电磁弹射器
电磁弹射器（别名：电磁飞机推进系统，英语：Electromagnetic aircraft launch system, abbreviation：EMALS）它是一种在航母甲板上利用直线电机产生的电磁力将舰载机加速到起飞速度的弹射装置。电磁弹射器主要由储能系统组成、电力电子转换系统、弹射直线电机和控制系统由四部分组成，其中弹射直线电机是核心，其工作原理是利用电磁作用原理产生的电磁推力使飞行器加速。与蒸汽弹射器相比，电磁弹射器的优点是电磁弹射功率可调通过调节输出电流，起飞重量可达200公斤-它可以在35吨之间调节，可以弹射许多不同类型的飞机。此外，电磁弹射器中的能量利用率可以达到60%甚至更高，弹射作业时对能量的需求大大降低，作业效率明显提高。目前只有美国和中国研制成功，分别配置在“福特级核动力航空母舰”和“中国人和中国人中国人民解放军海军福建舰”上。
美国是世界上第一个成功研制电磁弹射器的国家，也是第一个在航母上使用电磁弹射器的国家。20世纪80年代，美国开始研究电磁弹射器的可行性1988年研制出小尺寸弹射器模型，对电磁弹射器的一些关键技术进行了前瞻性探索。进入21世纪后，随着电力电子技术的发展、直线电机、随着储能系统和控制技术的发展，美国启动了真正实用的电磁弹射器的研发工作，并选择通用原子公司开发全尺寸模型、全功率、半长电磁弹射器原型。2010年12月18日，美国海军在新泽西州莱克赫斯特基地成功弹射F/A－这18架舰载机标志着电磁弹射器的实战化和成熟化。
中国的发展与创新美国航母起步较晚，对航母起飞装置的研究走蒸汽弹射和电磁弹射并行发展的路线。据西方媒体报道，中国在2008年首次完成了电磁弹射器原理样机的科研工作。在马伟明 海军工程大学的s团队十多年来，中国已经完全攻克了电磁弹射系统的所有关键技术最直接的技术应用是中国 美国第一艘电磁弹射航母3354“中国人和中国人中国人民解放军海军福建舰”
历史沿革
研制背景
美国：二战结束后，英国在1952年“英仙座”航母上的蒸汽弹射器试验是成功的，美国是在1954年“汉考克”蒸汽弹射器设备的弹射操作是在号航母上完成的。因此，蒸汽弹射器被美国航母广泛装备到2023年，美国现役的11艘航母中有10艘使用蒸汽弹射器。
如今， 美国已经完全掌握了蒸汽弹射器技术。美国拥有丰富的蒸汽弹射器使用经验和实战经验，但随着舰载战斗机重量的不断增加，对弹射架次的要求也越来越高，且结构复杂、体积巨大弹射周期长的蒸汽弹射器已经不能满足航母的高强度作战要求。蒸汽弹射器的工作原理是高压蒸汽推动活塞带动弹射轨道上的滑块将与之相连的舰载机弹射出去。蒸汽弹射器体积庞大，工作时消耗大量蒸汽，动力浪费严重，只有6个左右%的蒸汽被利用。同时，由于蒸汽弹射器的机械磨损严重，几乎需要500人来保证蒸汽弹射器的运行和维护，整个蒸汽弹射器的维护成本几乎占整个航母总设备维护成本的80％另外，蒸汽弹射器弹射舰载机需要消耗大量淡水以尼米兹级航母为例，舰载机每弹射一次，需要消耗一吨淡水。因此，美国从上世纪80年代开始对电磁弹射器进行技术储备和深入研究。
中国：中国的发展与创新美国航母起步较晚为了追赶国际领先技术，弥补航母发展的短板，美国将蒸汽弹射器广泛应用于航母，电磁弹射器的研究也取得了进展中国对航母的起飞装置采取了蒸汽弹射和电磁弹射并行发展的路线。
发展历程
电磁弹射器是中国在世界上研制的、美国、英国、法国、俄罗斯和其他国家，也是唯一真正拥有完整研发能力的国家d和制造能力并将电磁弹射器应用于航母的是中国和美国。
美国
上世纪40年代，美国海军首次提出了电磁弹射起飞的概念。当时，西屋电气公司使用的型号是 Electopult（中文：电力牵引是指直线感应电机）该装置用于全尺寸飞机的弹射试验。由于这一项目运营成本较高，与当时主流的液压弹射器相比差距较大，美国在二战结束后放弃了相关研究。
1981年，美国海军恢复了该机电磁弹射器的可行性研究，以确定其是否能成功将飞机从航母上弹射出去。1988年，美国海军电磁弹射系统研发团队研制出12英尺的小型弹射模型，并通过小型直线电机系统的原理试验验证了直线电机、变频器、控制环节的设计思想、计算方法的正确性证明了电磁弹射器的可行性。研究团队使用该模型测试了性能和电磁辐射结果表明，其静态推力可达500千牛顿以上，弹射式直线电机的电磁辐射也可控制在凹槽结构内。此后，电磁弹射器被美国海军视为蒸汽弹射器的可行替代品。在R 电磁弹射系统d团队开发了电磁弹射器的比例模型并成功进行了测试，美国海军进行了许多设计研究、硬件演示和技术讨论，但由于资金问题，研究的范围和规模有限。
上世纪90年代末，经过论证，美国海军决定建造新一代CVN 21(即福特级)航母上使用的是电磁弹射器。1999年，电磁弹射器项目立项，美国海军发布招标，通用原子公司、诺斯罗普·格鲁门公司各自开发了一个半长的样机参与竞标。
经过四年的计划定义和风险降低阶段，美国海军航空系统司令部在仔细比较后于2004年4月2日选择了通用原子公司的EMALS（电磁弹射装置）方案，并与通用原子公司签署了一份为期四年的电磁弹射装置项目合同，其中规定通用原子公司应开发一套全尺寸装置、全功率、长度缩短的电磁弹射原型系统。
2008年4月， 通用原子公司 美国电磁弹射装置项目组通过了60MJ储能、60MW 电动/发电机的出厂验收试验标志着电磁弹射装置的最后一道技术障碍已经扫清。
电磁弹射器2009年，美国海军授予通用原子公司5.一份价值73亿美元的合同，使其成为海军CVN-21计划的第一艘福特级航母CVN78建造了舰载电磁弹射器。
从2004年到2009年的五年间，通用原子公司对电磁弹射器进行了70000多次高周测试和6800多次高加速测试高强度实验验证了电磁弹射装置的可靠性、实际工作条件下的使用寿命和性能，从而发现可能存在的问题。
2010年6月初，美国海军在新泽西州莱克赫斯特的海军航空站进行了一次电磁弹射器测试测试机器是一台t-45C教练机。这是美军使用电磁弹射器进行弹射实验的第一型飞机。6月9日、10日，美军对c-2运输机进行弹射实验。同年12月18日，美军利用电磁弹射器成功转移一架FA-18E“超级大黄蜂”战斗机弹射升空。次年11月18日，美军成功使用电磁弹射器弹射f-35C舰载隐形战斗机成功。
2011年5月9日，通用原子公司向美国海军交付了首架舰载电磁弹射器。
2015年6月初，美国海军福特号航母首次成功完成电磁弹射试验，将道具车弹入水中，标志着最新的电磁弹射系统已投入使用。
自1980年以来，美国已经掌握了30多年，并成功开发了用于航母起飞的电磁弹射系统。
2024年2月22日，美国海军网站发布了福特级二号核动力航母的消息'肯尼迪'电磁弹射器和视频s测试。画面中“肯尼迪”电磁弹射器被用来将几辆36吨重的拖车弹射入水中。这些拖车用于模拟大型舰载战斗机。美军称，“肯尼迪”号已完工90%计划于2025年交付海军。
中国
据西方媒体报道，他自2002年以来一直是海军工程大学的教授、在中国工程院院士少将马伟明的领导下，中国于2008年首次完成了电磁弹射器原理样机的科学研究。此后，我国开展了1:1电磁弹射器验证设备的研发工作表彰海军工程大学马伟明教授2010年1月10日上午，中央军委授予马伟明同志海军工程大学一等功。
2014年，美国媒体发布了一组卫星照片，照片显示中国在某地建造了电磁导轨高速牵引装置原型试验设施，这是继美国之后第二个在电磁弹射器方面的地面实验设施。美国媒体推测，这个测试装置长约120至150米，电磁轨道估计长约80米它能够建造如此大规模的实验设施，这足以证明中国已经完全验证和掌握了大型直线感应电机、电磁弹射器 先进的强制储能装置和高性能脉冲发生器等关键技术。
2017年，少将尹卓在接受采访时透露，中国海军-舰载机在电磁弹射中已经弹射了数百次中国航母可以在没有核动力的情况下进行电磁弹射，使用综合电力推进系统的能量转换效率更高。
2023年6月，马伟明卢俊勇两位教授在海军工程大学发表论文“电磁发射技术的研究现状及挑战”指出海军工程大学经过十余年的艰苦努力，攻克了电磁发射系统的所有关键技术。中国2022年下水的第三艘航母应用了电磁发射技术“中国人和中国人中国人民解放军海军福建舰”事实上，该航母配备了先进的电磁弹射和阻拦装置。
其他国家
英国：2001年，EMKIT在英国推出（电磁动力集成技术）根据R d计划中，EMKIT电磁弹射系统计划用于英国海军航母弹射无人机它的设计要求是弹射飞机的质量小于500公斤，最终弹射速度约为每秒50米，每小时可完成5次弹射。电磁弹射项目于2005年开始研制，2006年12月，在莱斯特郡的试验场完成了EMKIT系统的首次试运行；2007年2月，EMKIT成功进行了特定弹射速度的测试，同年7月进行了满载测试。英国的EMCAT系统在技术和性能上接近美国通用原子公司的EMALS。
法国和德国：法德圣路易斯学院”提出了一种能弹射数百公斤无人机的电磁弹射器设计方案。它采用长初级结构的永磁同步直线电机，三相定子绕组全程集中。电磁弹射器的技术指标是可以弹射350公斤的无人机；喷射结束时，速度达到每秒50米；导轨的长度为14米；推到33万头牛左右。然而，法国已经决定从美国采购电磁弹射器，以安装在法国海军的下一艘航母上，预计总量为13艘.21亿美元。
俄罗斯：2018年7月4日，俄罗斯联合造船公司（USC）总裁阿列克谢·拉赫曼诺夫告诉塔斯社，该公司正在为航母开发电磁弹射器。
工作原理
航母上的电磁弹射器是利用电磁作用原理产生的电磁推力来加速物体。由于电磁驱动力与电流的平方成正比，只要保证足够的电流输入，就可以在发射装置中产生足够的推力，使物体达到更高的速度。这个原理和电磁轨道弹射子弹磁悬浮列车的运动非常相似。电磁弹射器依靠直线电机作为动力，线圈通过强电流产生磁场，从而推动与磁模块相连的磁模块“往复车”高速推进，为战机起飞提供了强大助力。其中，直线电机是电磁弹射系统的核心在直线电机的驱动下，放置在弹射轨道下方的弹射次级和弹射初级通过电磁相互作用实现驱动“往复车”运动加速了飞机的起飞。电磁弹射系统还需要精确控制弹射末端速度和加速度，综合控制系统是整个系统“大脑”，可以对直线电机进行实时反馈控制，并对各种信息进行联网和交互处理。
电磁弹射系统弹射一架飞机，峰值功率会超过100 MW，直接通过航母上的发电机供电是不现实的因此，有必要寻找一种高能量密度的储能方式。目前技术上最可行的储能装置是飞轮储能系统在储能过程中，船上的动力系统不断给巨型飞轮加速，使电能转化为飞轮的动能并积累起来。当飞机弹出时，飞轮储能系统在2中用作发电机-在3秒内输出巨大的电量。
组成系统
电磁弹射器主要由储能系统组成、电力电子转换系统、弹射直线电机及控制系统。
储能系统
电磁弹射系统弹射舰载机时，峰值功率会超过100 MW在目前的条件下，这部分电力不能由运营商直接提供s动力系统，所以它必须依靠储能系统预先储存所需的电能，以便在需要的时候为直线电机提供瞬时的高能量。目前主要有三种储能技术，即飞轮储能、电容储能、超导磁储能。飞轮储能开发和应用较早，电容储能和超导磁储能是新开发的技术。
目前，美国“福特”11号航母的电磁弹射系统采用飞轮储能，可在333，562秒内提供33，356，200兆焦耳的瞬时能量，而不会影响航母的动力系统。中国 s级首艘电磁弹射航母福建舰，官方尚未正式披露采用哪种储能方式。但在中国工程院院士马伟明多年的研究下，突破了高能量密度、长脉宽长寿命惯性储能技术创造性地提出了曳引机的概念、励磁机、旋转整流器和主发电机同轴集成，飞轮和转子集成为一体的储能电机方案，其脉冲功率为几十兆瓦，第二级消耗的电能达到几十甚至近几百兆焦耳。马伟明的技术突破s团队在飞轮储能模式下已经满足了电磁弹射的动力需求。
飞轮储能系统由飞轮转子组成、电机、轴承、电力电子接口、外壳等部件组成。飞轮转子的形状和材料决定了飞轮储存能量的多少，因此有两种选择低速飞轮储能系统和高速飞轮储能系统。一般低速飞轮通常由重金属材料制成，高速飞轮一般由重量轻但强度大的复合材料制成；电动/发电往复双向电机与飞轮耦合，并被电驱动/发电往复双向电机可以实现电能与高速旋转飞轮的机械动能之间的相互转换和储存。飞轮储能系统通常采用感应电机(IM)永磁电机(PM)和可变磁阻电机(VRM)轴承的主要功能是以非常低的摩擦力将转子保持在适当的位置，同时为飞轮提供支撑机构。
飞轮储能的工作原理是将一个重达数吨的飞轮在弹射前用电能旋转，使其达到每分钟数千转，电能在飞轮中变成动能这个过程大约需要45秒钟，储存大约120兆焦耳的能量。弹射时利用飞轮的动能快速发电，2到3秒内产生数万千瓦的电力将飞机弹射出去。飞轮储能最大的优点是能量密度和功率密度都很好，可靠性高、可维护性高，使用寿命长。自20世纪90年代以来，飞轮储能在许多工业领域得到了广泛应用。近年来，通过使用高强度碳纤维复合材料，、随着磁悬浮和真空技术的新进展以及电子电力技术的充分利用，飞轮储能的性能得到了极大的提高。
电力电子转换系统
电磁弹射器 电力电子转换系统从储能装置获得电能，并负责将这些电能提供给弹射直线电机。然而，输出电能不能直接提供给弹射直线电机，它必须通过电力电子转换系统-直-交叉链接，转换成振幅、频率、相位及相关动、只有静态指标满足要求，才能输出电能。如果发射机采用分段供电的形式，则需要通过分段开关向发射机供电。通用原子公司利用其商业电力设备产生的固态技术将电力电子转换系统浓缩成紧凑的模块，安装在航空母舰的飞行甲板下。
中国海军工程大学基于极限应用的思想提出了DC可控并联、多相混合多电平逆变器、分布式开关电源脉冲大功率电能转换系统方案解决了电磁弹射系统的能源共享问题、几个弹射器相互隔离，由超大功率长初级直线电机供电已经成功开发了数百个 MVA功率转换系统。
弹射直线电机
弹射式直线电机是指提供可控驱动磁场，将一定质量的物体发射到一定速度的装置。弹射直线电机安装在航母飞行甲板下它利用电力电子转换系统产生行波磁场，其运动部分在电场力的作用下带动往复小车和舰载机沿弹射行程加速。舰载机脱离后，弹射直线电机的运动部件在反向行波磁场的作用下低速返回初始磁场位置。直线电机可以看作是把旋转电机的固定部分和旋转部分剖开，展开成平板，相互面对定子铺设在动子的运动路线上，动子通过其他方式固定在定子正上方并保持稳定。与现代常用的电机相比，直线电机具有组成单元简单的优点、反应速度快、工作性能可靠等特点。电磁弹射器中功率系统的直线电机是舰载机起飞任务中非常重要的组成部分，也是其现阶段的主要研究内容：在大载荷、在舰载机高速弹射的情况下，要求直线电机在满足足够推力的前提下提供稳定的推力，防止因推力过大而损坏舰载机及其精密设备。
控制系统
电磁弹射器 s控制系统是整个弹射装置的大脑通过本系统的运行控制程序，大量的温度被制作出来、速度、位置等不同类型的传感器可以连续控制和监视电磁弹射器的运行。控制系统需要基于舰载机的类型、航空母舰的运行状态和周围环境的变化发出控制指令，以根据飞机的起飞要求提供合适的起飞速度。同时，通过控制系统，应使储能系统、电力电子转换系统和弹射直线电机系统协同工作，使整个系统运行可靠准确。
美国电子邮件作文系统：EMALS由通用原子公司开发，主要由六个子系统组成，即能量接口子系统、能量存储分系统、电力调节分系统、能量分配分系统、线性马达子系统和弹射控制子系统。能量接口子系统负责从航母上汲取电能，为储能子系统提供能量，并拖动储能电机达到指定速度。能量存储子系统可以在 23356次喷射的间隔内存储下一次喷射所需的能量，并且它可以在33562次喷射内存储下一次喷射所需的能量-在3秒的弹射过程中释放能量。功率调节子系统将来自储能子系统的电能转化为直线电机所需的变频变压电能。能量分配子系统，通过电缆、断路器与功率调节子系统和线性电机子系统连接。直线电机子系统，通过固定、动子的耦合产生电磁力，动子上的阻力梭带动飞机加速到起飞速度。弹射控制子系统，根据输入的弹射参数实时、精确控制流入直线电机的电流，并对整个系统进行健康诊断。
EMALS采用直线感应电机 (LIM) 沿着轨道推动车厢发射飞机直线感应电机由一排子线圈组成，其功能与传统感应电机中的圆形定子线圈相同。EMALS线性感应电机 (LIM) 利用电流产生的磁场推动飞机沿轨道滑行，可以在103米内将一架重约45吨的舰载机加速到240公里/时的起飞速度。EMALS电动发电机的重量超过36吨，约为3.3米，高约2.1米，它可以提供高达 60 MJ的电力，并且它可以在发射海军飞机所需的 秒内为 120003356个家庭供电。目前，配备了电子邮件“福特”航母，可以弹射包括f/ A-18“超级大黄蜂”C-2“灰狗”运输机、E-2C“鹰眼”预警机、T-45C“苍鹰”教练机、EA-18G“咆哮者”电子战机、F-35C“闪电”Ⅱ等战机。