【国外动态】福特”号航母完成首次舰载机电磁弹射起飞和阻拦着舰

  在服役6天后,美海军“福特”号航母于7月28日成功进行了F/A-18F战斗机在海上的首次电磁弹射起飞和阻拦着舰作业。

  图1 “福特”号航母成功进行了F/A-18F战斗机在海上的首次电磁弹射起飞

  在弗吉尼亚海岸,海军航空测试评估中队VX-23的F/A-18F“超级大黄蜂”于当天下午3:10开展了首次回收作业,舰载机钩住了先进阻拦装置的第二根阻拦索(属于最佳降落情况),着舰后经过1个多小时的休整,舰载机又通过电磁弹射器弹射起飞。此次试验令许多海军观察员非常惊讶,他们原本认为“福特”号航母下周才会进行首次阻拦试验。

  与“尼米兹”级航母相同,“福特”级航母同样拥有4部弹射器,2部位于舰艏,2部位于斜角甲板,只不过一向被美航母采用的蒸汽弹射器在“福特”级上被新研发的电磁弹射器(EMALS)取代。传统蒸汽弹射器是将由反应炉制造的大量高压蒸汽储存于汽缸中,使用时通过蒸汽推动牵引飞机的往复车(shuttle),以270千米的时速将飞机弹射升空。可想而知,蒸汽输送时将产生多少损耗,储存高压蒸汽的汽缸或输送蒸汽的管线需很大的空间,高压弹射系统中的活塞、管路与阀门等零件承受的损耗也十分惊人。现有C-13-2蒸汽弹射器最常出现故障的部位是调节蒸汽压力的阀门以及储存蒸汽的汽缸(两者都需要定期的预防性保养),此外弹射轨与牵引飞机前轮的往复车因高温摩擦而失火的情况也时有发生。

  由于蒸汽弹射器是在瞬间释放高压蒸汽来推动活塞,因此一架飞机会在很短时间内承受约1842千牛的力量,而这种机械传递的施力方式会在一开始的瞬间达到高峰值,意味着飞机的受力很不平均,对于机体或飞行员的生理都造成很大的负荷,导致大部分的舰载机寿命会比同级的陆地战机更短。当航母上开始引进无人机(UAV)时,一般为了追求长滞空时间而选择结构轻巧的远程UAV,但其结构强度根本禁不起这样的弹射。以“尼米兹”级的C-13-2蒸汽弹射器为例,虽然弹射时最大加速度高达6G,但整个弹射过程的平均加速度仅2G,弹射行程后段就到了强弩之末,对于增加飞机速度并无太多帮助。

  此外,由于相关机械结构的物理限制,蒸汽弹射器的弹射能力存在着难以超越的瓶颈,例如C-13-2最大约能提供100焦耳的弹射能量,这算是目前蒸汽弹射器的极限。蒸汽弹射器的能量利用率也不高,大约只有4~6%。操作蒸汽弹射器的人力需求与维修工作都不低:操作C-13弹射器时,需要58人同时工作,舰上与弹射器相关的编制人员超过200名,相关服务人员总计500名左右,而弹射器全寿期支出占航母总费用的1.075%;C-13-1每次大修间隔期间可弹射约687次,全寿命内可弹射2200次,每部弹射器使用20~30次必须进行一次人员目视检查,每弹射80次需进行一次检修,每弹射180~200次需进行一次中等程度检修。

  因此,美海军为“福特”级研发弹射器时,便不再走蒸汽弹射器的道路,而改为发展革命性的EMALS。电磁弹射器的原理则是载流导线在磁场中受力,利用磁通量巨大瞬变产生的感应电磁斥力,将飞机弹射升空。电动机的基本原理是在定子上通过方向不断改变的电流,利用电流改变造成的磁通量变化而产生磁场,进而使带有磁性的转子受力而产生运动。传统电机的定子采用环状排列,使得转子产生原地旋转运动;而电磁弹射器则采用两侧式线性感应电机,定子在两侧直线排列,充当弹射器的轨道,而转子则在两排定子之间进行直线运动,转子上头连接着用于牵引飞机前轮的往复车。

  由于不需要使用高温高压的蒸汽,EMALS省去了相关的高压蒸汽管路、汽缸、活塞、阀门等危险笨重的设施,维修人员不必再度受困于如迷宫般的复杂蒸汽管道,也不必面临蒸汽外泄、润滑油飞溅等传统弹射器的机械问题。而EMALS的定子、转子之间除了系统关闭时,两者没有机会接触在一起,而飞轮储能系统(FES)的飞轮也由于采用磁浮轴承而没什么损耗,因此整套系统产生机械磨损的机会极低,不需要太多预防性维护工作,故整体维护成本与工作需求大幅降低。根据计划,EMALS整体系统的体积重量比C-13-2蒸汽弹射器减少一半,占用的机库甲板面积减为1/3,维护人员比蒸汽弹射系统减少30%,可用率提高30%,寿命周期的维护成本降低20%。

  1999年,美海军分别与诺·格和通用公司签约,进行电磁弹射器的先期工程开发工作,双方合同额各为6177万美元。在该合同中,美海军提出38项具体技术建议、7项竞争性报价和2项突破激励性条款,美海军对弹射用的线性电机技术指标要求包括:最大弹射能量122兆焦,起飞速度28~103米/秒,最大牵引力和平均牵引力之比为1.07,起飞循环(每次弹射间隔)45秒,整个线年,诺·格和通用公司各完成了一部长50米的缩比(1/2)模型。同年,美海军与通用原子公司签署EMALS的发展合同,由该公司成为主承包商。2004年4月2日,通用原子获得EMALS的系统发展与演示(SDD)合同,价值1.45亿美元。

  整套EMALS系统包含储能系统、直线感应电机系统、电力电子变换系统与发射控制系统等部分,而弹射器本身则由直线感应电机、飞轮式交流发电机和高功率数字循环变频器构成。EMALS使用长95.36米、功率90兆瓦的直线同步感应电机来进行,该电机的末段另有一段长约7.6米的缓冲区(因此整个电磁弹射器轨道长度约103米),在此区域通上反相的电流,制造相反的电磁场,就能让高速前进的往复车减速并停下来,并自动恢复到起始位置。每台电机拥有四条各自独立提供磁场的定子,每两条定子为一组,每组各负责一个转子;转子的滑动组件由固定的高磁永磁体构成,而定子被设计成类似马鞍的形状,两条定子一左一右被滑动组件包围,而两定子之间留下的缝隙宽度与原本蒸汽弹射器相同,均为35.6厘米。每组的两条定子由298个模块构成,每个模块宽64厘米,高68.6厘米,厚度7.6厘米,每个模块上有24个槽,每个槽用3相6线圈重叠缠绕而成,如此每一个模块就有8个极,磁极间距约8厘米;每个槽之间以高绝缘的G10材料制造,并以环氧树脂浇铸,粘接成一个无缝隙的整体模块。每个定子模块都通过数字化控制的组件来感应转子往复车上的磁强度信号;当往复车接近时,该处的定子模块就自动被充电,往复车离开后断开,如此每次弹射时就不需要对整条定子路径上的线圈充电,能大大节省能源。每一个定子模块设计的电力利用率为70%,其电阻为0.67毫欧姆,每次弹射中消耗在定子上的能量为13.3MW;在这样的功率下,铜线圈的温度会被迅速加热到118.2℃,如果加上环境温度影响,温度可能会高达155℃,将超过转子往复车永磁体的极限退磁温度,因此需要进行外部强制冷却;而目前EMALS采用的设计是在每个定子模块之间安装铝制散热板,板上布满细小的不锈钢管道,管道内有乙二醇—水混和冷却液,由冷却泵强制驱动循环(流量约每分钟151公升),能在弹射器每次弹射之间的45秒之内,将线℃。在弹射重量较轻的飞机时,弹射器的每台电机均由两组定子组交替运行,在弹射较重的飞机(如预警机)时则由两组定子组并行使用,以提供更强大的推力。在弹射过程中,每一块定子模块只承受2.7千克/平方公分的应力。至于转子组件则由190块环形的第三代超级稀土钕铁硼永磁体构成,每一块永磁体之间的骨架和散热器管路由钛合金制造,转子中心设有强力散热器;转子和定子间保持均匀的6.35厘米间隙,弹射工作时彼此之间不发生摩擦,而往复车和定子轨道之间则设有滑轮来维持距离,但也仅在关机时才会接触。由于转子/滑车组件上没有需要使用电的装置,也不存在摩擦,所以结构简单,所需的后勤检修工作量极少。

  EMALS各组件中,最关键、技术难度最大的部分是高功率数字循环变频器,其基本概念是通过串联或者并联多路桥式电路来进行功率输出的累加和控制,不使用传统的机械开关、串联电容器以及共享电抗器,进而实现完全数字化的电源变频管理输出,完全没有因机械接触造成的弧形电场。循环变频器需要将4台交流发电机的24相输入电能准确地输入到电磁弹射器各模块的接口,并且精确管理控制298个直线电机的通电定子模块,在包含转子滑动组件的往复车来到该定子模块前的0.35秒内让模块的电磁体充电,并在滑组经过后0.2秒之内停止送电并将电能输送到下一个定子模块。此外,循环变频器工作时间虽然不长(每次弹射仅工作10~15秒),但耗热非常大,一组循环变频器需要528千瓦的冷却功率;因此,使用去离子水外部冷却回路进行冷却,流量高达每分钟1363公升,注入的冷却液体温度保持在35℃时,可确保循环变频系统温度低于84℃。数字循环变频器每一相的输出能力为0~1520伏,峰值电流6400安培,可变化频率为0~4644Hz。

  在进行弹射时,EMALS需要在短时间内输出高功率,因此设置了高效率的飞轮储能系统交流发电机。这种飞轮由一台电机带动一个大尺寸飞轮作为转子,平时由舰上提供电力给电机来转动飞轮,并维持在每分钟6400转的速率,可储存121兆瓦的能量,储能密度比C-13-2蒸汽弹射器的蒸汽罐高出不止一倍;当进行弹射作业而需要瞬间输出时,便释放飞轮储存的转动动能来转换成电能(此时电机便转换角色,成为由飞轮带动的发电机),在2~3秒内就能输出弹射飞机所需的大量电力(约81.6兆瓦)。每次弹射大约消耗飞轮储备能量的22.5%,使飞轮的转速从6400转/分降到5200转/分左右;而在弹射作业完成后,舰上便再输入电力至飞轮,使其转速恢复到6400转/分,恢复过程需要45秒,也就是EMALS两次弹射的间隔。每台飞轮发电机的总重量约8.7吨,如果不计入外壳、安全设施等硬件,则飞轮系统本身重量只有6.9吨。飞轮产生的电力为6相,输出为1735~2133Hz的变频交流电,最大输出电压1700伏,峰值电流高达6400安,输出的匹配负载为81.6兆瓦。每个飞轮的转子直径22英尺(6.7米),重约5177千克,使用镍铬铁的铸件经热处理制造而成。此外,以具有高弹性的镍镉钛合金箍固定住两对钕铁硼永磁体。飞轮结构使用磁浮轴承,并在真空中运转,能将机械与空气摩擦损耗降至最低。至于飞轮发电机作为电力传导的定子则有两个,每个长度为12英尺(3.66米),分别设置在飞轮转子的两侧,每一个定子由280个线圈绕组的放射状槽构成,每个槽之间是支撑结构和液体冷却板。飞轮发电机的工作效率是89.3%,平均每一次弹射约有127千瓦的能量以热量形式消耗掉。

  “福特”级设有4组EMALS,每2组弹射器由一组集中管理的FES交流发电系统供电,每个发电机组由4具FES飞轮构成,飞轮设置于飞行甲板下方。每个飞轮机组中,即使任何一个飞轮失效,只靠另外3部飞轮工作,也能正常进行弹射。由于2套飞轮发电系统能实施动力交联而互相支持,全舰8个FES,即便5个失效,仍能继续维持弹射作业。由于持续高速旋转的飞轮会产生转动力矩,难免会造成偏航的力矩,使航母必须花费更大力量才能转向,因此每组飞轮以两两成对的方式安装在同一个基座上,通过旋转方向相反的飞轮来抵消彼此的旋转力矩。

  如同前述,EMALS在弹射过程中能实时控制输出至定子模块的功率强度,定子模块上也设有传感器,能随时监控弹射器的移动速率。在这种控制-回馈机制下,EMALS便能根据飞机的实际速度来调整输出功率,均衡地分配弹射过程中的施力。此外,EMALS也能根据不同的机种来选择适当的弹射速度。整个加速过程之中,EMALS的峰值加速度仅3G,比起C-13-2蒸汽弹射器的6G大幅降低,有效降低弹射时机体的受力,估计能使飞机的寿命提高31%,也能避免过大的G值对飞行员的生理影响。此外,当平均加速度相同时,负载均匀的电磁弹射器能比蒸汽弹射机可使飞机多载重8~15%。EMALS另一个明显优于蒸汽弹射器之处,在于很宽广的能量调节范围。对于机械性的蒸汽弹射器,只能依靠调整供气阀来控制蒸汽流量,其调节性能最多只能达到1:6左右;而对于依靠电力管理来控制功率的EMALS而言,功率控制就轻而易举,成熟的大功率民用变电系统都可以轻易做到1:100以内的变化。

  2006年,EMALS的主承包商通用原子公司在密西西比州图珀洛(Tupdlo)厂完成了长度只有一半(约50米)的EMALS概念模型,用于第一阶段高周试验(HTC-1),以验证电磁弹射器所需的电力、机电设备以及储能系统的充放电循环效率等。2008年9月3日,EMALS的HCT-1完成第10000次循环测试实验。

  第二阶段高周试验(HTC-2)采用的是全尺寸、全能量的EMALS原型,在美海军空战中心位于新泽西州赫斯特湖的航空工程站进行严格的研发测试,过程中进行4000架次的模拟起飞运转测试,包含一系列实际作业环境下可能的正常、非正常条件测试。在海军航空工程站建造EMALS全尺寸陆地测试设施的工作由汉索·费普斯建设公司(HenselPhelps Construction Co)负责,合同2050万美元,最初打算在2005年12月完成,不过由于EMALS进度落后,到2007年11月27日才为设施建筑举行剪彩仪式,通用原子在2008年3月开始安装EMALS全尺寸测试样机,原定在2009年2月开始运转测试,而实际上在2009年7月展开。

  图7 赫斯特湖海军航空站电磁弹射系统全尺寸、全功能测试机(即HTC-2)的轨道

  2010年1月12日,在新泽西州赫斯特湖海军航空工程站进行测试的电磁弹射器发生意外事故:当时系统下达弹射器往复车向前10米的指令,然而往复车却意外地反向运动,进而猛烈撞上甲板张紧器,造成多个设备损坏,其中直线电机电枢和甲板张紧器遭受的损害无法修复而必须整体更换,弹射器绕组模块和弹射槽初始端也有损伤,但可以修复,损失金额52000美元。意外发生后,美海军航空系统司令部、海军海上系统司令部和通用原子公司立刻停止所有关于电磁弹射器的测试,针对软件架构进行检查,并成立一个独立的改进软件架构委员会,随时向电磁弹射器工程评估委员会报告软件的改进情况。完成软件检查后,2010年3月6日,电磁弹射器实验工作重新展开。这项意外导致EMALS测试工作延后3个月,使整个EMALS计划延后7个月。虽然遇到此挫折,美海军部长仍表示电磁弹射器进度尚未落后。

  2009年9月28日,美海军航空系统司令部宣布EMALS完成高加速寿命试验(HALT)第一阶段以及系统功能验证(SFD)第二阶段的工作,其中HALT是验证EMALS的直线电机(发射轨道)在海上运转条件下的表现,衡量其输出峰值乃至于极端环境下的表现;而SFD则确认系统准备好接下来进行的全尺寸弹射综合试验(弹射真正的舰载机)。SFD第二阶段测试系统中所有的动力组件以及发射控制单元,而之后的SFD第三阶段则测试EMALS中的所有部件尤其是实际测试将电力转换成机械动能的能力。从2009年秋季开始,EMALS开始测试弹射模拟舰载机重量的配重滑车以及专门用来弹射测试的退役军机(无人驾驶,弹射后就丢弃)。2010年9月23日,美海军航空系统司令部宣布EMALS原型在新泽西州赫斯特湖航空站完成了SFD阶段的工作,并在10月初完成无负载和静负载弹射测试,包括以154节速率弹射相当于F/A-18E/F战机重量的静负载系统阶段。

  随后,EMALS进入全面的系统功能验证──弹射实际飞机的兼容性测试(ACT)。2010年6月1~2日,EMALS首次弹射实机成功,这是一架海军使用的T-45“苍鹰”(Goshawk)喷气式教练机;之后在6月9~10日,EMALS首次弹射C-2“灰狗”(Greyhound)舰载运输机;同年12月18日,EMALS首次弹射一架F/A-18E“超级大黄蜂”(SuperHornet)舰载战斗机。在2010年12月21日的测试后,EMALS便暂时停止测试,主要是因为先前测试时发现弹射器将飞机加速过程中,直线电机组件的定子模块之间传递力量时有间隙,无法达到顺畅要求。研发单位计划在调整后,于2011年3月再度展开测试。依照原进度,EMALS在2011年上半年继续进行舰载机的弹射测试,首批生产型的EMALS预定在2011~2012年交付以用于“福特”号。然而在2011年初的一份报告指出,EMALS因诸多问题而导致进度延迟,并且耗尽了交付给纽波特纽斯船厂的时程裕度;如果接下来整个研发测试无法跟上轨道而继续落后,就会影响到上舰的进度安排。不过,通用原子公司最终排除万难,在2011年5月9日交付第一套EMALS给美海军,准备安装于“福特”号。同年9月26日,赫斯特湖航空站的EMALS原型首度成功弹射一架E-2D“先进鹰眼”空中预警机。随后在同年11月18日,这套EMALS原型首次弹射F-35C闪电II型舰载机的预量产型机(CF-03)。

  图8 2010年12月18日,在新泽西州的电磁弹射器原型首次成功弹射一架F/A-18E战斗机

  在2011年底,EMALS正式完成了ACT的第一阶段,期间完成134架次各型舰载机的弹射起飞测试(含T-45、C-2、F/A-18E、E-2D、F-35C)。接着,赫斯特湖航空工程站的这套EMALS经过构型修改,完全改成与“福特”级航母相同的版本,然后在2013年6月25日进入ACT第二阶段测试,即按照舰载机在航母上起飞时可能会发生的状况来操作,包括偏离中心弹射(off-centrelaunches)以及飞机系统失效(plannedsystem faults),在这样的情况下仍能确保飞机弹射升空的终端速率(end-speed)并验证了弹射关键可靠度(launch-critical reliability)。ACT第二阶段在2014年4月6日完成,期间进行了310架次的舰载机弹射,除了继续测试ACT第一阶段的机种之外,还加入EA-18G“咆哮者”(Growler)电子战机以及较老旧的F/A-18C“大黄蜂”(Hornet)。2014年6月,美海军完成赫斯特湖航空工程站的EMALS原型的所有测试,期间总计完成450次载人舰载机弹射,涵盖美海军现役以及尚未服役的机种。

  在2014年2月美国防部向国会提交的报告中,EMALS在新泽西州赫斯特湖航空站开展测试以来,总共累积进行1967次弹射测试(包含前期的静物弹射以及之后ACT阶段发射实机),其中201次失败,超过10%。换算成在舰上操作的平均故障间隔时间(MCBF)或致命故障平均间隔时间(MTBCF)大约是240次(意味平均每操作240个架次就会发生一次严重故障),只有合格标准的1/5,无法达到美海军规定可以投入战备的初始作战评估(Initial Operational Test& Evaluation)要求。2013年9月政府审计总署(GAO)对EMALS与AAG的报告中指出,根据当前的测试数据以及可靠性的数学成长模型,EMALS的MTBCF要到2032年才能达到100次运转,而AAG的MTBCF需要等到2027年才能达到100次运转。2014年8月,美海军表示,赫斯特湖航空工程站的EMALS已经进行超过3017次弹射,但还没有提供更新的测试评估的失败次数数据。

  按照美国防部作战测试与评估局长(Director,Operational Test and Evaluation,DOT&E)在2014财年提交的报告,EMALS在赫斯特湖航空站测试时发现一个问题(约在2014年9月被首次提到):弹射挂载了480加仑副油箱的F/A-18E战斗机与EA-18G电子战机时,电磁弹射器的初始加速对挂载副油箱的机翼外挂架施予过大应力(超出现有蒸气弹射器),可能引发结构损害;在这个问题修复前,F/A-18E与EA-18G不能携挂副油箱弹射,但副油箱是这两种飞机执行任务时的必要载荷。美海军表示会修改EMALS软件来解决初始加速度过大的问题,并在“福特”号交付海军之后验证修改的软件;而在赫斯特湖航空站的测试工作中,这个问题也没有造成任何的弹射失败。根据2017年6月底的新闻,此时美海军还没有执行相对应的修复措施。

  2014年8月11日,“福特”号的EMALS弹射器首次进行甲板测试评估,测试系统中各项装备的运转。根据2015年3月下旬的消息,此时“福特”号已经安装好2组EMALS弹射器,即将开展首次舰上运转测试,而另外2组EMALS也在制造中。2015年5月13日,“福特”号的EMALS首次进行全速率无载荷弹射测试,过程中总共进行22次弹射,滑行最大速率可达180节。6月9日,该航母的两台EMALS首次实际弹射重达15465磅(约7吨)的配重物(钢制有轮小车),以160节的速率将配重物弹入当地詹姆斯河中,8月则安装储能装置。2016年5月,“福特”号上的EMALS完成所有舰上运转测试,4部弹射器总共完成242次静态配重物弹射。

  图10 2015年6月9日,“福特”号的EMALS首次进行弹射测试,将配重物以160节的速率弹入詹姆斯河中

  根据2016年7月下旬的消息,此时EMALS累积工作测试的平均重大故障间隔大约是400次运作,与作战要求(每次重大故障之间要能执行4166次起降)有显著差距,在持续4天的作战任务中没发生重大故障的几率只有7%,而平均重大故障间隔达到1600次运作,才能有90%的几率确保一整天的作战运作之下不出现任何重大故障。

  2017年7月28日,刚服役一星期的“福特”号首次进行舰载机的阻拦降落与弹射起飞,这也是EMALS电磁弹射系统与AAG先进阻拦装置第一次在航母上进行舰载机起降作业。在此次测试中,海军航空测试评估中队VX-23的F/A-18F“超级大黄蜂”通过AAG降落在舰上,随后由EMALS弹射起飞。

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