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【國外動態】"福特」號航母完成首次艦載機電磁彈射起飛和阻攔著艦

"福特」號航母完成首次艦載機電磁彈射起飛和阻攔著艦

在服役6天後,美海軍「福特」號航母於7月28日成功進行了F/A-18F戰鬥機在海上的首次電磁彈射起飛和阻攔著艦作業。

圖1 「福特」號航母成功進行了F/A-18F戰鬥機在海上的首次電磁彈射起飛

在弗吉尼亞海岸,海軍航空測試評估中隊VX-23的F/A-18F「超級大黃蜂」於當天下午3:10開展了首次回收作業,艦載機鉤住了先進阻攔裝置的第二根阻攔索(屬於最佳降落情況),著艦后經過1個多小時的休整,艦載機又通過電磁彈射器彈射起飛。此次試驗令許多海軍觀察員非常驚訝,他們原本認為「福特」號航母下周才會進行首次阻攔試驗。

圖2 「福特」號航母成功進行了F/A-18F戰鬥機在海上的首次阻攔著艦

附錄1:

「福特」級航母電磁彈射器的研製情況

與「尼米茲」級航母相同,「福特」級航母同樣擁有4部彈射器,2部位於艦艏,2部位於斜角甲板,只不過一向被美航母採用的蒸汽彈射器在「福特」級上被新研發的電磁彈射器(EMALS)取代。傳統蒸汽彈射器是將由反應爐製造的大量高壓蒸汽儲存於汽缸中,使用時通過蒸汽推動牽引飛機的往複車(shuttle),以270千米的時速將飛機彈射升空。可想而知,蒸汽輸送時將產生多少損耗,儲存高壓蒸汽的汽缸或輸送蒸汽的管線需很大的空間,高壓彈射系統中的活塞、管路與閥門等零件承受的損耗也十分驚人。現有C-13-2蒸汽彈射器最常出現故障的部位是調節蒸汽壓力的閥門以及儲存蒸汽的汽缸(兩者都需要定期的預防性保養),此外彈射軌與牽引飛機前輪的往複車因高溫摩擦而失火的情況也時有發生。

由於蒸汽彈射器是在瞬間釋放高壓蒸汽來推動活塞,因此一架飛機會在很短時間內承受約1842千牛的力量,而這種機械傳遞的施力方式會在一開始的瞬間達到高峰值,意味著飛機的受力很不平均,對於機體或飛行員的生理都造成很大的負荷,導致大部分的艦載機壽命會比同級的陸地戰機更短。當航母上開始引進無人機(UAV)時,一般為了追求長滯空時間而選擇結構輕巧的遠程UAV,但其結構強度根本禁不起這樣的彈射。以「尼米茲」級的C-13-2蒸汽彈射器為例,雖然彈射時最大加速度高達6G,但整個彈射過程的平均加速度僅2G,彈射行程後段就到了強弩之末,對於增加飛機速度並無太多幫助。

此外,由於相關機械結構的物理限制,蒸汽彈射器的彈射能力存在著難以超越的瓶頸,例如C-13-2最大約能提供100焦耳的彈射能量,這算是目前蒸汽彈射器的極限。蒸汽彈射器的能量利用率也不高,大約只有4~6%。操作蒸汽彈射器的人力需求與維修工作都不低:操作C-13彈射器時,需要58人同時工作,艦上與彈射器相關的編製人員超過200名,相關服務人員總計500名左右,而彈射器全壽期支出占航母總費用的1.075%;C-13-1每次大修間隔期間可彈射約687次,全壽命內可彈射2200次,每部彈射器使用20~30次必須進行一次人員目視檢查,每彈射80次需進行一次檢修,每彈射180~200次需進行一次中等程度檢修。

因此,美海軍為「福特」級研發彈射器時,便不再走蒸汽彈射器的道路,而改為發展革命性的EMALS。電磁彈射器的原理則是載流導線在磁場中受力,利用磁通量巨大瞬變產生的感應電磁斥力,將飛機彈射升空。電動機的基本原理是在定子上通過方向不斷改變的電流,利用電流改變造成的磁通量變化而產生磁場,進而使帶有磁性的轉子受力而產生運動。傳統電機的定子採用環狀排列,使得轉子產生原地旋轉運動;而電磁彈射器則採用兩側式線性感應電機,定子在兩側直線排列,充當彈射器的軌道,而轉子則在兩排定子之間進行直線運動,轉子上頭連接著用於牽引飛機前輪的往複車。

由於不需要使用高溫高壓的蒸汽,EMALS省去了相關的高壓蒸汽管路、汽缸、活塞、閥門等危險笨重的設施,維修人員不必再度受困於如迷宮般的複雜蒸汽管道,也不必面臨蒸汽外泄、潤滑油飛濺等傳統彈射器的機械問題。而EMALS的定子、轉子之間除了系統關閉時,兩者沒有機會接觸在一起,而飛輪儲能系統(FES)的飛輪也由於採用磁浮軸承而沒什麼損耗,因此整套系統產生機械磨損的機會極低,不需要太多預防性維護工作,故整體維護成本與工作需求大幅降低。根據計劃,EMALS整體系統的體積重量比C-13-2蒸汽彈射器減少一半,佔用的機庫甲板面積減為1/3,維護人員比蒸汽彈射系統減少30%,可用率提高30%,壽命周期的維護成本降低20%。

1999年,美海軍分別與諾·格和通用公司簽約,進行電磁彈射器的先期工程開發工作,雙方合同額各為6177萬美元。在該合同中,美海軍提出38項具體技術建議、7項競爭性報價和2項突破激勵性條款,美海軍對彈射用的線性電機技術指標要求包括:最大彈射能量122兆焦,起飛速度28~103米/秒,最大牽引力和平均牽引力之比為1.07,起飛循環(每次彈射間隔)45秒,整個線性電機重量控制在225噸,體積控制在425立方公尺,供電需求6350千瓦。2003年,諾·格和通用公司各完成了一部長50米的縮比(1/2)模型。同年,美海軍與通用原子公司簽署EMALS的發展合同,由該公司成為主承包商。2004年4月2日,通用原子獲得EMALS的系統發展與演示(SDD)合同,價值1.45億美元。

圖3 EMALS的陸基測試原型

整套EMALS系統包含儲能系統、直線感應電機系統、電力電子變換系統與發射控制系統等部分,而彈射器本身則由直線感應電機、飛輪式交流發電機和高功率數字循環變頻器構成。EMALS使用長95.36米、功率90兆瓦的直線同步感應電機來進行,該電機的末段另有一段長約7.6米的緩衝區(因此整個電磁彈射器軌道長度約103米),在此區域通上反相的電流,製造相反的電磁場,就能讓高速前進的往複車減速並停下來,並自動恢復到起始位置。每台電機擁有四條各自獨立提供磁場的定子,每兩條定子為一組,每組各負責一個轉子;轉子的滑動組件由固定的高磁永磁體構成,而定子被設計成類似馬鞍的形狀,兩條定子一左一右被滑動組件包圍,而兩定子之間留下的縫隙寬度與原本蒸汽彈射器相同,均為35.6厘米。每組的兩條定子由298個模塊構成,每個模塊寬64厘米,高68.6厘米,厚度7.6厘米,每個模塊上有24個槽,每個槽用3相6線圈重疊纏繞而成,如此每一個模塊就有8個極,磁極間距約8厘米;每個槽之間以高絕緣的G10材料製造,並以環氧樹脂澆鑄,粘接成一個無縫隙的整體模塊。每個定子模塊都通過數字化控制的組件來感應轉子往複車上的磁強度信號;當往複車接近時,該處的定子模塊就自動被充電,往複車離開后斷開,如此每次彈射時就不需要對整條定子路徑上的線圈充電,能大大節省能源。每一個定子模塊設計的電力利用率為70%,其電阻為0.67毫歐姆,每次彈射中消耗在定子上的能量為13.3MW;在這樣的功率下,銅線圈的溫度會被迅速加熱到118.2℃,如果加上環境溫度影響,溫度可能會高達155℃,將超過轉子往複車永磁體的極限退磁溫度,因此需要進行外部強製冷卻;而目前EMALS採用的設計是在每個定子模塊之間安裝鋁製散熱板,板上布滿細小的不鏽鋼管道,管道內有乙二醇—水混和冷卻液,由冷卻泵強制驅動循環(流量約每分鐘151公升),能在彈射器每次彈射之間的45秒之內,將線圈溫度從155攝氏度降低到75℃。在彈射重量較輕的飛機時,彈射器的每台電機均由兩組定子組交替運行,在彈射較重的飛機(如預警機)時則由兩組定子組并行使用,以提供更強大的推力。在彈射過程中,每一塊定子模塊只承受2.7千克/平方公分的應力。至於轉子組件則由190塊環形的第三代超級稀土釹鐵硼永磁體構成,每一塊永磁體之間的骨架和散熱器管路由鈦合金製造,轉子中心設有強力散熱器;轉子和定子間保持均勻的6.35厘米間隙,彈射工作時彼此之間不發生摩擦,而往複車和定子軌道之間則設有滑輪來維持距離,但也僅在關機時才會接觸。由於轉子/滑車組件上沒有需要使用電的裝置,也不存在摩擦,所以結構簡單,所需的後勤檢修工作量極少。

圖4 EMALS的陸基測試原型

EMALS各組件中,最關鍵、技術難度最大的部分是高功率數字循環變頻器,其基本概念是通過串聯或者並聯多路橋式電路來進行功率輸出的累加和控制,不使用傳統的機械開關、串聯電容器以及共享電抗器,進而實現完全數字化的電源變頻管理輸出,完全沒有因機械接觸造成的弧形電場。循環變頻器需要將4台交流發電機的24相輸入電能準確地輸入到電磁彈射器各模塊的介面,並且精確管理控制298個直線電機的通電定子模塊,在包含轉子滑動組件的往複車來到該定子模塊前的0.35秒內讓模塊的電磁體充電,並在滑組經過後0.2秒之內停止送電並將電能輸送到下一個定子模塊。此外,循環變頻器工作時間雖然不長(每次彈射僅工作10~15秒),但耗熱非常大,一組循環變頻器需要528千瓦的冷卻功率;因此,使用去離子水外部冷卻迴路進行冷卻,流量高達每分鐘1363公升,注入的冷卻液體溫度保持在35℃時,可確保循環變頻系統溫度低於84℃。數字循環變頻器每一相的輸出能力為0~1520伏,峰值電流6400安培,可變化頻率為0~4644Hz。

圖5 製造中的EMALS軌道

在進行彈射時,EMALS需要在短時間內輸出高功率,因此設置了高效率的飛輪儲能系統交流發電機。這種飛輪由一台電機帶動一個大尺寸飛輪作為轉子,平時由艦上提供電力給電機來轉動飛輪,並維持在每分鐘6400轉的速率,可儲存121兆瓦的能量,儲能密度比C-13-2蒸汽彈射器的蒸汽罐高出不止一倍;當進行彈射作業而需要瞬間輸出時,便釋放飛輪儲存的轉動動能來轉換成電能(此時電機便轉換角色,成為由飛輪帶動的發電機),在2~3秒內就能輸出彈射飛機所需的大量電力(約81.6兆瓦)。每次彈射大約消耗飛輪儲備能量的22.5%,使飛輪的轉速從6400轉/分降到5200轉/分左右;而在彈射作業完成後,艦上便再輸入電力至飛輪,使其轉速恢復到6400轉/分,恢復過程需要45秒,也就是EMALS兩次彈射的間隔。每台飛輪發電機的總重量約8.7噸,如果不計入外殼、安全設施等硬體,則飛輪系統本身重量只有6.9噸。飛輪產生的電力為6相,輸出為1735~2133Hz的變頻交流電,最大輸出電壓1700伏,峰值電流高達6400安,輸出的匹配負載為81.6兆瓦。每個飛輪的轉子直徑22英尺(6.7米),重約5177千克,使用鎳鉻鐵的鑄件經熱處理製造而成。此外,以具有高彈性的鎳鎘鈦合金箍固定住兩對釹鐵硼永磁體。飛輪結構使用磁浮軸承,並在真空中運轉,能將機械與空氣摩擦損耗降至最低。至於飛輪發電機作為電力傳導的定子則有兩個,每個長度為12英尺(3.66米),分別設置在飛輪轉子的兩側,每一個定子由280個線圈繞組的放射狀槽構成,每個槽之間是支撐結構和液體冷卻板。飛輪發電機的工作效率是89.3%,平均每一次彈射約有127千瓦的能量以熱量形式消耗掉。

「福特」級設有4組EMALS,每2組彈射器由一組集中管理的FES交流發電系統供電,每個發電機組由4具FES飛輪構成,飛輪設置於飛行甲板下方。每個飛輪機組中,即使任何一個飛輪失效,只靠另外3部飛輪工作,也能正常進行彈射。由於2套飛輪發電系統能實施動力交聯而互相支持,全艦8個FES,即便5個失效,仍能繼續維持彈射作業。由於持續高速旋轉的飛輪會產生轉動力矩,難免會造成偏航的力矩,使航母必須花費更大力量才能轉向,因此每組飛輪以兩兩成對的方式安裝在同一個基座上,通過旋轉方向相反的飛輪來抵消彼此的旋轉力矩。

圖6 EMALS的發電機

如同前述,EMALS在彈射過程中能實時控制輸出至定子模塊的功率強度,定子模塊上也設有感測器,能隨時監控彈射器的移動速率。在這種控制-回饋機制下,EMALS便能根據飛機的實際速度來調整輸出功率,均衡地分配彈射過程中的施力。此外,EMALS也能根據不同的機種來選擇適當的彈射速度。整個加速過程之中,EMALS的峰值加速度僅3G,比起C-13-2蒸汽彈射器的6G大幅降低,有效降低彈射時機體的受力,估計能使飛機的壽命提高31%,也能避免過大的G值對飛行員的生理影響。此外,當平均加速度相同時,負載均勻的電磁彈射器能比蒸汽彈射機可使飛機多載重8~15%。EMALS另一個明顯優於蒸汽彈射器之處,在於很寬廣的能量調節範圍。對於機械性的蒸汽彈射器,只能依靠調整供氣閥來控制蒸汽流量,其調節性能最多只能達到1:6左右;而對於依靠電力管理來控制功率的EMALS而言,功率控制就輕而易舉,成熟的大功率民用變電系統都可以輕易做到1:100以內的變化。

附錄2:

「福特」級航母電磁彈射器的測試過程

2006年,EMALS的主承包商通用原子公司在密西西比州圖珀洛(Tupdlo)廠完成了長度只有一半(約50米)的EMALS概念模型,用於第一階段高周試驗(HTC-1),以驗證電磁彈射器所需的電力、機電設備以及儲能系統的充放電循環效率等。2008年9月3日,EMALS的HCT-1完成第10000次循環測試實驗。

第二階段高周試驗(HTC-2)採用的是全尺寸、全能量的EMALS原型,在美海軍空戰中心位於新澤西州赫斯特湖的航空工程站進行嚴格的研發測試,過程中進行4000架次的模擬起飛運轉測試,包含一系列實際作業環境下可能的正常、非正常條件測試。在海軍航空工程站建造EMALS全尺寸陸地測試設施的工作由漢索·費普斯建設公司(HenselPhelps Construction Co)負責,合同2050萬美元,最初打算在2005年12月完成,不過由於EMALS進度落後,到2007年11月27日才為設施建築舉行剪綵儀式,通用原子在2008年3月開始安裝EMALS全尺寸測試樣機,原定在2009年2月開始運轉測試,而實際上在2009年7月展開。

圖7 赫斯特湖海軍航空站電磁彈射系統全尺寸、全功能測試機(即HTC-2)的軌道

2010年1月12日,在新澤西州赫斯特湖海軍航空工程站進行測試的電磁彈射器發生意外事故:當時系統下達彈射器往複車向前10米的指令,然而往複車卻意外地反向運動,進而猛烈撞上甲板張緊器,造成多個設備損壞,其中直線電機電樞和甲板張緊器遭受的損害無法修復而必須整體更換,彈射器繞組模塊和彈射槽初始端也有損傷,但可以修復,損失金額52000美元。意外發生后,美海軍航空系統司令部、海軍海上系統司令部和通用原子公司立刻停止所有關於電磁彈射器的測試,針對軟體架構進行檢查,並成立一個獨立的改進軟體架構委員會,隨時向電磁彈射器工程評估委員會報告軟體的改進情況。完成軟體檢查后,2010年3月6日,電磁彈射器實驗工作重新展開。這項意外導致EMALS測試工作延後3個月,使整個EMALS計劃延後7個月。雖然遇到此挫折,美海軍部長仍表示電磁彈射器進度尚未落後。

2009年9月28日,美海軍航空系統司令部宣布EMALS完成高加速壽命試驗(HALT)第一階段以及系統功能驗證(SFD)第二階段的工作,其中HALT是驗證EMALS的直線電機(發射軌道)在海上運轉條件下的表現,衡量其輸出峰值乃至於極端環境下的表現;而SFD則確認系統準備好接下來進行的全尺寸彈射綜合試驗(彈射真正的艦載機)。SFD第二階段測試系統中所有的動力組件以及發射控制單元,而之後的SFD第三階段則測試EMALS中的所有部件尤其是實際測試將電力轉換成機械動能的能力。從2009年秋季開始,EMALS開始測試彈射模擬艦載機重量的配重滑車以及專門用來彈射測試的退役軍機(無人駕駛,彈射后就丟棄)。2010年9月23日,美海軍航空系統司令部宣布EMALS原型在新澤西州赫斯特湖航空站完成了SFD階段的工作,並在10月初完成無負載和靜負載彈射測試,包括以154節速率彈射相當於F/A-18E/F戰機重量的靜負載系統階段。

隨後,EMALS進入全面的系統功能驗證──彈射實際飛機的兼容性測試(ACT)。2010年6月1~2日,EMALS首次彈射實機成功,這是一架海軍使用的T-45「蒼鷹」(Goshawk)噴氣式教練機;之後在6月9~10日,EMALS首次彈射C-2「灰狗」(Greyhound)艦載運輸機;同年12月18日,EMALS首次彈射一架F/A-18E「超級大黃蜂」(SuperHornet)艦載戰鬥機。在2010年12月21日的測試后,EMALS便暫時停止測試,主要是因為先前測試時發現彈射器將飛機加速過程中,直線電機組件的定子模塊之間傳遞力量時有間隙,無法達到順暢要求。研發單位計劃在調整后,於2011年3月再度展開測試。依照原進度,EMALS在2011年上半年繼續進行艦載機的彈射測試,首批生產型的EMALS預定在2011~2012年交付以用於「福特」號。然而在2011年初的一份報告指出,EMALS因諸多問題而導致進度延遲,並且耗盡了交付給紐波特紐斯船廠的時程裕度;如果接下來整個研發測試無法跟上軌道而繼續落後,就會影響到上艦的進度安排。不過,通用原子公司最終排除萬難,在2011年5月9日交付第一套EMALS給美海軍,準備安裝於「福特」號。同年9月26日,赫斯特湖航空站的EMALS原型首度成功彈射一架E-2D「先進鷹眼」空中預警機。隨後在同年11月18日,這套EMALS原型首次彈射F-35C閃電II型艦載機的預量產型機(CF-03)。

圖8 2010年12月18日,在新澤西州的電磁彈射器原型首次成功彈射一架F/A-18E戰鬥機

在2011年底,EMALS正式完成了ACT的第一階段,期間完成134架次各型艦載機的彈射起飛測試(含T-45、C-2、F/A-18E、E-2D、F-35C)。接著,赫斯特湖航空工程站的這套EMALS經過構型修改,完全改成與「福特」級航母相同的版本,然後在2013年6月25日進入ACT第二階段測試,即按照艦載機在航母上起飛時可能會發生的狀況來操作,包括偏離中心彈射(off-centrelaunches)以及飛機系統失效(plannedsystem faults),在這樣的情況下仍能確保飛機彈射升空的終端速率(end-speed)並驗證了彈射關鍵可靠度(launch-critical reliability)。ACT第二階段在2014年4月6日完成,期間進行了310架次的艦載機彈射,除了繼續測試ACT第一階段的機種之外,還加入EA-18G「咆哮者」(Growler)電子戰機以及較老舊的F/A-18C「大黃蜂」(Hornet)。2014年6月,美海軍完成赫斯特湖航空工程站的EMALS原型的所有測試,期間總計完成450次載人艦載機彈射,涵蓋美海軍現役以及尚未服役的機種。

圖9 2011年11月18日,電磁彈射器原型成功進行首次F-35C彈射

在2014年2月美國防部向國會提交的報告中,EMALS在新澤西州赫斯特湖航空站開展測試以來,總共累積進行1967次彈射測試(包含前期的靜物彈射以及之後ACT階段發射實機),其中201次失敗,超過10%。換算成在艦上操作的平均故障間隔時間(MCBF)或致命故障平均間隔時間(MTBCF)大約是240次(意味平均每操作240個架次就會發生一次嚴重故障),只有合格標準的1/5,無法達到美海軍規定可以投入戰備的初始作戰評估(Initial Operational Test& Evaluation)要求。2013年9月政府審計總署(GAO)對EMALS與AAG的報告中指出,根據當前的測試數據以及可靠性的數學成長模型,EMALS的MTBCF要到2032年才能達到100次運轉,而AAG的MTBCF需要等到2027年才能達到100次運轉。2014年8月,美海軍表示,赫斯特湖航空工程站的EMALS已經進行超過3017次彈射,但還沒有提供更新的測試評估的失敗次數數據。

按照美國防部作戰測試與評估局長(Director,Operational Test and Evaluation,DOT&E)在2014財年提交的報告,EMALS在赫斯特湖航空站測試時發現一個問題(約在2014年9月被首次提到):彈射掛載了480加侖副油箱的F/A-18E戰鬥機與EA-18G電子戰機時,電磁彈射器的初始加速對掛載副油箱的機翼外掛架施予過大應力(超出現有蒸氣彈射器),可能引髮結構損害;在這個問題修復前,F/A-18E與EA-18G不能攜掛副油箱彈射,但副油箱是這兩種飛機執行任務時的必要載荷。美海軍表示會修改EMALS軟體來解決初始加速度過大的問題,並在「福特」號交付海軍之後驗證修改的軟體;而在赫斯特湖航空站的測試工作中,這個問題也沒有造成任何的彈射失敗。根據2017年6月底的新聞,此時美海軍還沒有執行相對應的修復措施。

2014年8月11日,「福特」號的EMALS彈射器首次進行甲板測試評估,測試系統中各項裝備的運轉。根據2015年3月下旬的消息,此時「福特」號已經安裝好2組EMALS彈射器,即將開展首次艦上運轉測試,而另外2組EMALS也在製造中。2015年5月13日,「福特」號的EMALS首次進行全速率無載荷彈射測試,過程中總共進行22次彈射,滑行最大速率可達180節。6月9日,該航母的兩台EMALS首次實際彈射重達15465磅(約7噸)的配重物(鋼製有輪小車),以160節的速率將配重物彈入當地詹姆斯河中,8月則安裝儲能裝置。2016年5月,「福特」號上的EMALS完成所有艦上運轉測試,4部彈射器總共完成242次靜態配重物彈射。

圖10 2015年6月9日,「福特」號的EMALS首次進行彈射測試,將配重物以160節的速率彈入詹姆斯河中

根據2016年7月下旬的消息,此時EMALS累積工作測試的平均重大故障間隔大約是400次運作,與作戰要求(每次重大故障之間要能執行4166次起降)有顯著差距,在持續4天的作戰任務中沒發生重大故障的幾率只有7%,而平均重大故障間隔達到1600次運作,才能有90%的幾率確保一整天的作戰運作之下不出現任何重大故障。

2017年7月28日,剛服役一星期的「福特」號首次進行艦載機的阻攔降落與彈射起飛,這也是EMALS電磁彈射系統與AAG先進阻攔裝置第一次在航母上進行艦載機起降作業。在此次測試中,海軍航空測試評估中隊VX-23的F/A-18F「超級大黃蜂」通過AAG降落在艦上,隨後由EMALS彈射起飛。

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