电磁弹射系统（EMALS）是一种航空母舰上的舰载机起飞装置，利用强大的电流和磁场推动飞机高速前进，代替了传统的蒸汽弹射器。电磁弹射系统具有容积小、重量轻、效率高、可靠性高、维护成本低、能量输出可调、对飞机结构伤害小等优点，是未来航空母舰的核心技术之一。装备在福特级核动力航空母舰上。本文将介绍电磁弹射系统的工作原理、主要组成部分、发展历程和性能特点，以及与蒸汽弹射器的技术对比。

工作原理

电磁弹射系统的工作原理是利用直线电动机产生的磁场推动飞机高速前进。直线电动机是一种将电能直接转换为直线运动的装置，它由定子和动子两部分组成。定子是一系列通电线圈，沿着弹射轨道排列，形成一个长达90多米的直线感应电动机。动子是一个与飞机连接的金属滑块，被定子的磁场牵引或推动。当飞机准备起飞时，控制系统根据飞机的重量、型号和环境条件，设定合适的能量输出和加速度曲线。然后，储能系统向电力电子变换系统提供大量的电能，电力电子变换系统将电能转换为可调频可调压的交流电，向定子线圈供电。随着滑块在轨道上滑行，只有滑块周围的线圈通电产生磁场，而其他线圈则断电保持静止。这样可以保证系统的效率和安全性，同时避免对周围设备产生干扰。当滑块达到最大速度时，所有线圈断电停止工作，滑块依靠惯性将飞机带离甲板。整个过程只需2到3秒钟，就可以将飞机加速到约公里/小时（节）的速度。

主要组成部分

电磁弹射系统主要由控制系统、储能系统、电力电子变换系统和直线电动机四个部分组成。

控制系统是电磁弹射系统的大脑，负责根据飞机的参数和环境条件，设定合适的能量输出和加速度曲线，并控制储能系统、电力电子变换系统和直线电动机的协调工作。控制系统还负责监测系统的运行状态和故障诊断，并与航母其他系统进行信息交互。

储能系统是电磁弹射系统的能量来源，负责在短时间内向电力电子变换系统提供大量的电能。储能系统一般采用飞轮式电动/发电机组，由反应堆驱动的四个独立发电机组组成。每个发电机组带动一个由磁浮轴承悬浮的飞轮，转子转速达到转/分钟时，每个发电机组可以储存兆焦耳的动能，并在2到3秒内释放出81兆焦耳的电能。这套系统每45秒能够完成一次充电，比传统的蒸汽弹射器来得快。

电力电子变换系统是电磁弹射系统的核心，负责将储能系统提供的电能转换为适合直线电动机工作的交流电，并控制其频率和电压。电力电子变换系统一般采用交交变频技术，利用可控硅整流器和逆变器实现电能的双向转换。可控硅整流器将发电机提供的交流电转换为直流电分段供给逆变器，逆变器则把直流电转换为可调频可调压的交流电形式后向直线电动机供电。由于交交变频技术的频率可变，船员可以设定不同的能量输出来达到不同的弹射加速度。

直线电动机是电磁弹射系统的执行部件，负责将电能转换为飞机所需的推力。直线电动机一般采用无槽型直线感应电动机或直线永磁同步电动机，由定子和动子两部分组成。定子是一系列通电线圈，沿着弹射轨道排列，形成一个长达90多米的直线感应或同步电动机。动子是一个与飞机连接的金属滑块，被定子的磁场牵引或推动。当飞机准备起飞时，控制系统根据飞机的重量、型号和环境条件，设定合适的能量输出和加速度曲线。然后，储能系统向直线电动机提供大量的交流电，产生强大的磁场。随着滑块在轨道上滑行，只有滑块周围的线圈通电产生磁场，而其他线圈则断电保持静止。这样可以保证系统的效率和安全性，同时避免对周围设备产生干扰。当滑块达到最大速度时，所有线圈断电停止工作，滑块依靠惯性将飞机带离甲板。

发展历程

美国海军首先提出了飞机采用电磁弹射方式起飞的概念。20世纪40年代美国海军就初步设计了飞机的电磁弹射器（Electropult），由于二战的结束和系统费用相对较高，后来该项目被取消了。年美国海军重新开始对飞机的电磁弹射器进行可行性研究，以确定其是否能成功地从航母上弹射飞机。年美国海军的电磁飞机弹射系统（EMALS）研发团队开发了一个长为12英尺的小比例模型，目的是确定利用同一弹射电动机进行电磁弹射、制动和回收的可行性，并在该模型上进行了电磁辐射等试验。此后，美国海军进行了许多设计研究、硬件演示和技术探讨，但由于经费问题限制了研究的范围和规模。

进入21世纪，美国海军资助了EMALS的关键要素验证（CCD）计划，考察集成于整个系统后各关键要素的性能表现，同时伴随着面向21世纪的福特级航母建造计划的出台，电磁弹射器代替老式蒸汽弹射器担当航母上飞机起飞弹射装置的预研工作紧锣密鼓地开展起来。年，美国海军空战中心（NAWC）的MichaelR.Doyle等人提出了一种EMALS方案。该方案中，由四台六相转盘式交流发电机作为储能设备，在最高转速达到转/分钟时，每台发电机的转子可以储存兆焦耳动能，当向匹配的负载放电时，每台发电机可以提供81兆焦耳电能。从转盘式发电机到弹射用直线电机的电力形式变换工作由可控硅整流器和逆变器完成，可控硅整流器将发电机提供的交流电转换为直流电分段供给逆变器，逆变器则把直流电转换为可调频可调压的交流电形式后向弹射用直线电机供电。弹射用直线电机是一种无槽型直线永磁同步电动机，直线电机的动子就是飞机的牵引滑块，直线电机的定子则构成发射轨道，定子/发射轨道加速段长度为米，其后是制动段，直线电机定子采用分段工作模式，每段长0.64米，动子滑块覆盖时相应段导通工作，段与段之间的切换由可控硅整流器完成。

年12月10日，美国海军分别同诺斯罗普-格鲁曼（Northrop-Grumman）公司和通用原子（GeneralAtomics）公司各签订了一项为期近四年的EMALS项目计划定义和风险降低（PDRR）阶段合同，该合同规定双方各研发一套全尺寸、全功率、缩短长度的EMALS原型系统。经过竞争，通用原子公司在其官方网站上宣布于年4月获得美国海军为期5年，价值1.45亿美元的EMALS项目系统开发和展示阶段合同。该公司给出的EMALS方案，包括直线电机、储能设备、电力变换设备和控制系统四个组合部分，该方案与MichaelR.Doyle等人所提方案的主要不同点在于它的储能设备选为飞轮式电动/发电机，而弹射用直线电机选为直线感应电机。

年至年，通用原子公司在新泽西州莱克赫斯特海军航空兵工程站建造了一条全尺寸、全功率、缩短长度的EMALS试验轨道，并在该轨道上进行了多次弹射试验。年12月18日，美国海军在该轨道上成功弹射了F/A-18E超级大黄蜂战斗机，标志着EMALS项目取得了重大突破。此后，美国海军又在该轨道上成功弹射了多种型号的飞机，包括T-45苍鹰教练机、C-2灰狗式运输机、E-2空中预警机和F-35C闪电II型战斗机。年5月8日，第一套电磁弹射器被安装在建造中的福特级核动力航空母舰上。年7月22日，福特号航母正式服役，成为世界上第一艘使用电磁弹射器的航母。

性能特点

与传统的蒸汽弹射器相比，电磁弹射器具有以下性能特点：

重量轻、容积小。电磁弹射器不需要庞大的蒸汽管道和活塞系统，只需要简单的线圈和滑块结构，因此重量轻、容积小，可以节省航母的空间和负载。

效率高、节能环保。电磁弹射器利用反应堆产生的电能直接驱动直线电动机，没有蒸汽损耗和泄漏，能量利用率高达90%以上，比蒸汽弹射器高出30%以上。同时

电磁弹射器不需要消耗大量的淡水和燃料，也不会产生污染物，更加节能环保。

可靠性高、维护成本低。电磁弹射器没有复杂的机械部件，只有简单的电气部件，因此故障率低、寿命长，维护成本低。电磁弹射器还具有自我诊断和保护功能，可以及时发现和处理故障，保证系统的安全运行。

能量输出可调、对飞机结构伤害小。电磁弹射器可以根据飞机的重量、型号和环境条件，设定合适的能量输出和加速度曲线，并通过电力电子变换系统实现精确的控制。这样可以保证飞机在最佳状态下起飞，同时减少对飞机结构的冲击和疲劳，延长飞机的使用寿命。

弹射频率高、适应性广。电磁弹射器可以在45秒内完成一次充电和弹射，比蒸汽弹射器快一倍以上，提高了航母的作战效率。电磁弹射器还可以弹射各种重量和型号的飞机，包括大型战斗机、小型无人机、预警机、运输机等，增加了航母的战斗力。

技术对比

与蒸汽弹射器相比，电磁弹射器具有明显的技术优势。下表列出了两种弹射器的主要技术参数和性能指标的对比。

综上，电磁弹射系统是一种航空母舰上的舰载机起飞装置，利用强大的电流和磁场推动飞机高速前进，代替了传统的蒸汽弹射器。电磁弹射系统具有容积小、重量轻、效率高、可靠性高、维护成本低、能量输出可调、对飞机结构伤害小等优点。