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【国外动态】-福特”号航母完成初次舰载机电磁弹射起飞和阻拦着

时间:2018-01-17 14:19来源:http://www.baidu.com/ 作者:佚名 点击:
【国外动态】"福特”号航母完成初次舰载机电磁弹射起飞和阻拦着舰 “福特”级航母电磁弹射器的研制情况 与“尼米兹”级航母相同,“福特”级航母相同拥有4部弹射器,2部坐落舰艏,2部坐落斜角甲板,只不过一贯被美航母采用的蒸汽弹射器在“福特”级上被新研制的电磁弹射器(EMALS)替代。传统蒸汽弹射器是将由反应炉制造的很多高压蒸汽贮存于汽缸中,运用时经过蒸汽推进牵引飞机的往复车(shuttle),以270千米的时速将飞机弹射升空。可想而知,蒸汽运送时将发作多少损耗,贮存高压蒸汽的汽缸或运送蒸汽的管线需很大的空间,高压弹射体系中的活塞、管路与阀门等零件接受的损耗也非常惊人。现有C-13-2蒸汽弹射器最常呈现毛病的部位是调理蒸汽压力的阀门以及贮存蒸汽的汽缸(两者都需求定期的预防性保养),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作。 因为蒸汽弹射器是在瞬间开释高压蒸汽来推进活塞,因而一架飞时机在很短时间内接受约1842千牛的力气,而这种机械传递的施力方法会在一开端的瞬间到达高峰值,意味着飞机的受力很不均匀,关于机体或飞翔员的生理都形成很大的负荷,导致大部分的舰载机寿命会比同级的陆地战机更短。当航母上开端引入无人机(UAV)时,一般为了寻求长滞空时间而挑选结构轻盈的长途UAV,但其结构强度底子禁不起这样的弹射。以“尼米兹”级的C-13-2蒸汽弹射器为例,尽管弹射时最大加快度高达6G,但整个弹射进程的均匀加快度仅2G,弹射行程后段就到了强弩之末,关于添加飞机速度并无太多协助。 此外,因为相关机械结构的物理约束,蒸汽弹射器的弹射才干存在着难以逾越的瓶颈,例如C-13-2最大约能供给100焦耳的弹射能量,这算是现在蒸汽弹射器的极限。蒸汽弹射器的能量利用率也不高,大约只要4~6%。操作蒸汽弹射器的人力需求与修理作业都不低:操作C-13弹射器时,需求58人一起作业,舰上与弹射器相关的编制人员超越200名,相关服务人员总计500名左右,而弹射器全寿期开销占航母总费用的1.075%;C-13-1每次大修距离期间可弹射约687次,全寿命内可弹射2200次,每部弹射器运用20~30次有必要进行一次人员目视查看,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。 因而,美水兵为“福特”级研制弹射器时,便不再走蒸汽弹射器的路途,而改为展开革命性的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发作的感应电磁斥力,将飞机弹射升空。电动机的基本原理是在定子上经过方向不断改动的电流,利用电流改动形成的磁通量改变而发作磁场,进而使带有磁性的转子受力而发作运动。传统电机的定子采用环状排列,使得转子发作原地旋转运动;而电磁弹射器则采用两边式线性感应电机,定子在两边直线排列,充任弹射器的轨迹,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。 因为不需求运用高温高压的蒸汽,EMALS省去了相关的高压蒸汽管路、汽缸、活塞、阀门等风险粗笨的设备,修理人员不用再度受困于如迷宫般的杂乱蒸汽管道,也不用面对蒸汽外泄、润滑油飞溅等传统弹射器的机械问题。而EMALS的定子、转子之间除了体系封闭时,两者没有时机触摸在一起,而飞轮储能体系(FES)的飞轮也因为采用磁浮轴承而没什么损耗,因而整套体系发作机械磨损的时机极低,不需求太多预防性保护作业,故全体保护本钱与作业需求大幅下降。依据方案,EMALS全体体系的体积分量比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,保护人员比蒸汽弹射体系减少30%,可用率进步30%,寿命周期的保护本钱下降20%。 1999年,美水兵别离与诺·格和通用公司签约,进行电磁弹射器的先期工程开发作业,双方合同额各为6177万美元。在该合同中,美水兵提出38项详细技能建议、7项竞争性报价和2项打破鼓励性条款,美水兵对弹射用的线性电机技能指标要求包括:最大弹射能量122兆焦,起飞速度28~103米/秒,最大牵引力和均匀牵引力之比为1.07,起飞循环(每次弹射距离)45秒,整个线性电机分量控制在225吨,体积控制在425立方公尺,供电需求6350千瓦。2003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,美水兵与通用原子公司签署EMALS的展开合同,由该公司成为主承包商。2004年4月2日,通用原子取得EMALS的体系展开与演示(SDD)合同,价值1.45亿美元。 图3 EMALS的陆基测验原型 整套EMALS体系包括储能体系、直线感应电机体系、电力电子变换体系与发射控制体系等部分,而弹射器自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运用长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(因而整个电磁弹射器轨迹长度约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,并主动恢复到开端方位。每台电机拥有四条各自独立供给磁场的定子,每两条定子为一组,每组各担任一个转子;转子的滑动组件由固定的高磁永磁体构成,而定子被规划成相似马鞍的形状,两条定子一左一右被滑动组件围住,而两定子之间留下的缝隙宽度与本来蒸汽弹射器相同,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线圈堆叠环绕而成,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资料制造,并以环氧树脂浇铸,粘接成一个无缝隙的全体模块。每个定子模块都经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,该处的定子模块就主动被充电,往复车离开后断开,如此每次弹射时就不需求对整条定子途径上的线圈充电,能大大节省能源。每一个定子模块规划的电力利用率为70%,其电阻为0.67毫欧姆,每次弹射中耗费在定子上的能量为13.3MW;在这样的功率下,铜线圈的温度会被敏捷加热到118.2℃,如果加上环境温度影响,温度可能会高达155℃,将超越转子往复车永磁体的极限退磁温度,因而需求进行外部强制冷却;而现在EMALS采用的规划是在每个定子模块之间设备铝制散热板,板上布满细微的不锈钢管道,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,将线圈温度从155摄氏度下降到75℃。在弹射分量较轻的飞机时,弹射器的每台电机均由两组定子组替换作业,在弹射较重的飞机(如预警机)时则由两组定子组并行运用,以供给更强壮的推力。在弹射进程中,每一块定子模块只接受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;转子和定子间坚持均匀的6.35厘米空隙,弹射作业时彼此之间不发作摩擦,而往复车和定子轨迹之间则设有滑轮来保持距离,但也仅在关机时才会触摸。因为转子/滑车组件上没有需求运用电的设备,也不存在摩擦,所以结构简略,所需的后勤检修作业量很少。 图4EMALS的陆基测验原型 EMALS各组件中,最要害、技能难度最大的部分是高功率数字循环变频器,其基本概念是经过串联或许并联多路桥式电路来进行功率输出的累加和控制,不运用传统的机械开关、串联电容器以及共享电抗器,进而完成彻底数字化的电源变频办理输出,彻底没有因机械触摸形成的弧形电场。循环变频器需求将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,而且准确办理控制298个直线电机的通电定子模块,在包括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,并在滑组经往后0.2秒之内中止送电并将电能运送到下一个定子模块。此外,循环变频器作业时间尽管不长(每次弹射仅作业10~15秒),但耗热非常大,一组循环变频器需求528千瓦的冷却功率;因而,运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坚持在35℃时,可确保循环变频体系温度低于84℃。数字循环变频器每一相的输出才干为0~1520伏,峰值电流6400安培,可改变频率为0~4644Hz。 图5 制造中的EMALS轨迹 在进行弹射时,EMALS需求在短时间内输出高功率,因而设置了高功率的飞轮储能体系交流发电机。这种飞轮由一台电机带动一个大尺度飞轮作为转子,平常由舰上供给电力给电机来滚动飞轮,并保持在每分钟6400转的速率,可贮存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求瞬间输出时,便开释飞轮贮存的滚动动能来转换成电能(此刻电机便转换人物,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很多电力(约81.6兆瓦)。每次弹射大约耗费飞轮储藏能量的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,恢复进程需求45秒,也就是EMALS两次弹射的距离。每台飞轮发电机的总分量约8.7吨,如果不计入外壳、安全设备等硬件,则飞轮体系自身分量只要6.9吨。飞轮发作的电力为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,运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。飞轮结构运用磁浮轴承,并在真空中作业,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),别离设置在飞轮转子的两边,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。飞轮发电机的作业功率是89.3%,均匀每一次弹射约有127千瓦的能量以热量方法耗费掉。 “福特”级设有4组EMALS,每2组弹射器由一组集中办理的FES交流发电体系供电,每个发电机组由4具FES飞轮构成,飞轮设置于飞翔甲板下方。每个飞轮机组中,即使任何一个飞轮失效,只靠别的3部飞轮作业,也能正常进行弹射。因为2套飞轮发电体系能施行动力交联而互相支持,全舰8个FES,即使5个失效,仍能继续保持弹射作业。因为继续高速旋转的飞轮会发作滚动力矩,难免会形成偏航的力矩,使航母有必要花费更大力气才干转向,因而每组飞轮以两两成对的方法设备在同一个基座上,经过旋转方向相反的飞轮来抵消彼此的旋转力矩。 图6EMALS的发电机 好像前述,EMALS在弹射进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便能依据飞机的实践速度来调整输出功率,均衡地分配弹射进程中的施力。此外,EMALS也能依据不同的机种来挑选恰当的弹射速度。整个加快进程之中,EMALS的峰值加快度仅3G,比起C-13-2蒸汽弹射器的6G大幅下降,有用下降弹射时机体的受力,估量能使飞机的寿命进步31%,也能防止过大的G值对飞翔员的生理影响。此外,当均匀加快度相一起,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,在于很广大的能量调理规模。关于机械性的蒸汽弹射器,只能依托调整供气阀来控制蒸汽流量,其调理功用最多只能到达1:6左右;而关于依托电力办理来控制功率的EMALS而言,功率控制就垂手可得,老练的大功率民用变电体系都能够轻易做到1:100以内的改变。 附录2: “福特”级航母电磁弹射器的测验进程 2006年,EMALS的主承包商通用原子公司在密西西比州图珀洛(Tupdlo)厂完成了长度只要一半(约50米)的EMALS概念模型,用于第一阶段高周实验(HTC-1),以验证电磁弹射器所需的电力、机电设备以及储能体系的充放电循环功率等。2008年9月3日,EMALS的HCT-1完成第10000次循环测验实验。 第二阶段高周实验(HTC-2)采用的是全尺度、全能量的EMALS原型,在美水兵空战中心坐落新泽西州赫斯特湖的航空工程站进行严厉的研制测验,进程中进行4000架次的模仿起飞作业测验,包括一系列实践作业环境下可能的正常、非正常条件测验。在水兵航空工程站缔造EMALS全尺度陆地测验设备的作业由汉索·费普斯建设公司(HenselPhelps Construction Co)担任,合同2050万美元,开端打算在2005年12月完成,不过因为EMALS进度落后,到2007年11月27日才为设备修建举办剪彩仪式,通用原子在2008年3月开端设备EMALS全尺度测验样机,原定在2009年2月开端作业测验,而实践上在2009年7月打开。 图7 赫斯特湖水兵航空站电磁弹射体系全尺度、全功用测验机(即HTC-2)的轨迹 2010年1月12日,在新泽西州赫斯特湖水兵航空工程站进行测验的电磁弹射器发作意外事故:当时体系下达弹射器往复车向前10米的指令,但是往复车却意外地反向运动,进而猛烈撞上甲板张紧器,形成多个设备损坏,其中直线电机电枢和甲板张紧器遭受的损害无法修正而有必要全体替换,弹射器绕组模块和弹射槽初始端也有损害,但能够修正,损失金额52000美元。意外发作后,美水兵航空体系司令部、水兵海上体系司令部和通用原子公司立刻中止一切关于电磁弹射器的测验,针对软件架构进行查看,并建立一个独立的改善软件架构委员会,随时向电磁弹射器工程评价委员会陈述软件的改善情况。完成软件查看后,2010年3月6日,电磁弹射器实验作业从头打开。这项意外导致EMALS测验作业延后3个月,使整个EMALS方案延后7个月。尽管遇到此波折,美水兵部长仍表示电磁弹射器进度没有落后。 2009年9月28日,美水兵航空体系司令部宣告EMALS完成高加快寿命实验(HALT)第一阶段以及体系功用验证(SFD)第二阶段的作业,其中HALT是验证EMALS的直线电机(发射轨迹)在海上作业条件下的表现,衡量其输出峰值乃至于极点环境下的表现;而SFD则承认体系预备好接下来进行的全尺度弹射归纳实验(弹射真实的舰载机)。SFD第二阶段测验体系中一切的动力组件以及发射控制单元,而之后的SFD第三阶段则测验EMALS中的一切部件尤其是实践测验将电力转换成机械动能的才干。从2009年秋季开端,EMALS开端测验弹射模仿舰载机分量的配重滑车以及专门用来弹射测验的退役军机(无人驾驶,弹射后就丢掉)。2010年9月23日,美水兵航空体系司令部宣告EMALS原型在新泽西州赫斯特湖航空站完成了SFD阶段的作业,并在10月初完成无负载和静负载弹射测验,包括以154节速率弹射相当于F/A-18E/F战机分量的静负载体系阶段。 随后,EMALS进入全面的体系功用验证──弹射实践飞机的兼容性测验(ACT)。2010年6月1~2日,EMALS初次弹射实机成功,这是一架水兵运用的T-45“苍鹰”(Goshawk)喷气式教练机;之后在6月9~10日,EMALS初次弹射C-2“灰狗”(Greyhound)舰载运输机;同年12月18日,EMALS初次弹射一架F/A-18E“超级大黄蜂”(SuperHornet)舰载战斗机。在2010年12月21日的测验后,EMALS便暂时中止测验,主要是因为先前测验时发现弹射器将飞机加快进程中,直线电机组件的定子模块之间传递力气时有空隙,无法到达顺利要求。研制单位方案在调整后,于2011年3月再度打开测验。依照原进度,EMALS在2011年上半年继续进行舰载机的弹射测验,第一批生产型的EMALS预定在2011~2012年交付以用于“福特”号。但是在2011年头的一份陈述指出,EMALS因诸多问题而导致进度推迟,而且耗尽了交付给纽波特纽斯船厂的时程裕度;如果接下来整个研制测验无法跟上轨迹而继续落后,就会影响到上舰的进度组织。不过,通用原子公司终究排除万难,在2011年5月9日交付第一套EMALS给美水兵,预备设备于“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原型初次弹射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初次成功弹射一架F/A-18E战斗机 在2011年末,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验(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经过构型修正,彻底改成与“福特”级航母相同的版别,然后在2013年6月25日进入ACT第二阶段测验,即依照舰载机在航母上起飞时可能会发作的情况来操作,包括违背中心弹射(off-centrelaunches)以及飞机体系失效(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)并验证了弹射要害牢靠度(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,除了继续测验ACT第一阶段的机种之外,还参加EA-18G“吼怒者”(Growler)电子战机以及较老旧的F/A-18C“大黄蜂”(Hornet)。2014年6月,美水兵完成赫斯特湖航空工程站的EMALS原型的一切测验,期间总计完成450次载人舰载机弹射,涵盖美水兵现役以及没有执役的机种。 图9 2011年11月18日,电磁弹射器原型成功进行初次F-35C弹射 在2014年2月美国防部向国会提交的陈述中,EMALS在新泽西州赫斯特湖航空站展开测验以来,一共累积进行1967次弹射测验(包括前期的静物弹射以及之后ACT阶段发射实机),其中201次失败,超越10%。换算成在舰上操作的均匀毛病距离时间(MCBF)或丧命毛病均匀距离时间(MTBCF)大约是240次(意味均匀每操作240个架次就会发作一次严重毛病),只要合格规范的1/5,无法到达美水兵规则能够投入战备的初始作战评价(Initial Operational Test Evaluation)要求。2013年9月政府审计总署(GAO)对EMALS与AAG的陈述中指出,依据当时的测验数据以及牢靠性的数学生长模型,EMALS的MTBCF要到2032年才干到达100次作业,而AAG的MTBCF需求比及2027年才干到达100次作业。2014年8月,美水兵表示,赫斯特湖航空工程站的EMALS已经进行超越3017次弹射,但还没有供给更新的测验评价的失败次数数据。 依照美国防部作战测验与评价局长(Director,Operational Test and Evaluation,DOT E)在2014财年提交的陈述,EMALS在赫斯特湖航空站测验时发现一个问题(约在2014年9月被初次提到):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快对挂载副油箱的机翼外挂架施予过大应力(超呈现有蒸气弹射器),可能引发结构损害;在这个问题修正前,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履行使命时的必要载荷。美水兵表示会修正EMALS软件来处理初始加快度过大的问题,并在“福特”号交付水兵之后验证修正的软件;而在赫斯特湖航空站的测验作业中,这个问题也没有形成任何的弹射失败。依据2017年6月底的新闻,此刻美水兵还没有履行相对应的修正办法。 2014年8月11日,“福特”号的EMALS弹射器初次进行甲板测验评价,测验体系中各项配备的作业。依据2015年3月下旬的音讯,此刻“福特”号已经设备好2组EMALS弹射器,行将展开初次舰上作业测验,而别的2组EMALS也在制造中。2015年5月13日,“福特”号的EMALS初次进行全速率无载荷弹射测验,进程中一共进行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初次实践弹射重达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月则设备储能设备。2016年5月,“福特”号上的EMALS完成一切舰上作业测验,4部弹射器一共完成242次静态配重物弹射。 图10 2015年6月9日,“福特”号的EMALS初次进行弹射测验,将配重物以160节的速率弹入詹姆斯河中 依据2016年7月下旬的音讯,此刻EMALS累积作业测验的均匀严重毛病距离大约是400次运作,与作战要求(每次严重毛病之间要能履行4166次起降)有明显距离,在继续4天的作战使命中没发作严重毛病的几率只要7%,而均匀严重毛病距离到达1600次运作,才干有90%的几率确保一整天的作战运作之下不呈现任何严重毛病。 2017年7月28日,刚执役一星期的“福特”号初次进行舰载机的阻拦下降与弹射起飞,这也是EMALS电磁弹射体系与AAG先进阻拦设备第一次在航母上进行舰载机起降作业。在此次测验中,水兵航空测验评价中队VX-23的F/A-18F“超级大黄蜂”经过AAG下降在舰上,随后由EMALS弹射起飞。 (来历:《舰船动态周报》2017年第30期) 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