【专题研究】“福特”级航母电磁弹射器的基本情况与问题

2009年电磁弹射器开始步入生产阶段。6月，美国海军授予通用原子公司电磁弹射器生产合同。第一部舰载电磁弹射器已于2011年5月9日交付，最后一部弹射器计划于2014年初交付。4部电磁弹射器在2015年初进行装舰后的试验，并在2015年末交付美海军。

图1 “福特”级航母电磁弹射器研制历程

三 基本情况

3.1

系统组成

电磁弹射器主要由储能系统、弹射直线电机、电力电子变换系统和控制系统四部分组成，其中弹射直线电机是核心，通过控制输往弹射直线电机的电流大小，可以产生相应的推力，将舰载机在短距离内加速到起飞速度。

（1）储能系统

由于电磁弹射器对电力的需求很大，在弹射较重的舰载机时，整个电磁弹射器的峰值功率要达到100多兆瓦，在目前条件下，这部分用电无法直接依赖航母电力系统的实时供给，必须依靠储能系统将所需的电力事先储存起来。储能系统的电能来自航母电力系统，在需要的时候瞬间释放出来。

电磁弹射器的储能系统需解决的问题是，如何在一定的重量和体积限制下储存所需的电能，并在3秒内将储存的能量按照功率要求释放出来。能够满足电磁弹射器储能需要的现成系统由于体积和重量的原因无法应用到航母上。目前，美国海军的电磁弹射器采用的是飞轮储能（FES）装置。

（2）弹射直线电机

弹射直线电机安装在飞行甲板下面，它利用电力电子变换系统馈电，生成行波磁场，其运动部分在电场力的作用下，带动往复车和舰载机沿弹射冲程加速。舰载机脱挂后，弹射直线电机的运动部分在反向行波磁场的作用下，以低速回复到初始磁场阵位上。弹射直线电机代替蒸气弹射器的汽缸和活塞，而蒸气弹射器原来位于飞行甲板上的往复车及其与飞机之间的接口仍然保留。

（3）电力电子转换系统（交-交变频器）

电力电子变换系统从储能装置获得电能，并负责将这些电能转换成功率和电压逐渐升高的恒流交流电，供给弹射直线电机。电力电子变换系统是让电磁弹射器上舰的关键技术，通过提供不同的电压和频率，可让电磁弹射器在任一速度下，都能以最高的效率工作。变频范围是0~644赫兹和0~1520伏。最大弹射时输出电流峰值6400安培。

目前美国通用原子公司用其商业电力设备产生的固态技术将这种电子装置浓缩成紧凑的模块，安装在航母的飞行甲板下。

（4）控制系统

控制系统确保电磁弹射器的弹射作业按照预定的参数完成，它通过精确控制供给弹射直线电机的电流，能够获得远低于蒸汽弹射器的峰均推力比。在可能的条件下采用民用成熟技术和部件，系统本身也采用了冗余的体系结构，使得整个控制系统将具有很高的可靠性。为了便于安装和维护，并大幅降低全寿期费用，美国海军特别强调控制系统的模块化。

控制系统含有一个闭环速度控制器，该控制器用于控制不同位置的速度，以满足不同重量飞机和外部干扰（如风）条件下对末端速度和加速度的要求。它实际上是对作用在舰载机上的力进行控制，即针对不同的舰载机，对弹射力进行精确的控制，使加速度保持恒定，且能够保证在弹射冲程内将舰载机加速到起飞速度。另外，控制系统还能对弹射过程进行实时监控。

3.2

技术指标

电磁弹射器的技术指标要求取决于飞机、航母和舰载机联队的作战需求。美国海军最初对电磁弹射器提出了技术指标要求，后来技术指标有所调整，主要对电磁弹射器的重量、体积的指标进行了调整，其他指标都没有变化。

表2 最初提出的电磁弹射器技术指标

3.3

技术特点

电磁弹射器主要有以下特点：

（1）构成相对简单，体积小，重量轻，易于布置

电磁弹射器主要由储能系统、弹射直线电机、电力电子变换系统和控制系统四部分组成，与蒸汽弹射器相比，其构成要简单得多。

现有蒸汽弹射系统每部弹射器和相关的船体结构重量约538.5吨，体积1132.8米3，电磁弹射系统的研制目标是每部电磁弹射器小于上述重量和体积。

更为显著的是，电磁弹射系统在布置位置上没有限制，布局上有更大的灵活性，将能量从舰上一个地方传送到另一处相对较为容易，而不像蒸汽弹射器需要蒸汽管那样大的干线管路，这给航母设计者提供了更有效地布置舰上空间的机会。

另外，电磁弹射器使用电力，只需足够的电力即可，航母的原动力选择灵活；而蒸汽弹射器需要蒸汽源，航母一般采用蒸汽动力或核动力装置，否则还需要专门为蒸汽弹射器配备辅助锅炉提供蒸汽（这将极为不经济且占据大量空间和重量）。

（2）反应快，可靠，易维护，效率高

在反应速度方面，电磁弹射器利用直线电机进行弹射、制动并使往复车复位，在完全关闭的条件下不到15分钟内就能达到待用状态；而蒸汽弹射器需要不断给弹射槽加热，在储气筒无蒸汽的情况下，要达到待用状态需要数小时时间。

在可靠性方面，电磁弹射器用直线电机对舰载机加速，结构简单，其电力电子变化系统、控制系统都在民用成熟技术基础上发展而来，整个系统采用容错设计，出现故障时仍能满足弹射要求，并具有快速纠错的能力，这些使得电磁弹射器相对蒸汽弹射器而言，具有更高的可靠性。

在易维护性方面，蒸汽弹射器在多年使用中被证明是需要大量人力的，其维护工作被美国海军维护人员称为“梦魇”；而电磁弹射器可实时自动监视系统运行，提供故障和维护信息，且其自身具有自检测、自纠错功能，能大大减少检修工作量和对维护人员数量的需求（比蒸汽弹射器减少30%左右），降低全寿期费用。

在能量利用率方面，典型蒸汽弹射器一次弹射作业一般要消耗614千克蒸汽，每次弹射结束都有大量蒸汽被排出，带走大量能量，能量利用效率一般仅在4%～6%之间；而电磁弹射器的效率可达到60%甚至更高，弹射作业时对能量的需求大为降低。

（3）易于控制和调节，可弹射舰载机的范围广

电磁弹射器可在几百微秒内不断修正推力偏差，将推力最大峰值与均值比控制在1.05以内，对舰载机的作用力均衡，可延长舰载机使用寿命；而蒸汽弹射器没有闭环控制系统，弹射时对舰载机的推力最大峰值与均值比最大可达到2.0，对舰载机机身的作用力极不均衡（二者对比见下图）。若蒸汽弹射器加装闭环控制系统，将有助于减小推力最大峰值与均值比，但这种闭环控制系统的构成将会极其复杂，不仅效果未知，还将进一步增加系统的复杂性。

图2 蒸汽弹射器（左）和电磁弹射器（右）推力变化比较

蒸汽弹射器最大弹射能力约为101.69兆焦，而电磁弹射器弹射飞机的最大能力约为122兆焦，能使更重和起飞速度更高的飞机上舰。电磁弹射器目前更明显的优势还在于，它能够通过调节电流等措施，对弹射力进行大幅度调节，扩展了航母使用飞机的能力范围，使其既能够弹射重型舰载机，又能弹射轻型舰载机，如较轻的无人机。而蒸汽弹射器虽能通过改变设计参数，如增大弹射汽缸的缸径或增加储汽罐内蒸汽的压强，以弹射更重的舰载机，但其弹射力无法大幅度调节，同一个蒸汽弹射器很难同时具备弹射较重和较轻舰载机的能力。

（4）顺应舰艇全电力化趋势

舰艇的全电化是不可阻挡的趋势，电磁弹射器与蒸汽弹射器相比，更加匹配全电力化的航母。如果两艘航母除了弹射器之外，其余系统均采用电力，很明显，采用电磁弹射器的航母将能够提供更高的发电量，也能够为弹射器以外的其它系统提供更多的电力。这是因为，采用蒸汽弹射器的航母，其弹射器需要消耗大量的蒸汽，这部分蒸汽不能用于发电，在弹射舰载机时，效率也非常低，只有6%左右，该航母必须提供更多的能量给蒸汽弹射器，减少了用于发电和推进的能量，供其它系统使用的发电量也较小。

而在采用电磁弹射器的航母上，如美国“福特”级航母，除推进外所有的系统都采用电力，其发电量是采用蒸汽弹射器的“尼米兹”级航母的2.5～3倍，航母可以根据需要对更多的电力进行分配；电磁弹射器的效率可达60%甚至更高，它消耗的能量也远比蒸汽弹射器少，因而，同样在弹射舰载机时，采用电磁弹射器的航母能够为其它系统提供更多的电力

（5）与民用联系紧密，前景广阔

首先，在研发上可借鉴民用技术。电磁弹射器最核心的技术之一是直线电机技术，该技术有很强的民用基础，电梯、机床、磁悬浮列车、轨道列车等都已运用了这一技术，电磁弹射器可在研制过程中借鉴相关方面的研究成果。电磁弹射器的牵头单位是通用原子公司，磁悬浮列车就是该公司的业务领域之一。电磁弹射器的其他关键技术，如飞轮储能技术、电力电子变换技术、控制技术也均在民用技术基础上研发。20世纪80年代，正是因为相关民用技术有了巨大进步，美国海军看到了电磁弹射器以较低成本研制成功的曙光，才正式开始了电磁弹射器的工程研制。可见民用技术本身的进步已对电磁弹射器的研制起到了较强的推动作用。

其次，有利于形成军民良性互动的发展局面。与蒸汽弹射器不同，电磁弹射器的研制成果将具有广泛的民用市场，有实实在在的市场需要。如美国航空航天局已在空间站安装了48个飞轮储能系统，可提供超过150千瓦的电能；德国西门子公司研制的长1.5米、宽0.75米的飞轮储能系统，可为火车提供3兆瓦的功率等。电磁弹射器的这些关键技术转为民用后，还可能在激烈的竞争中发展得更为成熟、可靠，在其取得重大突破时再通过技术移植进一步提高电磁弹射器的性能，如此往复，可形成一个军用、民用良性互动、共同提高的局面。

此外，从工业基础角度看，由于电磁弹射器的关键设备和技术有很强的民用背景，民用市场的支持使得相关企业不需要过多的国防经费投入就能维持自己的生存和发展。而蒸汽弹射器只用于航母，无法市场化，每年都需大量经费投入才能维持其生产线。

四 存在问题分析

4.1

存在问题

作为提高“福特”号航母出动架次率的关键技术之一，美国电磁弹射器的研制一直不是很顺利，出现了技术指标不达标、进度一再拖延、成本严重超支等问题，具体如下：

（1）重量体积超标

2007年初，美海军发现，4部EMALS弹射器超重400吨（每部弹射器重630吨，比要求的超出100吨）。同时，EMALS体积也存在超标现象。

（2）电磁干扰

由于电磁效应，EMALS可能会干扰航母上其它系统或弹药，并有可能对航母或人员造成伤害。EMALS的设计趋于稳定后，出现了大量的电磁效应问题。

（3）储能系统的技术问题

EMALS的储能装置最初采用钢制夹片，2007年1月，研制人员发现钢制夹片引起了弧形电场，后来采用塑料材质解决了这一问题。此外，EMALS储能装置样机在集成和测试时曾遇到严重问题，包括储能装置漏油、在4200转/分钟时振动、发热问题等。

（4）往复车反向

2010年1月12日，美国正在研制的EMALS发生试验事故，给整个项目带来不小的挫折。这一天，在美国新泽西州赫斯特湖航空工程站进行的电磁弹射试验中，本应在电磁场作用下向前移动10米的弹射器往复车（也有译作“拖梭”）竟然反向移动，猛烈撞击在后部的甲板张紧器上，造成多个设备损坏。事故之后的调查表明，直线电机电枢和甲板张紧器的损坏无法修复，只能更换新的部件，对绕组模块和弹射槽末端的损伤可修复。

（5）不能隔离维修

EMALS此前发现的大多数问题均已得到解决或控制，目前最主要的问题是，当EMALS系统出现故障的时候，维修人员没有办法隔离受损系统进行维修，这加剧了问题的严重性。“福特”号每一部EMALS弹射器之间无法做到电隔离，即任意一部弹射器发生故障，必须关停所有弹射器才能检修，而等系统关停需1.5个小时。这意味着一个弹射器出现故障，在进行飞行作业的时候，是不能进行维修的，这样增加了故障维修时间和难度，严重影响航母作战能力。维修必须等到所有弹射飞行任务完成后，把所有4部弹射器全部断电后才能进行。这意味着从技术上讲，EMALS的战场紧急维修将是一项不可能完成的任务，这是因为当一部弹射器出故障时，全舰的4部弹射器都会瘫痪，目前尚无解决办法。而与其相比，“尼米兹”级航母所配备的四部蒸汽弹射器可停用任意一部，在其它三部照常工作的情况下进行检修。

（6）能源管理系统故障

据美国海军学院新闻网2020年6月8日报道，美海军在6月7日的一份声明中表示，“福特”号航母的电磁弹射器在近期海试期间发生故障，使得航母五天内无法弹射飞机。故障具体经过为：6月2日，舰员发现电磁弹射器中连接舰船发电系统和电磁弹射器储能系统的能源管理系统出现故障。该故障发生在飞行作业前对能源管理系统进行手动设置期间。经过舰上电磁弹射器专家和舰员数天的故障排查和评估，电磁弹射器于6月7日恢复工作。

（7）可靠性不足

尽管“福特”号航母电磁弹射器的技术问题逐步得到解决，能弹射的机型也逐步扩展到所有舰载机，但其可靠性问题一直很严峻。根据美国国防部作战试验鉴定局发布的“福特”号航母2017财年试验鉴定报告，截至2017年6月，通过电磁弹射器陆上试验估算的电磁弹射器关键故障间周期（Mean Cycles Between Critical Failure）为455次，远低于目标值的4166次。按此可靠性指标，电磁弹射器完成4天高强度飞行（24小时作业）的概率仅为9%，完成一天持续飞行（12小时作业）的概率为70%。要使弹射装置1天无故障持续作业的几率达到90%，关键故障间周期需提升至1600次。根据“福特”号航母2019财年试验鉴定报告，“福特”号航母2017年7月服役后开展了为期一年的试验，期间利用舰上的电磁弹射装置完成了747次F/A-18E/F舰载机的弹射，在此期间电磁弹射器出现了10次关键故障。海军确认了导致这10次关键故障的9个事故原因，这些故障因素迄今仍未完全得到解决。

4.2

问题原因及改进措施

（1）重量体积超标问题

EMALS研制之初，承包商按照系统重量最小的标准制造了电磁弹射器样机。当美海军定义了舰船生命力需求后，EMALS设计作了相应修改，分散布置了EMALS的部件，并增加了电缆的数量。这导致EMALS重量超标，需要对航母其它地方进行重量的重新分配，并需要重新设计子系统。通用原子公司提出了降低弹射器重量的方案，但为了避免风险和影响航母的建造进度，美海军决定接受弹射器超重的现实。后来弹射器的重量分配标准作了调整。其重量控制在新标准的范围内。

针对EMALS体积超标问题，后来美国海军改变了弹射器设备之间相互独立的规定，允许4部弹射器相互借用电气系统和变换器，解决了体积超标问题，但这导致了它们之间不能进行电隔离，从而不能实现隔离维修。

（2）电磁干扰问题

针对EMALS可能产生的电磁干扰效应，项目组邀请有关专家，成立了一体化项目小组来分析电磁效应。美海军的试验表明，通过适当的电磁兼容设计和磁路闭合电动机设计，电磁干扰问题能够得到解决。2010年5月，所进行的F/A-18E和T-45飞机试验没有迹象显示EMALS会对飞机产生电磁干扰，这说明电磁干扰问题可能在某种程度上得到了解决。

（3）储能系统的技术问题

针对EMALS储能装置样机在集成和测试时曾遇到的漏油、在4200转/分钟时振动、发热问题等，通用原子公司随后重新开发了一个样机。经过2008和2009年的高周试验后，证明储能系统可以在最大发热限定条件下能正常工作。

（4）往复车反向问题

针对2010年1月EMALS试验过程中出现的往复车反向问题，事后证明，该故障是由于软件问题引起。实验室后来迅速实施了补救措施，改进了软件结构控制方案，在经过抢修和再检测后，2010年3月6日，弹射器的试验工作重新恢复。

（5）不能隔离维修问题

EMALS不能进行隔离维修，这是由于其存在基本的设计缺陷，四部弹射器所采用的能量存储组件和功率转换子系统逆变器为共享设备，而不是独立设置的。EMALS的设计制造公司通用原子公司没有为4部弹射器设计建造独立电源，4部弹射器的电流驱动系统无法像传统蒸汽管道那样隔离运行。上述设计缺陷与EMALS本身巨大的体积、重量等因素直接有关。根据所搜集到的资料显示，目前没有证据表明美海军会为解决EMALS不能进行隔离维修的问题而进行设计变更，因为这种变更将是颠覆性，所花费的时间、资金等将是非常庞大的。有资料指出，如果拆除EMALS、安装老式的蒸汽弹射系统，花费会超过5亿美元，且耗时很长，还会导致许多其它内部变化。

（6）能源管理系统故障

2020年6月8日，美海军发言人表示，美海军目前仍在查找导致该故障的根本原因。

（7）可靠性不足

美海军电磁弹射器的可靠性仍存在很大的不确定性，2020年6月初海试期间再次出现故障，也是电磁弹射器可靠性问题的一个反映。可以预见未来电磁弹射器可靠性问题仍将持续困扰美国海军。

五 总结与启示

5.1

总结

总结“福特”级航母电磁弹射器存在问题，从问题归因、问题性质、相互关系等方面可以得出以下几点：

（1）问题归因方面，与先进武器升降机、双波段雷达不同，造成“福特”级航母电磁弹射器问题频出的原因，以客观技术问题为主，主观因素为辅。纵观其整个研制历程，除了“生命力需求提出滞后，间接导致无法隔离维修”为“后果很严重、主观可规避”类问题之外，其它问题基本为客观技术问题，对于全新研制系统设备来说具有一定的必然性。

（2）问题性质方面，大部分为完全可解决类，少量为部分可解决、无法解决类。其中，“可靠性不足问题”属于部分可解决类，需要通过持续试验、测试、参数调整等技术途径逐步优化提升；“无法隔离维修”则属于无法解决类，只能通过限制使用（维修、使用不同时进行）等方式予以被动接受；其它问题多属于完全可解决类，且目前大多已实际解决。

（3）相互关系方面，部分问题存在一定的因果关系，如为解决“重量体积超标问题”，从而导致了“不能隔离维修问题”，但二者根源都在于未能在供应商制作样机之前明确生命力需求。

5.2

启示

总结“福特”级航母电磁弹射器基本情况与存在问题，可以得出以下几点启示：

（1）重大设计输入应及早明确。对于新研系统设备来说，前期设计输入不明确是常态，但这不能成为后期设计颠覆的理由，解决途径是可根据对后续研制影响程度的大小等因素将设计输入进行分级分类。其中，对于可能对后续设计制造带来颠覆性影响的设计输入应及早明确，若实在无法明确，也应制定合理可行的预案，从而有效规避相关颠覆性技术风险。

（2）技术先进性与可靠性应并重。武器装备的理论作战能力取决于技术先进性，实际作战能力则取决于可靠性，可靠性对于武器装备的重要性可见一斑。但在实际研制过程中，由于可靠性的“吸睛度”、可验证性均不及技术先进性，导致其“前期不重视、后期再买单、不行就这样”的不良做法。解决途径是在装备研制的各阶段，均应把技术先进性与可靠性并重，建立覆盖论证、设计、建造、测试、交付全过程的可靠性指标体系及验证方法，并在研制过程中予以落实。

（3）新研系统设备务必严格落实技术成熟度管控。“心急吃不了热豆腐”，各级机关及工业部门对于新研系统设备期待的心情可以理解，但装备研制必须遵循其客观规律，否则只会适得其反。技术成熟度体系已被实践反复证明是管控技术风险、促进项目成功的有效手段，新研系统设备务必严格落实技术成熟度管控。

作者：刘振，邓秭珞

校对：王娜，吕君

——2020年第20期（总第197期）《舰船动态周报》