位。
蒸汽弹射与电磁弹射之间没有很大的技术继承性,从科技树来看,就是在两条不同的分支上,所以根本就不存在“要发展弹射必然需要蒸汽弹射”这样的命题
