中美電磁彈射技術差距逼近 馬明偉:局部領域更爲領先

▲圖爲美國正在安裝電磁彈射器。(圖/翻攝自中網)

大陸中心/臺北報導

根據日前曝光衛星空拍圖顯示,解放軍已在遼寧省葫蘆島建設好最新的軍用機場,機場的跑道安裝了最新型、適用於航母的「電磁彈射器」。那麼,相對於傳統的蒸汽彈射,電磁彈射具有哪些優勢呢?有陸媒網站近日針對電磁彈射做了詳細介紹,以下爲整理出的相關問答。

Q:什麼是電磁彈射?

A:根據電磁感應原理,切割磁感線能夠產生電流,反過來,電能也能轉化爲機械能。電磁彈射就是根據這個原理,將電能轉化爲動能,彈射艦載機從航母上起飛。

Q:電磁彈射有哪些技術難點?

A:電磁彈射主要技術難點有儲能技術、直線電機技術、彈射控制技術等。

Q:能具體說說儲能技術、彈射控制技術和直線電機技術嗎?

A:每一次電磁彈射持續時間大約不到3秒,但峰值功率高達上百兆瓦,這就需要一個儲能設備將航母電站輸出的電能儲存起來,一瞬間釋放。儲能技術的難點就是需要找到能量密度很高的儲能方式,否則儲能裝置本身體積重量超標就不能滿足上艦使用的要求。

電磁彈射需要精確控制彈射末速度和彈射過程中加速度,彈射控制技術的難點在於對直線電機的實時反饋控制,以及對各種信息的組網、交互與處理。

直線電機是彈射器的執行部分,主要依靠動子定子的無機械接觸,僅靠電磁感應原理產生的電磁力實現電能到直線運動的動能轉換。直線電機技術的難點是儘可能提高它的功率密度和能量效率,並且具備海洋環境適應能力。

▼彈射系統模擬圖。(圖/翻攝自新浪軍事

Q:大陸攻克這些技術的難度大嗎?

A:雖然電磁彈射最近才被美軍搬上航母,但實際上研製電磁彈射的關鍵技術並不是什麼難以觸及的技術,很多都已經過了多年研究,甚至已經被廣泛應用。

比如直線電機技術在物流傳輸、直線電梯、車牀加工等領域都有涉及,大功率直線電機在磁懸浮列車等軌道交通領域已經得到廣泛應用。

電磁彈射的控制技術在工業及信息領域有大量的方法可以藉鑑,如矢量控制技術、直接轉矩控制技術、工業總線技術及計算機技術等等,這些都可以推廣並移植到電磁彈射中。

慣性儲能的概念其實很久就有了,只是以前沒有這樣大功率的應用需求。因此,大陸攻克電磁彈射的核心技術並不存在無法逾越的障礙。

Q:相對於蒸汽彈射,電磁彈射具有哪些優勢?

A:電磁彈射具有彈射性能更好、彈射更爲可控、可靠性更高、適裝性更佳等優勢。

Q:電磁彈射性能更好主要表現在哪裡?

A:電磁彈射的最大彈射能力高達122兆焦耳,比蒸汽彈射器高出約29%,可以彈射重量更大的艦載機。

Q:電磁彈射可控性更好指的是?

A:蒸汽彈射器通過機械方法控制注入汽缸的蒸汽,無法精確控制推力,在彈射過程中推力的峰谷值比電磁彈射大,這會造成艦載機因不穩定的推力而受力不均,進而因此造成機體受損。而電磁彈射加速更可控制,更平穩,可大幅減小對艦載機和各部件的衝擊,有利於飛機結構設計,並可使機體的使用壽命延長31%,也能緩解飛行員的身心壓力。

Q:爲什麼更新技術會比運行半個世紀的成熟技術更可靠?

A:電磁彈射現階段還處於測試摸索階段,可靠性還是不如技術成熟的蒸汽彈射的,這裡的可靠性指的是電磁彈射技術成熟後理論上可以達到的可靠性。

Q:蒸汽彈射可控性不如電磁彈射的原因是?

A:因爲蒸汽彈射器結構複雜零部件衆多,且飽受高溫高壓摧殘,加上蒸汽彈射器爲開口汽缸結構,需要採用金屬密封條保持活塞運動時汽缸內壓力,受損更換極爲頻繁,進而導致全系統的固有可靠性不高。而電磁彈射採用四能量鏈冗餘結構,在彈射過程中可容忍一個能量鏈出現故障,保證任務完成,加上定子和動子之間電磁場的非物理接觸傳力特性,取消了許多高磨損的機械設備,不僅壽命大幅延長,可靠性也大幅提高。

Q:能用具體數據來說明嗎?

A:蒸汽彈射2次重大故障間的平均週期約405周;而電磁彈射技術成熟的話,2次重大故障間的平均週期有望達1300周以上。

Q:適裝性更佳是什麼意思?

A:這是指電磁彈射器相對於蒸汽彈射器安裝更方便更靈活。舉例來說,蒸汽彈射器大部分重量位於上層甲板,導致船體重心升高,不利於航行穩定性;而電磁彈射可靈活佈置的特性,能夠避免這個問題

蒸汽彈射器多個部件之間由高溫高壓的管路連接,並且彈射汽缸必須整體安裝,在航母上的總體安裝與佈置難度較大;而電磁彈射採用模塊化設計,直線電機可以分段安裝和拆卸,各個部件通過電纜或信號網絡連接,適裝性更好。

此外,電磁彈射器還具有比蒸汽彈射器更小的體積和質量,美國現役航母1座C13型蒸汽彈射器的總質量爲538噸,體積超過1100立方米;而電磁彈射的質量小於280噸,體積小於425立方米。

世界上建造1:1全尺寸大型電磁彈射器地面試驗設施的國家僅有中、美兩國。(圖/翻攝自中華論壇

Q:電磁彈射還有其他優勢麼?

A:電磁彈射能量利用率比蒸汽彈射更高,而且更加節約淡水資源

Q:航母在海上作戰,淡水資源非常寶貴,而蒸汽彈射器一次彈射作業需消耗大量水蒸汽,使用電磁彈射就可以避免在彈射中損耗淡水資源?

A:是的,而且因爲電磁彈射採用電氣化信息化手段,簡化了操作方法,並可實現全系統的狀態監控和故障自診斷,人力需求減小30%,維護工作量大大降低,平均故障修復時間大大減少,並且節省了全壽命週期費用。

▼中國馬偉明院士在電磁發射領域取得原創性成果。(圖/翻攝自鳳凰軍事)

Q:中美在電磁彈射技術差距有多大?

A:大陸是稀土永磁體生產大國,在高磁強度稀土永磁體研究方面比起美國並沒有太遜色。大陸在1996年時曾發佈了一個口徑90毫米的4磁體級的樣炮原型機,可以達到電能轉換50%以上,瞬間能源有成熟的20兆焦和100兆焦輸出級別的器件。

近年來,大陸在電磁彈射方面也有許多重大成果,馬偉明院士帶領項目組完成了電磁彈射樣機研製和試驗的全過程,攻克43項關鍵技術,申報國防專利32項。某軍工企業冷彈射技術可實現彈射推力達數百噸,並具有機構輕便、操作和維修簡化、彈射功率高、可控性可靠性強等特點。

根據日前曝光的衛星空拍圖顯示,解放軍已在遼寧省葫蘆島建設好最新的軍用機場,值得一提的是,機場的跑道安裝了最新型、適用於航母的「電磁彈射器」。西方軍事專家認爲,如果大陸在電磁彈射設備有重大的突破性,將是世界第2個掌握此技術的國家,航母戰力也會大躍進

▼從最新的衛星圖片可以看到,中國軍方在建設的兩條跑道中安裝了彈射線,也隱約能看見彈射的滑槽。(圖/翻攝自中華論壇)

Q:大陸在電磁彈射方面已經超越俄羅斯,僅次於美國?

A:馬明偉院士在接受媒體採訪時曾表示,在軍委、總部和海軍首長的高度關注和支持下,在2008年研製成功小型樣機,接着又做出了1:1單元設備樣機,突破了全部關鍵技術,實現了與世界最先進技術的同步發展。他也表示,目前艦載機彈射起飛技術完全沒有問題,有信心運用到現實生活中,大陸掌握的技術已經不輸美國,在局部領域甚至更爲先進。

Q:大陸正在建的001A航母會是電磁彈射航母嗎?

A:根據目前的消息來看,大陸軍方實行技術大躍進的概率不高,很可能依舊採用小步快走的方式發展中國航母001A,並透過航母的製造過程來磨礪造船工業,同時也對遼寧號在使用中曝露出的一些問題做改進。

Q:如果安裝電磁彈射器,是否一定要上動力航母?

A:雖然核動力航母在能源方面會比常規動力航母具有優勢,但未必要上核動力才能保障電磁彈射所需能源。因爲電磁彈射的能量利用效率很高,比蒸汽彈射要高10倍,所以常規動力航母也能上電磁彈射,只要在儲能技術、直線電機技術、彈射控制技術、大功率轉換技術上過關,並配屬大功率燃機即可。

Q:大陸是否一定要藉鑑美國在彈射器上的使用經驗,先發展蒸汽彈射,再做電磁彈射?

A:蒸汽彈射和電磁彈射在技術上不具備繼承性,大陸就算耗費巨資和用15致30年時間掌握了蒸汽彈射技術,到發展電磁彈射的時候還是要從頭開始。美國先發展蒸汽彈射,後來再發展電磁彈射只是因爲歷史原因,大陸須根據自己的情況做出選擇。

Q:大陸蒸汽彈射和電磁彈射研究進度哪個更快?

A:據瞭解,從遼寧省西南部興城市在建的兩條彈射器來看,一條是蒸汽彈射器,一條是電磁彈射器。由此可見,蒸汽彈射和電磁彈射方案都在軍方的選擇方案中,兩者的進度很可能大致處於同一水平,至於鹿死誰手,很可能取決於兩個團隊的技術成果性能和成熟度的比拚。

Q:002航母會安裝電磁彈射器,還是蒸汽彈射器?

A:從實際需求上講,未來一段時間內大陸依舊會執行積極防禦戰略,並沒有向美國那樣制霸全球的需求,依靠001A和055驅逐艦爲核心的航母戰鬥羣,輔以東風21D、東風26以及南海島礁上的航空兵力量,基本上能夠完成第二島鏈內自衛反擊任務。因此,對電磁彈射航母的需求並不迫切。

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