厚积薄发: 中国电磁弹射技术惊艳全球
 金属风暴
大鱼号 05-11 10:40
随着美国的电磁弹射器在福特级新型航母上的测试成功，美分再次高潮，中国又输了。
中国真的输了吗？我看未必。普遍的观点是：中国连蒸汽弹射都不成熟，落后美国整整一个时代，何况电磁弹射这种高精尖技术！然而事实往往都是残酷的……

近几年来，“中国发展电磁弹射器”的说法，一直存在于坊间的传说之中，留给无数网友“不明觉厉”的印象。

日前，美国一网站公布的卫星照片，曝光了中国某地的露天电磁导轨高速牵引装置。该网站称其为继美国之后世界第二条电磁弹射器地面实验设施。这一消息，足够挑战人们的常识。

此消息在国内网络广泛发酵的同时，一篇中国工程院院士、海军工程大学教授马伟明少将在获国家科技进步奖时的获奖感言，被大面积转发。评论界普遍认为，这位国宝级的技术少将，所透露的信息是——中国电磁弹射技术研究已获成功。

美军为何要采用电磁弹射器？这是因为这种弹射器有很多优点，首先是加速均匀且力量可控。C-13-1型蒸汽弹射器发射是最大过载可以达到6g，而整个行程的平均加速度仅有2g多一点，F/A-18战斗攻击机飞行员常常调侃C-13-1弹射器在后段往往没有飞机自身的发动机加速得快。

美国的槽式结构

随着速度和气缸容积的增加，过热蒸汽的膨胀绝大多数能量用于蒸汽本身的加速和推动上了，而体积增加后气体膨胀所需蒸汽的比例成立方关系增加。蒸汽弹射器长度和气缸容积几乎达到极限，到弹射冲程的末端，蒸汽基本上只能加速活塞，对飞机的帮助不大。

电磁弹射器的推力启动段没有蒸汽那种突发爆炸性的冲击，峰值过载从6g可以降低到3g，这不仅对飞机结构和寿命有着巨大的好处，对飞行员的身体承受能力也是一个不错的改善。此外，由于电磁弹射的加速和弹射器的长度没有关系，除了受到气动阻力和摩擦阻力的影响外，弹射初段到末段的基本加速度不会出现太大的波动，这就比蒸汽弹射的逐步下降来得更有效率。根据计算，平均加速度一样时，电磁弹射器可以比蒸汽弹射击让飞机多载重8%~15%。

为什么中国的蒸汽弹射总是失败？因为，蒸汽弹射需要一个桶状的耐高压设施，该设施为整体铸造，长度为几十米，直线度及直径的精密度要求较高，我国的高精度数控加工及高精密铸造技术还不能满足这样苛刻的要求，至于理论技术，早就攻克了。

据悉，目前世界上已开展研制电磁弹射器的国家仅有美国、英国、前苏联和中国。建造1：1全尺寸大型电磁弹射器地面试验设施，仅有美中两国。

该图是马伟明院士在研究现场指导电磁弹射的技术难点

从美国网站公布的卫星照片推测，该试验装置总长大约为120至150米，其中电磁轨道估计长80米左右。

专家认为，能建造这样大规模的实验设施，证明中国已全面验证和掌握了大型直线感应电机、高强度强迫储能装置以及高性能脉冲发生器等电磁弹射器的关键技术。

“大型直线感应电动机、盘式交流发电机、大功率电力控制设备等，技术要求不算很高。”李小健透露，技术上的头号瓶颈，在于高强度强迫储能装置。

电磁弹射，要在短时间内释放出巨大能量，远远超出了航母发电机的最大瞬间功率。强迫储能装置的作用，就是平时慢慢储能，弹射时把巨大功率在几秒钟内释放出来。这与高铁机车这样的恒功率设备完全不同。

“蒸汽弹射器有储汽罐，可以把锅炉的蒸汽能量储存起来。”李小健解释道，“电磁弹射难就难在，电能不像蒸汽，不适合大容量储存。”

值得注意的是，研发电磁弹射器的美国通用原子公司，对强迫储能装置只字不提，可见其技术的高度机密性非同一般，想突破决非易事。

从这个角度看，中国电磁弹射系统研制成功的价值，着实非同一般。

在电磁弹射技术这块，当时国家早在2000年左右就已经拨款数十亿给一家科研机构，历时好几年没有研究成果，马伟明院士用100W完成了学术论证，但是在申请研发资金进行原型机试制时没有得到国家批准，原因是，国家的预算已经拨款给相应机构了。

这位和我是本乡本土的院士，同时也是校友的可敬的科研工作者，拿出了自己的科研创新奖励等一系列资金，达2000W，自己组建科研团队，历时2年研制成功小型样机，并于实验室取得了实验成功。

在递交研究成果时，7位中科院院士，80多名行业专家，说的最多的就是2个字“震撼”。在面临一面是投资数十亿历时多年最终落马，一面是自筹经费历时2年拿出小型样机的局面时，国家有点为难，同时也感慨万千。

电磁飞机弹射系统-关键技术

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。

马伟明院士

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。

强迫储能装置

强迫储能装置是电磁弹射器的一个瓶颈，在国防方面一直是高度机密的。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（目前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。

电磁弹射器难就难在电能不象蒸汽，根本不适合大容量储存，象储存弹射舰载机这样的能量更是难上加难。通用原子公司在实验电磁弹射器时对强迫储能装置只字不提，可见其技术的高度机密性非同一般，想突破也非易事。

美国卫星拍摄的中国电磁弹射实验基地

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。

某型舰船特种电力技术，目前只有个别发达国家掌握。马伟明率课题组集智攻关，提出了具有当今世界先进水平的设计方案。然而，没有人相信他们能搞出来，原因是我国在这方面技术积累不够。对此，马伟明横下一条心：“哪怕少活十年，也要攻下特种电力技术难关！”

经过5年的不懈冲刺，马伟明带领项目组完成了样机研制和试验的全过程，43项关键技术全部被攻克，申报国防专利32项。中国科学院、中国工程院7位院士在对这一重大成果评审时激动不已，认为这项重大关键技术的突破，其意义不亚于“两弹一星”和载人航天。