航母飞机起飞的最佳选择——电磁弹射系统

第30卷第2期 舰 船 科 学 技 术 VoI．30，No．2 2008年4月 SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGY Apr．，2008 航母飞机起飞的最佳选择——电磁弹射系统 李梅武，崔 英，薛 飞 (中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州450015) 摘 要： 介绍了航母舰载机弹射装置的发展过程，从电磁发射基本原理出发，对电磁弹射系统进行了系统研 究，设计了系统主回路闭环控制结构，通过智能化控制策略提高了控制效果，为研制舰载机电磁弹射系统提供了理论 基础和技术支持。 关键词：航空母舰；电磁弹射系统；舰栽机；闭环控制 中图分类号： U674．771 文献标识码： A 文章编号： 1672—7649(2008)02—0034—04DoI：10．3404／j．issn．1672—7649．2008．02．004 Electromagneticejectionsystem——thebestchoiceforcarrieraircrafttaking-off LIMei-wu，CUIYing，XUEFei (The713ResearchInstituteofCSIC，Zhengzhou450015，China) Abstract：Thedevelopmentofcarrieraircraftcapsultjngsystemisintroducedinthispaper，alsowith tllesystemtaticre8earchonelectromagneticejectionsystembasedonthebasicprincipleofelectromagnetic launch，tIlecloseloopcontmlstructureisdesignedforthe8ystemwiththecontroIefkctincreasedthmugh 8martcontr01．Thus，thepaperprovidestheor)randtechnical8upportfbrthedeVelopmentoftheelectrDmag· neticaircraftejectionsy8tem． Keywords：aircmftcarrier；electromagneticejection8y8tem；carrieraircraft；closeloopcontrol 0 引 言 常规固定翼舰载机在航母上的起飞方式有滑跃 式和弹射式两大类。蒸汽弹射器是目前航母飞机起 飞的主要弹射装置，但它存在着体积笨重、噪声大、能 量效率低下等难以弥补的缺点，特别是随着现代战机 性能、质量、速度的提高，蒸汽弹射器已难以满足发展 需求。而在研的电磁弹射器的诸多优点则随着现代 技术的发展日益明朗，其加速均匀、力量可控、能量输 出调节范围大等诸多优势，使技术更先进、质量更大、 速度更快的战机从航母上起飞成为可能，因此受到各 国军方的重视。 1 航母舰载机弹射装置的发展概况 1912年，美国海军采用压缩空气作功原理设计 了第一台试验用弹射器，1919年设计制造了AMKl 型气动盘式弹射器，1922年在“马里兰”号战列舰上 成功弹射了第一架飞机。 1918年，纽约的一名机械师采用电动机拖 动飞轮进行储能的形式，设计了F系列MKl、MK2型 飞轮弹射器，1928年3月将T3M2双浮筒型水上飞机 成功弹射起飞，美国海军据此试验开始了平甲板型航 母使用弹射器弹射陆基飞机的计划。 1928年前，弹射器主要在战列舰和巡洋舰上安 装使用，而在航母上却显得不那么重要，活塞螺旋桨 战斗机凭借甲板风就可以实现自由滑跑满载起飞。 随着飞机的进步和作战经验的积累，弹射器在航母上 应用的优越性日益明显，如能使小型航母起飞重型飞 机，使护航航母具有更大的作战能力；提高航母飞行 甲板的载机数量；可以节省燃油、增加飞机的续航能 力；能使飞机在横甲板风和零风速时顺利起飞，为设 计高性能飞机创造了条件，等等。这些优点引起了美 收’稿日期：2007一08一13 作者简介：李梅武(1943一)，男，研究员，主要从事舰炮自动控制系统及电磁弹射技术研究。 万方数据 第2期 李梅武，等：航母飞机起飞的最佳选择——电磁弹射系统 ·35· 国军方的重视，促使其加快了弹射器的发展步伐。 1935年，美军研制成功的第一部H系列MK．1 型液压弹射器，将2500kg重的飞机在11．3m距离 内加速到39kn，改进后的MK．2型弹射器则能将 5000kg的飞机在24m的距离内加速到61kn，成为 二战初期性能最好的弹射器。1945年底诞生的MK． 8型弹射器达到了液压弹射技术的巅峰，能在53．1m 的冲程内将6800kg的飞机加速到104kn。即便如 此，这些弹射器也仅能勉强满足二战末期喷气式舰载 战斗机的使用需要。 随着喷气式飞机性能和重量的提高，以火药和液 压装置为基础的弹射器已不能满足航母舰载机的助 飞要求。1951年，英国设计成功蒸汽弹射器，引起了 美国航空局的关注。1954年5月，美国支付专利转 让费从英国购买并生产了C-11型蒸汽弹射器，首台 安装于“汉克科”号航母，额定能力为弹射质量17．7t 时末速达136kn，弹射质量31．4t时末速达107．5 kn。随着更大型军舰的建造以及越来越重的超音速 飞机上舰，美海军迫切需要更重型的弹射器。1961 年，已完全摆脱英国弹射器影子的c．13型蒸汽弹射 器问世，这是一种非常成功的弹射器，先后发展了7 型，至今仍在美国海军中服役。 20世纪90年代，美国海军在设计下一代航母时 提出了全电军舰的概念，要求舰上不再采用蒸汽、液 压等机械手段，其中最重要的技术革新就是电磁弹射 器取代蒸汽弹射器。其实，早在1945年美国海军就 已开始电磁弹射器的研究并建造了样机，但未获得进 一步的发展。1992年，美国海军与卡曼电磁系统公 司签订电磁弹射器前瞻性研究；1999年通过竞 标开展了验证原型机的建造；2003年底至2004年初 进行了全尺寸半长电磁弹射装置的发射试验。经全 面比较，美国防部最终将飞机电磁弹射系统的研发合 同授于通用电气公司，计划在2013年后服役的新一 代CVN一78航母上正式使用这一系统。 英国也在积极开展飞机电磁弹射技术的研究，其 EMcAT电磁弹射系统的组成与美国研制的系统基本 一致。2002年9月开始建造的法国“戴高乐”．Ⅱ号 航母上也将安装电磁弹射装置。 2 电磁发射基本原理 电磁发射是采用电磁作用原理产生的电磁推力 使物体加速的。因电磁驱动力与电流平方成正比，所 以只要保证足够的电流输人，便能在发射装置内产生 足够大的推力，使物体达到更高的速度。 以导轨式电磁发射为例。其基本原理如图1所 示。 D 图1导轨式电磁发射系统原理图 Fig．1Schematicdmwing0fmiltypeelectromagnetic launce8ystem 开关s接通时，电源G通过导轨A、电枢D和导 轨C构成了一电流回路；电流，产生磁场曰，它对在 磁场中流动的电荷产生了力，(见图1)。由于导轨 固定于刚体上不能移动，而电枢是活动体，所以电枢 会在力的作用下以速度y向右运动。这就是电磁发 射的基本原理。 在电磁发射系统中，电磁力F由式(1)确定， ，=÷L’，。 (1) 式中：￡’为发射装置的电感梯度；，为流过电枢体的 电流强度。 从式(1)可以看出，结构确定后￡7为一常数，当 电流，增加时，由此产生的洛仑兹力F也将相应增 加。该力作用下的物体产生的加速度由式(2)确定， 口=F／m。 (2) 式中：m为被驱动物体的质量。 经过时间f后物体的速度为： 屹=u⋯川+吾t=H+等。(3) 从式(3)可以看出，物体在发射装置内以速度U 运动过程中，当装置通入电流，，则产生的洛仑兹力 会使物体进一步加速，在时间t内达到屹。 3 舰载机电磁弹射系统的系统研究 从控制系统的原理分析，飞机电磁弹射系统属于 电气控制系统。系统的主回路结构可以设计成一个 闭环速度调节装置，从而使系统具有自动调节特性。 该系统的最大特点是工作时速度可控性好，与其他弹 射系统(如蒸汽弹射器)相比具有明显的优势。 3．1 系统的主回路分析 航母舰载机电磁弹射系统的主回路结构框图如 图2所示。它包括控制系统、电力调节系统、驱动装 置3个环节，由储能系统提供电能量。 1)控制系统。根据弹射飞机所需的末速度、弹 万方数据 ·36· 舰船科学技术 第30卷 图2舰载机电磁弹射系统主回路结构框图 Fig．2Blockdiagmmofmineloopcon8tnlctionofeIectmmagnetic IaunchBy8tem 射环境及发射质量，向电力调节系统发出相应的控制 信号。 2)电力调节系统。接收来自控制系统的信号， 把外界提供的电能量转换成精确的电力脉冲电压和 频率，并提供给驱动装置。 3)驱动装置。主要部件是弹射电动机，可采用 目前较先进的直线式线性感应电动机，从电力调节系 统输入的电能通过直线电动机有效、可靠地驱动大质 量物体。 4)储能系统。提供足够的电能量。 系统的工作过程是：系统操作战位根据下达的指 令输入相关数据与参数，控制系统进行信息处理后向 电力调节系统传递相应控制信号；电力调节系统把储 能系统输入的电能量转换成精确的脉冲电压和频率， 并把该动力输入驱动装置的弹射电动机，直线电动机 的次级便产生等加速运动并带动飞机移动；加速一定 距离飞机达到预期速度后，瞬时对电动机次级进行制 动，而飞机在惯性作用下继续向前运动，使飞机在短 距离内获得一定的前进能量，同时依靠飞机发动机的 动力，一同推动飞机前行，实现飞机在航母上的起飞。 从工作过程看，该系统的工作方式属于开环控制 方式，这种控制方式在受外界干扰时，其加速过程中 实际速度与预期速度要求会有一定的误差，满足不了 飞机起飞的要求。 3．2系统闭环控制的实现 电磁弹射系统的主回路是一个开环系统(见图 2)，这种系统在弹射过程中末段速度相差较大。为 解决这一问题，可把飞机运动过程信号通过传感装置 与输入信号进行比较，组成如图3所示的闭环结构。 把输出的速度信号反馈到控制系统中与预期的速度 值进行比较，当二者产生偏差时，控制系统则按一定 规律发出新的控制信号，控制电动机趋向预定的速 度。弹射全过程都依此进行，从而在全加速段内实现 了对速度的闭环控制，可以使不同质量的飞机或有外 部干扰(如风)的条件下达到末端速度和加速度的要 求值，实现系统伺服跟踪。该系统具有对指令快速跟 踪、输出无延迟、无超调地跟随输入指令变化等特性。 图3 电磁弹射系统的团环结构 Fig．3CloBeloopofelectromagneticlaunchBy8tem 3．3前馈补偿控制 鉴于被驱动负载质量大，顾及到干扰的影响，普 通伺服系统跟踪过程中被控对象必定会迟后于目标 值。因此，根据当前目标值、未来目标值和未来干扰 来决定当前的控制，实现伺服系统的预见控制是 非常必要的，可使目标值与受控量间的偏差整体最 小。研究表明，利用目标值的未来值可以改善跟踪性 能，而且只需知道未来某一时刻的目标值即可。通过 对未来信息的利用和(最优)伺服系统构造法的结 合，可以实现对干扰及参数变化的处理。伺服系统结 构图见图4，从图中可以看出，有预见功能的伺服系 统是带有前馈补偿的伺服系统。 图4有预见功能的伺服系统 Fig．4Servosy8temwitllpredictingfunction 3．4系统的控制策略 在伺服系统中，传统的PID控制算法蕴涵了动态 过程中过去、现在和将来的信息，其配置几乎为最优， 并且具有较强的鲁棒性，无疑成为电磁弹射系统中最 基本的控制形式。 由于弹射飞机的种类多，且同类飞机的参数也明 显不同，加之环境条件变化差异极大，任务复杂，因而 整个控制采用智能化策略，其中模糊逻辑控制乃为最 典型的控制策略。 在交流伺服电动机中采用矢量控制可以提高控 制效果。该控制算法把电流分解成2个独立的分量， 以实现单独控制。一般使磁场分量为O，使输出力与 交轴电流具有线性关系。 解耦控制算法可以解决动态过程中电流与速度 回路的耦合作用，使各变量间耦合减小到最低限度， 以使各变量都能得到单独的控制。 万方数据 第2期 李梅武，等：航母飞机起飞的最佳选择——电磁弹射系统 ·37· 3．5系统的集成 直线感应电动机(模块)的研究已取得了一定的 进展，因其电枢转子与定子间无接触而大大提高了可 靠性和可维性，因此得到广泛的应用，可作为电磁弹 射系统驱动装置的首选对象。直线感应电动机加上 配套的变频装置、飞轮式交流发电机及控制系统，可 组成目前较好的系统(主回路)方案。将来分系统技 术发展了，还可以集成更好的系统。 4 舰载机电磁弹射系统的优点 如上所述，电磁弹射系统可实现对速度的闭环控 制，实现前馈补偿，采用智能化控制策略，具有最佳自 动调节特性及较强的鲁棒性，因而和蒸汽弹射系统相 比具有明显的性能优势(见表1)。 裹l 电磁弹射器与蒸汽弹射器性能比较 Tab．1CompariBonofperf0皿ancebetweenelectromagne“c launchsystemandBteamlaunch8ystem 。黧黧：嚣蒹 罂：笺主磁弹射系统 c一13型蒸 ：‘：：_j：(EMALs)(目标值)汽弹射器 一⋯” 从表中可以看出，电磁弹射系统比蒸汽弹射器具 有以下更好的性能： 1)可控性好。电磁弹射系统采用了先进的检测 技术和闭环矢量控制技术，弹射适应能力强，不但能 弹射重达30多t的重型飞机，也能弹射数百千克的 无人机，提高了航母的作业能力。同时，恒定的加速 性(加速度峰均比<1．05)能提高弹射飞机末速度的 一致性(末速度变化O一3kn)。 2)快速反应能力强。蒸汽弹射器对航母上辅助 系统(如液压、蒸汽、润滑系统等)的依赖性较大，而 电磁弹射系统从冷态到弹射准备好只需不到1h的 时间，快速反应能力强。 3)可靠性高。电磁弹射系统主要由固态电力、 电子元件和金属结构件组成，固有可靠性高，加之结 合了完善的冗余和容错设计技术，因此系统可靠性大 大优于蒸汽弹射器。 4)效率高。一般的蒸汽弹射器的效率只有6％ 左右，绝大部分能量都被排出的大量蒸汽带走；而电 磁弹射系统的效率可达60％，这意味着电磁弹射减 少了对舰上动力系统的需求。 5)体积小、质量轻。美海军现役航母c．13型蒸 汽弹射器的质量为538t，体积超过l100m3；而电磁 弹射系统的质量小于280t，体积小于425m3。由于 电磁弹射系统的质量轻，体积小，有利航母总体布局， 而且节省费用。 6)维护和使用费用低。与蒸汽弹射系统相比， 电磁弹射系统结构简单，可靠性高，可维性良好，操作 使用自动化程度高，对人力资源的需求大大减少，从 而可大幅度降低全寿命周期的成本费用。 5 结 语 航母舰载机的起降是一个庞大、复杂的系统工 程，其中舰载机起飞装置是航母的关键技术之一。电 磁弹射系统研究所涉及的专业面广，学科繁多，知识 性强，是当今世界高新技术领域中的一项大型工程。 从技术上看，研制一套电磁弹射系统原理样机已 有实现的可能。通过样机的设计、生产和试验来建立 (验证)完整的理论和设计方法是极其重要的一步， 可为以后的工作打下良好的基础，少走弯路，提高效 率，避免浪费。 在设备研制过程中所选用和器件的优劣将 直接决定分系统的技术水平与可使用性。因此，基础 技术的研究同步跟上是极为关键的。 参考文献： [1]于瀛，等．电磁飞机弹射系统[J]．舰船科学技术，2003， 25(4)：51—53． [2]郭庆鼎，等．直线交流伺服系统的精密控制技术[M]．北 京：机械工业出版社，2000． [3]叶云岳．直线电机原理与应用[M]．北京：机械工业出版 社，2000． [4]原魁．等变频器基础及应用(第2版)[M]．北京：冶金 工业出版社。2005． [5]Ma瑁hauRA，wANGYing．RAILGuNs：theirscIENcE andTEcHNOLoGY[M]．Beijing：chinaMachinePr七s8。 2004． [6]LIMei-wu，wuYu·hang，cHENY肌-wei，zHAoxi．Dc con日纽mcurrentPowersupplyused幻PoweraMuhilayer LaunchingSystem[J]．IEEETRANsAcTIoNsoNMAG— NETICS，2005．4l(1)． 万方数据 航母飞机起飞的最佳选择——电磁弹射系统 作者： 李梅武， 崔英， 薛飞， LI Mei-wu， CUI Ying， XUE Fei 作者单位： 中国船舶重工集团公司第七一三研究所,河南,郑州,450015 刊名： 舰船科学技术 英文刊名： SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2008，30(2) 引用次数： 0次 参考文献(6条) 1.于瀛.池建文.陈昕 电磁飞机弹射系统[期刊论文]-舰船科学技术 2003(4) 2.郭庆鼎 直线交流伺服系统的精密控制技术 2000 3.叶云岳 直线电机原理与应用 2000 4.原魁 等变频器基础及应用(第2版) 2005 5.Marshall R A.WANG Ying RAILGUNS:their SCIENCE and TECHNOLOGY 2004 6.LI Mei-wu.WU Yu-hang.CHEN Yan-wei.ZHAO Xi DC Constant Current Power Supply Used to Power a Multiayer Launching System 2005(1) 相似文献(1条) 1.期刊论文 丁国良.胡业发.刘小静.DING Guo-liang.HU Ye-fa.LIU Xiao-jing 磁悬浮电磁弹射系统结构设计与磁 场分析 -机械工程师2008(7) 电磁弹射系统(EMALS)是世界发达国家竞相研究的一种高新技术.它是一种航空母舰舰载机起飞技术,是对传统舰载机起飞技术的重大突破.电磁弹射 系统可以弹射不同型号的飞机,能够弹射蒸汽弹射器所不能弹射的预警机,方便控制与维护.文中以线圈型电磁发射技术和磁悬浮导轨技术设计了悬浮电磁 弹射系统,同时通过磁悬浮力的计算与有限元分析,验证了该方案的可行性. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jckxjs200802009.aspx 下载时间：2010年1月19日