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电磁弹射:军民融合十大硬科技系列报告之三

5月28日,美国总统特朗普突然宣布,要用传统蒸汽动力弹射器取代电磁弹射系统在航空母舰上的应用。与此形成鲜明对比的是,中国弹射之父马伟明院士表示,我国电磁弹射技术领先于美国,相对于蒸汽弹射功能提高了一倍以上。作为现代航母的关键技术,国防核心实力的标志性技术之一,电磁弹射技术也是重要的军民两用技术,比如,磁悬浮列车的启动使用的就是电磁发射技术。作为军民融合硬科技系列报告的第三篇,本文对我国电磁弹射技术的军民两用进行解读和展望。

图片来源:Grab HTML for Attribution

电磁弹射技术原理与主要应用

(一)技术概述

电磁弹射是一种新型的直线推进技术,是采用电磁能量来推动被弹射的物体向外运动,适用于短行程发射大载荷,在军事、民用和工业领域具有广泛应用前景。电磁弹射技术是对蒸汽弹射技术的一种迭代,通过电驱动代替传统蒸汽驱动的方式进行机械发射。

电磁弹射技术最广为人知的运用是在航空母舰弹射器上,其中美国经过了30年的研发周期,由国防采购商通用原子能公司(General Atomics)研制了飞机电磁弹射系统EMALS,并在福特级航母上搭载服役。我国在航母舰队领域起步较晚,但在综合电力推进系统中已取得关键突破和自主可控的能力,电磁弹射系统在国产航母中搭载可期。

图1 EMALS系统(图片来源:General Atomics)

(二)技术原理及组成

电磁弹射系统的技术原理是采用电能转化为磁能进而转化为载荷所需动能来推动物体快速达到一定速度。其系统由直线电机、储能系统、控制系统和电力电子系统等组成,其中直线电机是电磁弹射的动力装置,储能系统负责从航母配电系统中获取、储存和释放大量能量,电力电子系统负责控制脉冲放电,控制系统负责综合处理各种信息,详见下图2:

图2 电磁弹射系统技术原理图

(图片来源:根据《电磁弹射的发展和应用前景》整理)

与蒸汽弹射相比,电磁弹射具备四个方面的显著优势:一是电磁弹射器构成组件较少,体积约等于蒸汽弹射器的一半,为航母节省了大量的战斗单元搭载空间;二是电磁弹射器运营损耗小,而蒸汽弹射机械磨损严重,损耗较大,运转费用占整个航母全部设备维护费用的80%以上;三是电磁弹射器输出功率远高于蒸汽弹射器,有利于舰载机的快速弹射起飞;四是电磁弹射器可弹射一般舰载机和舰载无人机,而蒸汽弹射无法弹射舰载无人机。

(三)各国技术进展比较

如下表1所示,当前10个拥有航母的国家中,美国共拥有“小鹰”级、“尼米兹”级和“企业”级在内的13艘大型航母。在电磁弹射领域,美国处于第一梯队,其中EMALS已装备福特级航母,日出动舰载机架次可达270-310架次。马伟明院士曾表示:“我国电磁弹射技术具备上航母的条件,且技术上明显领先美国”,因此,也列为第一梯队的范畴。而俄罗斯目前正致力于研制一种新型航母舰载机弹射系统,投资800亿卢布,据判断该系统应为电磁弹射系统。而第三梯队的英国和法国则处于经济考虑或安全考虑,均宣布放弃电磁弹射的自主研究计划,转而向美国进行采购。其他拥有航母国家如意大利、泰国等目前多以垂直/短距起飞和滑跃式起飞为主要起飞方式,未纳入本文比较。

表1 电磁弹射技术的三大梯队

电磁弹射技术的军民应用

电磁弹射所用到的技术本身就有很多是从民用领域衍生而来的,比如高铁上的IGBT模块,是推动在电磁弹射技术中有效实现电能控制和转换的电力电子器件。储能,尤其是大容量的储能是分布式能源发展的关键。电磁弹射技术正持续向着提高弹射质量和出口速度等方向发展。随着技术的进展,未来可有效推动的应用领域如下:

一是在武器装备科研生产领域,电磁弹射技术可应用于火箭弹的发射。我国火箭弹技术较为成熟,且研制、生产成本低,精准度高,但最大的问题是在高原山地地区因空气稀薄导致“燃烧不充分”。采用电磁弹射技术能够有效解决该问题,且能够极大提升火箭弹的威力。电磁炮也是重要应用,利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速,使其达到打击目标所需的动能,与传统的火药推动的大炮,电磁炮可大大提高弹丸的速度和射程。采用电磁弹射技术一次性发射多架无人机,形成强大的“蜂群”效应,在未来的大规模无人作战系统中也大有用武之地。另外,电磁弹射技术还可以用于鱼雷发射、防空电磁炮等多个领域。

图3 中国电磁炮上舰(图片来源:中船重工集团)

二是在轨道交通领域,磁悬浮技术涉及到的电磁驱动技术,本质上和航母上的电磁弹射类似。只不过电磁弹射技术所需要的能量和加速度要比磁悬浮高至少一个数量级。近日我国时速600公里的高速磁悬浮试验样车正式下线,标志着我国在高速磁悬浮领域取得重大突破。在各种中长距离交通工具中,高铁时速一般是300公里,飞机时速一般是900公里,磁悬浮列车时速处于二者之间,尤其是在近距离领域,补充了一种新的交通出行选择。上海磁悬浮专线2006年就已经投入商业运营。

图4 上海磁悬浮列车

(图片来源:上海磁浮交通发展有限公司)

三是在物料输送和搬运传输领域,利用电磁弹射装置中的直线电机作为核心拖动技术生产的邮政包裹自动分拣系统在我国已经投入使用。利用电磁弹射原理的分拣系统分配精准、性能稳定,效率翻番且自动化程度高。在工厂自动化中,这样的技术也可以应用于对移动机构的定位、执行元件的性能及控制要求较高的场景。

四是在商业航天领域,电磁弹射技术未来可能部分或完全替代运载火箭,利用电磁力加速卫星、飞船等有效载荷穿过大气层进入太空,从而实现新型航天器的低成本重复发射,远期用于实现未来航天器的天地往返。2017年初,有媒体报道,航天科工将研发两款由地面大型电磁弹射系统发射的运载火箭,分别为羽舟系列电推火箭系统和轻舟系列液体运载火箭,预计于2020年完成电磁发射演示系统建设及原理验证试验。此外,电磁弹射技术还可以应用于空间轨道转移器。

图5 电磁弹射运载火箭(图片来源:中国航天科工集团)

此外,在基础科学领域,电磁弹射技术还可用于高压物理实验、惯性约束核聚变、电磁金属成形等领域的研究工作。

推动电磁弹射技术发展的对策建议

相较于美、英、法等发达国家,我国电磁弹射已经突破了技术瓶颈。但在应用方面,还落后于美国,如何发挥好电磁弹射技术革命性的技术潜力就成了当前必须考虑的一个核心关键问题。在未来推动电磁弹射技术的发展中,提出对策建议如下:

(一)方向上要“不畏浮云遮望眼”

虽然特朗普以技术过分先进、造价过分高昂为由宣布要放弃电磁弹射的应用,但从国家战略、技术进展及未来拓展应用考虑,我国宜保持战略定力,进一步推动相关研究,保持电磁弹射技术的国际领先性,确保主导权和主动权。

(二)应用上要“百花齐放、百家争鸣”

如前所述,电磁弹射技术不仅在军事领域有战略意义,在民用领域的应用空间也十分巨大。我国电磁弹射技术所取得的突破,也得益于国内雄厚的制造业产业基础,建议进一步采取措施,鼓励电磁弹射技术和产品研究的军民融合,一方面进一步完善武器产品,更重要的是,加快电磁弹射相关技术在航空航天、交通装备、物流装备和基础研究等领域推广,带动更多民用高端装备产品的研发,促进供给侧结构性改革。

表2 电磁弹射技术市场规模判断(单位:人民币)

(数据来源:Wind相关数据,产新智库估算)

(三)重视电磁弹射技术产业链建设

在研究层面,电磁弹射技术的基础研究投入大、周期长,需要国家层的科研计划统筹推动;在应用层面,电磁弹射技术的应用空间巨大、涉及面广,但部分应用属于革命性的迭代,难度较大。产学研政军协同,构建电磁弹射从基础研究到应用研究再到商业化的全产业链发展优势势在必行。充分发挥军工集团的基础优势,打造电磁弹射技术应用与推广的龙头企业,并链接配套企业,打造参与国际市场竞争的利益综合体。

参考文献:

[1] 国防科技大学学报,马伟明,鲁军勇.《电磁发射技术》;

[2] 国防科技大学研究生学位论文,崔鹏.《新型电磁发射技术的研究》;

[3] 中国航天报,李艳明.《电磁弹射:距离运用还有多远》;

[4] 军事文摘,宫春科.《美军最新型“福特”级航母上的电磁弹射系统》;

[5] 中信证券军事装备专题报告电磁专题之二.《电磁弹射》

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