老美海军航母的电磁弹射技术，搞电机和电力电子的应该看看

老电机

　　从电磁线圈炮的发展历史来看，阻碍电磁弹射器的现实化并不是线性电机本身，而是强大而稳定的瞬发能源。美国航母上采用20世纪90年NASA为电磁炮、激光武器发展的惯性储能装置研制而来的盘式交流发电机。新设计的盘式交流发电机重约8.7吨，如果不算附加的安全壳体设备，其重量只有6.9吨。盘式交流发电机的转子绕水平轴旋转，重约5177千克，使用镍铬铁的铸件经热处理而成，上面用镍镉钛合金箍固定2对扇形轴心磁场的钕铁硼永磁体。镍镉钛合金箍具有很大的弹性预应力，可确保固定高速旋转中的磁体。转子旋转速度为6400转/分，一个转子可存储121兆焦的能量，储能密度比蒸汽弹射器的储气罐高一倍多。一部弹射器由4台盘式交流发电机供电，安装时一般采用成对布置，转子反向旋转，可减少因高速旋转飞轮带来的陀螺效应和单项扭矩。弹射一次仅使用每台发电机所储备能量的22.5%，飞轮转盘的转动速度从6400转/分下降到5200转/分，能量消耗可以在弹射循环的45秒间歇中从主动力输出中获得补充。四蓄能发电机结构允许弹射器在其中一台发电机没有工作的情况下正常使用。由于航母装备4部弹射器，每两部弹射器的动力组会安装到一起，集中管理并允许其动力交联，因而出现6台以上发动机故障而影响弹射的事故每300年才会重复一次。盘式交流发电机采用双定子设计，分别处于盘的两侧，每一个定子由280个线圈绕组的放射性槽构成，槽间是支撑结构和液体冷却板。采用双定子结构，每台发电机的输出电源是6相的，最大输出电压1700伏，峰值电流高达6400安，输出的匹配载荷为8.16万千瓦，输出为2133～1735赫兹的变频交流电。盘式储能交流发电机的设计效率为89.3%，这已经通过缩比模型进行了验证，也就是说每一次弹射将会有127千瓦的能量以热量形式消耗掉。发电机定子线圈的电阻仅有8.6毫欧，这么大的功率会迅速将定子线圈加温数百度，所以设计了定子强制冷却。冷却板布置在定子的外侧，铸铝板上安装不锈钢管，内充WEG混和液，采用流量为151升/分的泵强制散热。根据1/2模型测试可知，上述设计可以保证45秒循环内铜芯温度稳定在84℃，冷却板表面温度61℃。
　　真正最为关键、技术难度最大的部件是高功率循环变频器。这个技术是电磁弹射器的真正技术瓶颈。EMALS现在正处于关键性部件工程验证阶段，循环变频器仅仅是完成了计算机模拟，还没有开始发展工程样机。从设计上看，循环变频器是通过串联或者并联多路桥式电路来获得叠加和控制功率输出的，它不使用开关和串联电容器，省略了电流分享电抗器，实现了完全数字化管理的无电弧电能源变频管理输出。其每一相的输出能力为0～1520伏，峰值电流6400安，可变化频率为0～4.644赫兹。循环变频器设计非常复杂，它不仅需要将4台交流发电机的24相输入电能准确地将正确的相位输入到正确的模块端口，还必须准确的管理298个直线电机的电磁模块，在滑块组运行到来前0.35秒内让电磁体充电，而在滑组经过后0.2秒之内停止送电并将电能输送到下一个模块。循环变频器工作时间虽然不长，每次弹射仅需工作10～15秒，但热耗散非常大，一组循环变频器需要528千瓦的冷却功率，冷却剂是去离子水，流量高达1363升/分，注入温度35℃的情况下可确保系统温度低于84℃。目前，美国对这一核心部件的保密工作非常重视，除了基本原理外，几乎没有任何的模型结构、工程图片披露。2003年，美国海军和通用电气公司签订合同，要求花费7年时间完成这一部件的实体工作。
　　到目前为止，美国在海军航母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CVN－78航母上正式使用这一设备。从设计和工程实现的关键性部件的性能来看，成功地按时间表投入使用的可能性非常大。目前的主要技术问题出在线形同步电机上，18米所必模型所显示的效率仅为58%，而50米1/2模型显示的效率仅有63.2%，这证明能量利用率还不足，功率也成倍增加，以目前的设计是不能完成散热需求的。另外一个问题在于军用系统的防火要求，永磁体对温度比较敏感，存在退磁临界温度，一般在100～200℃之间，航母的火工品较多，火灾事故并不罕见，如何保证磁体的磁强度不受大的影响还是一个很棘手的问题。电磁弹射器功率巨大，其磁场强度也非常可怕，现代战斗机上复杂的电磁设备都非常敏感，容易受到干扰，因此需要特别加强电磁弹射系统的磁屏蔽工作。由于弹射器的磁体是开槽形的，和蒸汽弹射器的蒸汽泄露一样会有很强的磁泄露，所以目前设计了复杂的磁封闭条，在离飞行甲板15厘米的高度就能将磁场强度降低到正常环境的水准。相关的电磁干扰和兼容性问题将在2012年进行专门的适应性试验。
　　美国预期电磁弹射器达到如下指标：起飞速度：28～103米/秒；最大牵引力和平均牵引力之比：1.07；最大弹射能量：122兆焦；最短起飞循环时间：45秒；重量：225吨；体积：425立方米；补充能源需求：6350千瓦。

张老五

电磁弹射器已经可以实用了吗？更加简单的电磁炮也远未到可以使用的程度吧？目前重点发展的还是混合使用电磁能和化学能的电-化学炮

zhgqxk-1

太尖端了,这些都超出了我的认识范围,
请问张老五:什么是电磁能和化学能的电-化学炮?能打多远?杀伤力有多大?

张老五

简单地说吧，传统的枪也好炮也好，发射所用的能量就是火药燃烧的化学能。
理想中的电磁炮，发射能量是来自于电磁感应，电磁能量，机理类似于直线电机。
但这种技术远未成熟，主要是所需能量密度和瞬时能量太大，即便是电－化学炮，也就是同时使用电磁感应和发射火药的发射技术，也远远没有到可以实用的阶段。

qaz8792271

回复 4# 张老五


    这么高超技术啊！

补充内容 (2015-4-29 10:53):

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zhgqxk-1

我想这种高技术必须要有一个强大的能源作后盾,最理想的是用核能.也就是必须在小小炮膛中要发生核反应.

圣力

我想这种高技术必须要有一个强大的能源作后盾,最理想的是用核能.也就是必须在小小炮膛中要发生核反应.
zhgqxk-1 发表于 2010-8-18 19:00

                               
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好像有点印象，电磁炮发射一颗炮弹，需要一个发电厂做后盾，才能满足其所需的电力。

张老五

回复 6# zhgqxk-1


   还核能呢，那不成原子弹了。
电磁发射的主要问题不是功率大，而是瞬时功率大。
发射一颗炮弹，在极短的时间内需要输出几万安培的电流，但持续时间也就是一二十毫秒而已。所以说，不是电厂的问题，现在的电厂，功率足够了，能量也足够，就是没能力在这么短的时间内把这些能量送出去。航母上的反应堆足以每两分钟弹射一架飞机，但在目前的技术条件下，却没能力用电磁方式　发射哪怕一颗炮弹。
其实发射一颗炮弹所需的能量并不算大。120mm弹丸的重量大概是50公斤，最终速度大概是每秒7、800米，有兴趣的可以算一算。动能也就是几千万焦耳罢了，把能量转换的效率算进去，发射一颗炮弹，理论上只不过需要几十度上百度电而已

标准答案

这个需要一个储能装置，就是用一个电机带一个大惯性盘子，先电机做电动机运行高速储能，弹射时变成发电机瞬间向弹射装置释放电能。

张老五

那恐怕也不一定够，这么大电流的发电机，也不好做。
大电容不知道行不行

膜拜大师

电磁炮分好几种的，线圈炮就不需要如此之高的能量