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中国航母电磁弹射研制完成 技术与美国平起平坐

subtitle 了不起的中国制造 06-20 07:07 跟贴 18642 条
要突破电磁弹射技术,人们需要在初级能源获取系统、储能系统、功率转换系统、能量传输系统、控制系统、直线感应电机等方面实现突破。而航母电磁弹射“国宝级”技术少将马伟明曾透露,中国电磁弹射技术研究已获成功。

  出品| 网易新闻学院

  作者| 肖宁

  当今高科技装备的发展,我们经常会看到一个现象:对于某一个高新技术的研发,当问及那个国家是该领域的领先者,人们通常会说:“美国!”,如果有其他国家也在该领域进行探索和研究,人们也多半认为美国会比其他国家要领先。

  不过,这样的情况也在逐渐被打破,随着各国越来越重视高科技领域的投入,借助自身优势,在某些领域赶超或领先美国,并非那么不可预见了。在海军武器研制领域,中国在一项关键技术的研发上——航母舰载机电磁弹射系统,已经开始赶超世界航母强国——美国了。

  (一)舰载机弹射技术发展史

  舰载机是航母打击力量的核心。航母战斗群的作战都是围绕着舰载机的使用展开,如何将机库中装运的七八十架战斗机快速而高效地派出,关键靠的是弹射器。

  1、早期压缩空气进行弹射

  早在一战前,当人们准备将作战飞机装上军舰使用时,对于战斗机的起飞方式,就尝试过多种形式。1912年,美国海军就开始尝试使用压缩空气作为弹射能源,在军舰上弹射作战飞机。但早期技术过于粗糙,弹射失败,试飞员费了半天劲才从掉进水里的飞机残骸中爬出逃生。

  优点:经过科学家对早期弹射技术的研究,逐渐摸索出如何安全地使用压缩空气进行弹射。那个年代的战列舰和巡洋舰等大型战舰,大多带有2-3个弹射架,可以弹射水上飞机,用于对海侦察。

  缺点:但这些弹射架体型过于庞大,一般一次只能弹射一架飞机,且准备时间过于漫长,基本上无法应付高强度的弹射作业。这时候的舰载机弹射技术只能算是处于初级阶段。

  2、二战末期的液压弹射器

  时间进入二战,大型航母出现在海军列强的装备序列中。动辄几十架的载机规模,仅仅依靠两三个弹射架,是远远不够。设计者参照办陆地机场起飞的模式,将航母的甲板设计得尽可能的长和宽,以满足舰载战机在满载油弹时的最短滑跑起飞距离。二战早期的舰载战机相对较轻较小,航母的甲板长度也不过240多米,但随着战事的需求,战斗机越造越大,到了二战末期,航母的甲板长度已经达到260多米。不要小看这20米的差距,这已经是当时的舰船设计者对于建造技术和战术需求的最大妥协。航母的尺寸不可能无止境的延长或加宽,航母的尺寸只能在一定的范围内进行平衡取舍。

  二战末期,美英等国航母开始装备结构相对简单的液压弹射器,弹射器的应用,提高了舰载机的起飞效率。缩短了舰载机的起飞距离,腾出了宝贵的空间,飞行甲板得以停放更多的待起飞战机。相反,日本海军航母一直没有装备弹射器,舰载机的起飞作业效率一直不高,重量大的新型舰载机无法顺利起飞,不得不借助助推火箭来加速。

  3、二战后的喷气时代

  二战后,航空器迈进喷气时代。喷气式战斗机的航程、速度和火力性能都要超过采用螺旋桨的活塞式战斗机,舰载式喷气机亦是如此。但问题随之而来,喷气式舰载战斗机也比活塞式舰载战斗机重了很多,二战期间的美国海军F-6F舰载战斗机满载起飞重量6吨多,而到越战期间美国海军的主力舰载战斗机——F-4的满载起飞重量已经接近18吨。而在滑跑距离方面,F-6F可以在260多米的埃塞克斯级航母上起飞,而F-4的地面起飞滑跑距离已经达到1370米。

  4、“全能选手”蒸汽弹射技术诞生

  仅仅依靠飞机自身的动力,绝对无法将一个接近20吨的铁家伙从200多米的距离内推离甲板。弹射技术再一次被美国海军看中,开始研究使用舰载机蒸汽弹射技术。

  简单地说,蒸汽弹射就是将蒸汽转化为动力,推动活塞,将挂在牵引轨道上的飞机弹射出去。弹射器轨道位于航母主甲板上,牵引杆在弹射前从轨道上拉回起点挂住舰载机前轮,地勤人员通过对即将起飞的舰载机称重,确认弹射器释放能量。

  一切就绪后,弹射器释放,同时舰载机的发动机也开加力到最大动力输出状态,牵引杆牵着战斗机前轮急速前进,在轨道末端松脱,舰载机被弹射入空中,依靠自身动力持续爬升。

  蒸汽弹射器原理

  蒸汽弹射技术的应用,使得掌握了该技术的海军国家航母战术使用跃升到新的水平,例如美国和英国;而没有掌握该技术的国家,例如苏联,无法研制和装备真正意义上的现代化航母。

  目前现役装备数量最多的蒸汽弹射器,是美国研制的C-13系列蒸汽弹射器,它能够将36吨的战机用3秒的时间,在90余米的行程内加速到140节。C-13可以弹射美海军多型主力舰载战机,从轻型的T-45舰载教练机,到重型的E-2D舰载预警机,从目前居打击力量主力的F/A-18“超级大黄蜂”舰载战斗机,到未来即将大批服役的F-35C“闪电II”舰载战斗机,C-13都能胜任。但在“全能选手”的光环背后,蒸汽弹射器也有着自己的不足。

  法国戴高乐号航母安装了两套短版的C-13-3蒸汽弹射器。(资料图)

  蒸汽弹射器从数据看上,貌似可以给几十吨的战机赋予6个G 的大过载(6倍自身重力),但这个数据会在90多米的行程中快速下降,美海军飞行员就调侃说弹射器在行程末端,基本上只能加速活塞部件自身,而对飞机的作用不是那么大了。而且这种6个G,不仅连身体强壮的飞行员吃不消,就连钢筋铁骨的战斗机也吃不消,机体寿命会因弹射次数的增多而降低。

  蒸汽弹射器结构复杂,维护保养较为繁琐,当航母进港修整时,最辛苦的就是蒸汽弹射器的维护人员,他们需要拆开弹射器,细心维护,弹射器部门的维护人员数量达500人之多,几乎占到美军航母全体舰员数量的六分之一。

  蒸汽弹射器在运行时,会消耗大量的蒸汽,而航母的航行也需要依靠蒸汽动力。有统计,美海军尼米兹航母在连续进行8次弹射作业后,航母的航行速度会有明显的降低。

  美海军尼米兹航母

  另外,航行在大海上的航母本身虽然有海水淡化能力,但在耗水大户的蒸汽弹射器面前,“出手”也显得不是那么阔绰。

  综上所述,作为航母强国的美国海军,很早就开始探索更加先进的舰载机弹射技术。

  美国“重价”研究电磁弹射技术

  从发展的眼光来看,更重的舰载机是美海军研究新型弹射技术的初衷之一,但更轻的无人舰载机也是重要诱因,传统的蒸汽弹射器那粗暴的运作方式,对于轻巧的无人机而言,可能不是最佳选择。

  电磁技术是个好东西,这一点美国在上个世纪四十年代就知道了。美海军与西屋公司合作了一条421米长的电磁弹射器。这部弹射器在试验中,可以将一架4吨重的飞机在178米的距离内加速到180千米/小时的速度。不过由于当时无法将电力装置小型化上舰使用,加之制造耗铜量极大,这部弹射器最终被束之高阁。

  1992年,美国军方再次对电磁弹射器的研究展开攻关。这次的合作对象是卡曼电磁系统公司。该公司在设计制造高楼使用的高速电梯和游乐场使用的弹射类游乐设施方面经验丰富,这些都要应用到电磁推进技术,而且这些设备的应用都是基于长期可持续运行的需求,这一点与美海军的弹射器用途不谋而合。

  美海军与卡曼的此项研究,其目标是旨在将36吨重的F-14战斗机在3秒内加速到277千米/小时的速度,从而实现弹射起飞,且其弹射器的尺寸和重量都要控制在现有C-13弹射器的一半以内。卡曼公司的研制是基于可靠性和耐用性都不错的铜绕组电磁技术,虽然稳定可靠,但是对达到美海军的具体战术指标还比较远,最终卡曼公司的研究只是用于前瞻性技术研究。

  上个世纪九十年代末,美国海军提出下一代全电军舰的概念构想,准备在新研制的下一代航母上用电磁弹射技术取代蒸汽弹射。1999年,美国诺格公司和通用原子公司就一项验证原理样机的合同展开竞标,2004年两公司完成全系统实验验证,经过比较,美海军最终将舰载机电磁弹射系统的研发合同交给了通用原子公司。

  将电磁技术应用于军事用途,并不仅仅是电磁弹射,电磁炮也是重要应用之一。两者的区别就是电磁炮的发射体质量从几十克到几十千克不等,而电磁弹射器是几千克到几十吨不等;电磁炮加速的炮弹速度要达到2.5千米/秒(7马赫)的高速,从而获得远射程和高毁伤率,而电磁弹射器只需将飞机弹射加速到几十米/秒或几百米/秒,末端速度要比电磁炮低得多;发射频率上,电磁弹射器每分钟弹射一次即可,而电磁炮的射速可能高达百发/分钟或以上。

  由此可见,电磁弹射器无法采用电磁炮的发射原理,两者只能是电磁加速器技术的不同分支。

  电磁弹射示意图

  电磁弹射器也是安装在航母甲板上,其架构相比蒸汽弹射器要小巧很多,没有了复杂的管路,在三百米长的轨道上,安装了两组电磁线圈——轨道下方安装定子线圈,而负责牵引舰载机弹射的往复车上则安装转子线圈。弹射时,电力系统向轨道上的线圈传输电流,由于电磁感应作用,沿着轨道会产生不断向前运动变化的磁场。该磁场与往复车上的转子线圈磁场相互作用,产生推力推动往复车向前运动加速,送而带动舰载机飞离甲板。这里面应用到的是磁极互斥的原理,只是我们日常接触的普通磁铁互斥力微弱,只能将两块不同磁极的磁铁微微震荡开,而弹射器线圈的互斥力强劲,能将几十吨重的战斗机“扔”上天。

  知易行难,要突破电磁弹射技术,人们需要在以下几个方面获得突破。

  初级能源获取系统:电磁弹射器会在3秒内消耗掉巨大的能量,普通舰船的电网功率已经无法承受。新型的全电舰船需要一个专门的系统来从舰船的电力供应网络中获取足够多的电能。

  储能系统:这里所说的储能装置不是通常理解的电池,而是一个能量蓄积装置。目前已知的成熟储能装置,是利用航母电网的电力,驱动电动机,带动大直径和大重量的机械陀螺飞轮高速旋转,把电能转化为机械能。在释放时,再采用脉冲交流发电机技术,把飞轮储存的机械能瞬间转化为脉冲电能释放。这种飞轮储能系统,每次能够储存100兆焦的能量,1分钟即可储能完毕。

  功率转换系统:轨道线圈和往复车线圈之间,在弹射时需要产生恒定的、处于激励状态的磁场,其频率和电压都需要相对稳定,实现高效率的恒定加速。

  能量传输系统:该系统主要负责短时间内高效地把电流分配到轨道线圈和往复车线圈中去。

  控制系统:电子系统的引入,使以往粗暴的弹射作业变得更加的精细化,从而对控制以及测量的需求也更加地精准。尤其是对于弹射目标的变化,轻小的无人机和笨重的预警机,弹射的控制操作是不一样的,将舰载机“扔“出去的这一下子,应该特别稳定。这样也有利于延长舰载机的机体寿命。

  直线感应电机:该电机的工作原理类似于磁悬浮列车,在轨道线圈和往复车线圈之间产生一个沿直线方向的作用力,带动舰载机离舰。

  电磁弹射装置地面试验系统

  经过多年的摸索与研究,通用原子公司的电磁弹射器于2010年开始静载荷弹射实验。

  实机地面弹射测试方面也陆续取得成功,2010年6月1-2日,成功弹射T-45“灰鹰”舰载教练机, 2010年6月9日至10日,成功弹射C-2“灰狗”舰载运输机, 2010年12月18日,成功弹射F / A-18E“超级大黄蜂“舰载战斗机, 2011年9月27日,成功推出E-2D“先进鹰眼”舰载预警机,2011年11月18日,成功弹射F-35C“闪电II”舰载战斗机。

  目前通用原子公司的电磁弹射器技术指标已经对C-13型蒸汽弹射器实现全面碾压,其储能规模为122兆焦(C-13为95兆焦),被弹射物质量为200千克-35吨之间(C-13为27.6吨),末速度范围为55节-200节之间(C-13为175节),总质量为280吨(C-13为538吨),总体积为425立方米(C-13为1135立方米)。

  可以说至此,美军的电磁弹射器技术验证已经完成地面试验阶段,美国海军的“福特”号航母也已经于2017年5月正式入役,在接下来的三年中,美海军将集中进入电磁弹射器的海上试验阶段,真正的挑战才刚刚开始。

  美国“福特”号航母

  中国航母舰载机电磁弹射技术的突破

  中国人的百年航母梦圆于2012年9月25日,中国海军第一艘航空母舰辽宁舰正式服役。辽宁舰的前身是苏联海军未完工的“瓦良格”号航空母舰。跟美国海军尼米兹级核动力航空母舰相比,“瓦良格”有着天生不足——没有配备舰载机弹射装置。苏联/俄罗斯在航母作战理论和经验上的不足,再加上舰载机的携带数量有限,在战斗效能上,与美军航母还有着比较大的差距。

  要想真正获得航母作战的撒手锏,弹射器成为中国海军一道绕不过去的坎。

  2011年前后,国内的军事论坛上陆续出现了一些与弹射装置相关的图片,类似长距离大推力直线电机等。敏锐的军迷发现,这些信息与传统航母所使用的蒸汽弹射器并不相符,其矛头直指技术更加先进的电磁弹射器。

  2014年,国外网站陆续曝光了一批中国某地的卫星照片。该网站还介绍,通过分析照片上的信息,得出结论——中国正在研制电磁型导轨式高速牵引装置的工程样机,中国成为继美国之后,第二个建成航母电磁弹射器地面试验设施的国家。

  位于中国东部某大城市附近的中国航母装备陆上实验设施

  一时间,中国航母进入电磁弹射时代的争论沸腾于各大军事论坛。军迷们不敢想象,当辽宁舰还在摸索舰载机滑跃起飞的作战战法时,我们国家的科研人员已经站在了与美国人一样的起跑线上,越过蒸汽弹射器,开始朝着航母弹射技术的最高峰攀登。

  大家的猜测终于在2017年得到了证实,2017年1月25日,中央电视台播出的“2016年度科技盛典”节目中,马伟明获得了“2016年度科技创新人物”荣誉,他在获奖感言中透露,中国电磁弹射技术研究已获成功

  马伟明何许人也?海军工程大学教授,博士生导师,34岁破格晋升教授,41岁就当选中国工程院院士,42岁晋升海军少将军衔。他长期从事电磁兼容和舰船综合电力系统技术等领域的研究,研究成果也都跟电有关,这些成果或解决了中国常规潜艇动力系统的关键技术,或打破了国外对我军重点装备的技术封锁。

  马伟明籍贯江苏省扬中市,从小学到初中,马伟明的成绩都一直很优秀,读书对他而言,更像是一种乐趣,而非负担。但初中毕业后,马伟明的父亲觉得书读的再多,将来也不过是上山下乡,不如及早学一门手艺,以分担养家的重任。本已考上高中的马伟明不得不学起了无线电修理。这被马伟明的数学老师马逸云知道后,赶紧上门做马父的思想工作。经过劝说,马伟明得以继续学业。好险,感谢老师的坚持,差一点,中国失去了一位电磁弹射技术的科学带头人,而多出了一名心灵手巧的无线电修理工。1978年,马伟明被海军工程大学电气工程系录取,在成为一名大学生的同时,也成为了一名军人。读军校的决定,也是父亲帮他决定的。这个决定相比学习无线电修理,无疑又是正确的。

  1985年9月,马伟明重返海工大攻读研究生,1989年,马伟明的恩师——电气工程系主任张盖凡教授将其调回本系舰船电工基础教研室,正式开始了其长达20余年的海军舰艇电磁科研领域攻关。

  马伟明院士在讲解某新型设备

  马伟明在接受媒体采访时,曾经是这样说的:“我这人自小要强,既不想领导别人,也不想被别人领导,总想保持一个完整的自我。搞科学研究,需要宽松的人文环境,活跃的学术气氛和自由的独立性格。一百多年来,我们民族的创新力为什么越来越萎缩?就是共性的东西太多,思想禁锢得太厉害。”

  马伟明的脾气倔,性格怪,在海军工程大学是出了名的。作为人大代表,每次给校领导传达两会精神,半个小时打住。海军组织英模人物事迹巡回报告团,本来是主要成员之一的他却不肯参加。当选全国十大“杰出专业技术人才”,巡回报告他参加了两地就“请假”了。

  马伟明认为自己是一个有思想的人,但却不轻言政治:“说那么多管屁用?关键要干,把自己的事干好了,就是讲政治。”在工作中,他的确也是这么做的。

  上个世纪90年代,中国海军在研制新型常规潜艇时,需要从国外进口进行高性能的十二相整流发电机系统。马伟明在与外商的谈判中,指出该系统存在重要技术缺陷,但外商十分傲慢,对此置之不理。

  这件事对马伟明刺激很大。回国后他就带领同事用3.5万元启动资金,造了两台小型十二相电机进行攻关研究。1800个日夜,反复拆装,反复测量,在对数十万组实验数据进行综合分析后,成功攻克了国外知名厂商都不能解决的技术难题。

  马伟明再赴外商验收设备时,以扎实的理论和丰富的数据向外商的设计师提出质疑。外方的首席专家依旧以傲慢的态度进行狡辩,马伟明严肃地回应:“先生,我们是在讨论科学,你不懂,我可以免费教你!”外国专家顿时懵了。

  在接下来的谈判中,外商了解到马伟明的研究成果,最后还不得不从中方手里购买解决相关问题的技术专利。从对中国技术封锁到从中国购买技术专利,证明了中国人完全有能力赶超世界先进水平!一个国家的科技竞争力决定了其在国际竞争中的地位和前途,谁抢占了自主创新的先机,谁就能在激烈的竞争中胜出。

  在这之后,马伟明及其团队陆续研制出了世界上首台交直流双绕组发电机系统、3兆瓦级高速感应电机系统、大功率风力发电变流器和舰船综合电力系统等重大课题,为中国海军装备建设和国家新能源的开发利用,提供了有力支撑。

  回到本文所关注的电磁弹射技术,有鉴于中国相关保密制度的限制,我们无法再了解更多的细节。《环球时报》记者在采访马伟明时,曾经就这一问题请他介绍攻关细节,马伟明回答道:“打破技术瓶颈的例子很多,但是关于技术方面,是要保密的。”

  不过我们从马伟明在获得国家科技进步一等奖时所作的报告,研读相关章节,能够从中了解到一些难得的信息。

  “某项尖端技术,是近年来世界海军强国争相发展的重点领域,是代表未来新型主战舰船标志性的核心技术。我们瞄准前沿,主动作为,超前介入,自筹资金对这个项目进行自主研发。

  有人劝我:“一个世界科技大国斥巨资历时十几年都没有完成的项目,你还要强攻硬上,是不是疯了?你现在已经功成名就,万一搞砸了,就可能债务缠身,身败名裂!”

  我也知道风险很大,但搞科研就得担风险,国防建设急需,天大的风险也要干!否则,国家要我们这些院士干什么?5年里,我们不分昼夜地连续攻关,就连大年初一也在实验室过。遇到的困难不计其数,承受的压力难以想象,经历了无数次的失败。

  在军委、总部和海军首长的高度关注和支持下,2008年我们终于研制成功小型样机,接着又做出了1:1单元设备样机,突破了全部关键技术,实现了与世界最先进技术的同步发展。

  当7位院士、80多位著名专家学者前来参加成果鉴定时,一位白发苍苍的老专家抚摸着样机,激动得流下热泪。”

  2017年4月26日上午,中国自行建造的第1艘航空母舰下水仪式在中国船舶重工集团公司大连造船厂举行。9时许,仪式在雄壮的国歌声中开始。航空母舰在拖曳牵引下,缓缓移出船坞,停靠码头。

  这艘航母依旧采用辽宁舰的技术脉络,没有安装弹射装置。中国的下一艘航母会不会安装弹射器,会安装蒸汽弹射器还是电磁弹射器,目前还是一个未知数。但我相信,到谜底揭开的那一刻,会是一个让你我都兴奋异常的画面。

  作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

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  编辑| 于冉帝

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