一直以来,大家对我们新航母是否采用电磁弹射系统非常关心,也担心如果航母采用常规动力,那么是否会导致供电不足,导致无法使用电磁弹射,我们今天详细说说这事。
从美国福特级核航母开始,抛弃了蒸汽弹射器,采用了一种新的弹射方式,那就是电磁弹射。所谓的电磁弹射原理,就是利用通电导体与磁场发生相对运动时切割磁感线会产生安培力,把战机固定在弹射器上,用电磁力在短时间内赋予舰载机一个很快的初速度,利用这个力量把飞机发射出去。安培力的大小和电流的平方成正比,因此可通过调节电流强弱的方式改变推力的大小。
耗费了如此大代价制造出来的电磁弹射系统,其价值自然也是巨大的,电磁弹射系统的航母和其他航母在舰载机的起飞能力上有天壤之别。蒸汽弹射比较笨重,耗费蒸汽量巨大,维修困难且占用工时更多。电磁弹射更加轻便易于维修,相比起蒸汽弹射把热能经过两次蒸汽转化而言,直接把电能转化为动能的方式也更少能量损耗,有更高的能量利用率。
最重要的是,电磁弹射可以精确地控制弹射的力度,既可以弹射30吨重量级的重型舰载机和固定翼预警机,也可以发射重量只有几百公斤的舰载无人机。而蒸汽弹射提供的推力是固定的,不能调节大小。如果换成蒸汽弹射,前者缺乏动力,后者则会因为动力太大而损坏。仅此一点,电磁弹射多用途的优势就足以碾压现有的所有起飞方式。
很多人以为使用电磁弹射的航空母舰,就必须是核动力的航母,他们的理由是电磁弹射的耗电量巨大,只有核动力那么强劲的动力才行,常规动力的航母电能不够。
其实,上述说法是极错误的。电磁弹射和核动力,一毛钱关系都没有,常规动力也照样电磁弹射,而且性能不变。
起飞一架大型的舰载机,需要的能量超过140兆焦。由于需要推动重达30多吨的舰载机以300公里/小时的速度起飞,电磁弹射需要瞬间大能量。
如果要在短时间内提供足够能量,那么就要求电磁弹射器的强迫储能装置的充电功率要超过4兆瓦以上,四部弹射器就是16兆瓦。仅此一点,就接近一艘10万吨航母上30%的用电量。这种几秒钟内释放的巨大电能,任何动力系统都无法支持,就是发电量很高的核航母发电机,也无法直接支持电磁弹射。
也有人建议为电磁弹射设计一个巨大的电容器,但在技术上无法实现。由于发电系统很难提供如此强大的能量,而如此高效率的弹射系统建造起来也就不容易了。此外,控制系统、导轨设计、电机和辅助系统等都需要很高的技术要求。
因此,所有电磁弹射都需要安装机械强迫储能装置,至于电力来源就无所谓的,常规和核能都一样。
强迫储能装置是电磁弹射器的核心部件,它不仅缓解了发电机的压力,同时在弹射器不工作时储备发电机的电能量,使发电机的工作几乎不受冲击性电负荷的影响。
航空母舰的电磁弹射系统,其实是安装了飞轮储能器,以及盘式发电机。航母动力系统输出带动发动机正常发电,一部分电力可带动飞轮储能,每分钟可达四千转,每次储能45秒,就能让盘式发电机的瞬间电量进行一次舰载机弹射。这样,一个储能-释放循环,足以让弹射器每分钟弹射一次。
强迫储能装置原理不复杂,但实施起来很麻烦。美国电磁弹射系统是中压交流系统,使用的强迫储能装置是用一个交流发电机给一个交流电动机供电,这需要一个惯性特别大的自由转子(约上百吨)一起旋转。
而中国选择了中压直流供电系统。据马伟明院士介绍,目前中国在电磁弹射技术上已经完成了中压直流供电系统,比美军中压交流系统要领先数十年。中国中压直流能量转化的效率达到90%以上,使未来航母上的电力十分充足,可以保证舰载机和其它重型特种机型的正常起飞。
目前为止航母弹射器有两种,一种就是图片上美国、法国航母普遍使用的C–13型蒸汽弹射器,这种弹射器先由核反应堆的第二回路所产生的“低压低温”蒸汽(相对于第一回路)进入到蒸汽储存罐,压力提高到一定等级,然后舰载机进入起飞区→飞机前轮装上蒸汽弹射器滑块支架→挡焰板竖起→飞机发动机功率开到最大,左右起落架挡轮块落下→弹射器滑块拖着飞机高速向前滑动→飞机飞离航母甲板,这样就完成一次起飞。
略微了解现代航母的军迷都知道,蒸汽弹射器的制造难点就是气缸和密封条,气缸是一节节连接起来的,需要气缸材质抗高温高压,抗蠕变性能好、气缸之间连接要紧密、误差极小,密封条同样也要求耐高温高压,并且使用寿命较长…总得来说蒸汽弹射器的设计到是没啥难点,就是在制造工艺上有讲究!只有相当多的蒸汽弹射器制造次数才能有工艺积累,由于美国拥有的航母数量一直在世界领先,所以他们的蒸汽弹射器制造技术和工艺也是领先的…其实这种工艺积累,最通俗的解释就是往里砸钱!工业制成品只有多制造技术才能熟练。目前蒸汽弹射器发展已经到了瓶颈,也就是说超过35吨以上的飞机(飞机本身+油料+弹药)蒸汽弹射器就显得吃力了,而将来的舰载机数量要减少,出勤一次就要多带弹药和油料,这样就会让飞机变得很重,35吨的弹射重量显然是不够用的!
而我军的20号航母开始就要采用核动力,采用核动力就必然要安装电磁弹射器,相对于蒸汽弹射器,电磁弹射器是直接使用核反应堆提供的电力运用到电磁滑块上(原理与磁悬浮列车差不多)由于滑块是悬浮于轨道上,这样就没有摩擦力的存在,也就提高了电磁弹射器滑块的载荷、载荷提高了,弹射飞机的重量也就提高了!并且摒弃了蒸汽弹射器的蒸汽存储罐、工艺要求极高的蒸汽气缸、密封条…甚至电力要比蒸汽好控制,高压低压、交流直流,切换相对容易…总之,有不少的好处!
所以,核动力航母采用电磁弹射器,方便迅捷是技术进步的标志,而常规动力航母还是用“蒸汽弹射器”比较好,因为常规航母大多使用蒸汽轮机,锅炉产出的一部分高压蒸汽可以直接进入到蒸汽存储罐里面供应飞机弹射用,但是要是常规航母使用“电磁弹射器”还需用蒸汽去带动发电机…这就需要增加了大型的发电机,会使得航母空间更加拥挤……使用费用也不划算,有“蛇足”感觉!