电磁弹射器(航空母舰上的舰载机起飞装置)

电磁弹射器（别名：电磁式飞机推射系统，英文：Electromagnetic 航空器 Launch System，缩写：EMALS）是一种利用线性电机产生的电磁力将舰载机在航母甲板上加速到起飞速度的弹射装置。电磁弹射器主要由储能系统、电力电子变换系统、弹射直线电机和控制系统四部分组成，其中弹射直线电机是核心，其工作原理是采用电磁作用原理产生的电磁推力使飞机加速。相比蒸汽弹射器，电磁弹射器的优势是电磁弹射功率可调，通过调整输出电流，起飞重量可在200千克35吨之间调整，能弹射多种不同类型的飞机。此外，电磁弹射器的能量利用率可达到60%甚至更高，弹射作业时对能量的需求大为降低，作战效率明显提高。目前只有美国与中国研制成功，分别配置在“福特级航空母舰”和“福建号航空母舰”上。

美国是世界上第一个研制成功电磁弹射器的国家，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，美国开始对电磁弹射器进行可行性研究，于1988年开发了一个小比例的弹射器模型，对电磁弹射器的部分关键技术进行了前瞻性探索。进入21世纪后，随着电力电子、线性电机、储能系统以及数字技术的发展，美国启动了真正实用电磁弹射器的研发，并选择由通用原子公司研制一款全尺寸、全功率、半长度的电磁弹射器样机。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－18舰载机，标志着电磁弹射器走向实战化和成熟化。

中国航母发展起步晚，对于舰载机起飞装置的研究，采取的是蒸汽弹射和电磁弹射并行发展的路线。据西方媒体报道，中国于2008年首次完成电磁弹射器原理样机的科研攻关。在海军工程大学马伟明团队十几年的艰苦攻关下，如今中国完全攻克了电磁弹射系统的全部关键技术，最直接的技术应用就是中国第一艘电磁弹射航母——“福建号航空母舰”。

历史沿革

研制背景

美国：第二次世界大战结束后，英国于1952年在“英仙座”号航母上对蒸汽弹射器试验取得成功，美国于1954年在“汉考克”号航母上对蒸汽弹射器装备完成弹射操作。由此，蒸汽弹射器被美国常规动力航母普遍装备，截至2023年，美国军队现役11艘航母中其中10艘都是采用蒸汽弹射器。

时至今日，美国已经全面掌握了蒸汽弹射器技术。美国拥有了丰富的蒸汽弹射器使用经验和实战经历，但随着航母舰载战斗机自身重量越来越大，弹射架次要求越来越高，结构复杂、体积庞大且弹射周期较长的蒸汽弹射器已无法满足航空母舰高强度的作战需求。蒸汽弹射器的工作原理是以高压蒸汽推动活塞带动弹射轨道上的滑块，把与之相连的舰载机弹射出去。蒸汽弹射器体积庞大，工作时要消耗大量蒸汽，功率浪费严重，只有约6%的蒸汽被利用。同时，由于蒸汽弹射器的机械磨损很严重，导致需要差不多500人来保证蒸汽弹射器的运行和维护，而整个蒸汽弹射器的维护费用几乎占整个航母全部设备维护费用的80％。此外，蒸汽弹射器弹射舰载机还需要消耗大量的淡水，以尼米兹级航母为例，每弹射一架舰载机，就需要消耗一吨淡水。于是，美国从20世纪80年代起开始对电磁弹射器进行技术储备并深入研究。

中国：中国航母发展起步晚，为了追赶国际领先技术，补足航母发展短板，在美国将蒸汽弹射器普遍应用到航母上，以及对于电磁弹射器的研究取得进展之际，中国对于舰载机起飞装置的研究，采取了蒸汽弹射和电磁弹射并行发展的路线。

发展历程

世界上开展研制电磁弹射器的国家有中国、美国、英国、法国、俄罗斯等国，而真正具备完整的研发和制造能力，并将电磁弹射器应用到航母上的国家仅有中美两国。

美国

20世纪40年代，美国海军首先提出了电磁弹射方式起飞的概念。当时美国威斯汀豪斯电气公司用一个称作 Electopult（中文：电拖，指的是直线感应电动机）的装置做全尺寸飞机的弹射试验。由于该项目运行成本较高，且与当时主流的液压弹射器相比存在较大差距，第二次世界大战结束后，美国就放弃了相关研究。

1981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。1988年，美国海军的电磁弹射系统研发团队，开发出了一个12英尺的小比例弹射器模型，并通过小比例线性电机系统原理试验，验证了直线电机、变频器、控制环节的设计思路、计算方法的正确性，从而证实了电磁弹射器的可行性。研究小组利用这个模型进行了性能和电磁辐射测试，结果表明，其静态推力可达到500千牛顿以上，弹射直线电机的电磁辐射也能被控制在槽形结构内。从此之后，电磁弹射器被美国海军视为蒸汽弹射器的可行替代方案。电磁弹射系统研发团队开发出电磁弹射器的缩比模型并成功试验后，美海军又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。

20世纪90年代后期，美国海军经过论证，决定在新一代的CVN 21(即福特级)航母上采用电磁弹射器。1999年，电磁弹射器项目立项，美国海军发布招标书，通用原子公司、诺斯罗普·格鲁曼公司各自研制了一台半长样机参与投标。

经过为期4年的计划定义和风险降低阶段后，美国海军航空系统司令部经过慎重比较，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订了一项为期四年的电磁弹射装置项目合同，合同规定通用原子公司研发一套全尺寸、全功率、缩短长度的电磁弹射原型系统。

2008年4月，通用原子公司电磁弹射装置项目团队通过了储能用60MJ、60MW 电动/发电机的工厂验收测试，标志着电磁弹射装置的最后一个技术障碍被扫清。

2009年，美国海军授予通用原子公司5.73亿美元的合同，让其为海军CVN-21计划的首舰福特级航母CVN78建造舰载电磁弹射器。

2004年到2009年5年时间里，通用原子公司对电磁弹射器进行了超过7万次的高周试验和超过6800次的高加速试验，高强度的实验检验了电磁弹射装置的可靠性、寿命以及在实际工况下的性能，以发现可能存在的问题。

2010年6月初，美海军在新泽西州莱克赫斯特海军航空站进行电磁弹射器测试，测试机是一架T-45C教练机。这是美国军队利用电磁弹射器进行弹射实验的第一种机型。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，美军成功使用电磁弹射器将一架FA-18E“F/A-18E/F超级大黄蜂式打击战斗机”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舰载隐身战机成功。

2011年5月9日，通用原子公司向美国海军交付第一部舰载电磁弹射器。

2015年6月初，美国海军福特号航母首次成功完成电磁弹射测试，将道具车弹入水中，标志着最新型电磁弹射系统已可投入使用。

从1980年算起，美国历时30多年己经掌握，并成功研制了用于航空母舰舰载机起飞的电磁弹射系统。

2024年2月22日，美国海军网站发布福特级核动力航母2号舰"肯尼迪"号测试电磁弹射器的视频。画面中“肯尼迪”号使用电磁弹射器将多辆36吨重的拖车弹射入水。这些拖车用于模拟大型舰载战机。美国军队称，“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，自2002年开始，在海军工程大学教授、中国工程院院士——马伟明少将的带领下，中国于2008年首次完成电磁弹射器原理样机的科研攻关。此后，中国又开展了1:1电磁弹射器验证设备的研制工作，为表彰海军工程大学教授马伟明在科技创新领域的突出贡献，2010年1月10日上午，中央军委在海军工程大学给马伟明同志记一等功。

2014年，美国媒体公布了一组卫星照片，该照片显示中国在某地建造了电磁型导轨式高速牵引装置工程样机测试设施，该设施是继美国之后世界第二条电磁弹射器地面实验设施。美国媒体推测，这个试验装置大约长120至150米，电磁轨道估计长80米左右，能够建造如此大规模的实验设施，足以证明中国已经全面验证和掌握了大型直线感应电机、先进强迫储能装置以及高性能脉冲发生器等电磁弹射器关键技术。

2017年，海军少将尹卓接受采访时透露，中国海军歼-15舰载机在电磁弹射方面已经弹射成百上千次，中国航母不用核动力也能电磁弹射，而且使用综合电力推进系统的能量转换效率更高。

2023年6月份，在海军工程大学马伟明和鲁军勇两位教授发表的论文“电磁发射技术的研究现状与挑战”中指出，海军工程大学经过十几年的艰苦攻关，攻克了电磁发射系统的全部关键技术。电磁发射技术应用在了中国于2022年下水的第三艘航母“福建号航空母舰”上，该航母配置了先进的电磁弹射和阻拦装置。

其他国家

英国：2001年，英国启动了EMKIT（电磁动力综合集成技术）研发计划，EMKIT电磁弹射系统计划用于英国皇家海军航母弹射无人机，其设计要求为，弹射飞机质量小于500千克，弹射末速度约为每秒50米，每小时可完成5次弹射。该电磁弹射项目于2005年开始研制，2006年12月，在莱斯特谢尔郡的试验场完成了EMKIT系统首次试运行；2007年2月，EMKIT成功进行了在特定弹射速度下的试验，同年7月进行满负载试验。英国的EMCAT系统在技术和性能上接近于美国通用原子公司的EMALS。

法国和德国：“法德圣路易斯研究所”曾提出了一种能弹射数百千克无人机的电磁弹射器设计方案。它采用了长初级结构的永磁同步线性电机，集中整距三相定子和转子绕组。该电磁弹射器的技术指标为，可以弹射350千克的无人机；弹射末速度达到每秒50米；导轨长度为14米；推为在33千牛左右。不过，法国已经决定向美国采购电磁弹射器，用以安装到法国海军的下一艘航空母舰上，预计总金额达13.21亿美元。

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，该公司正在为基于航空母舰的战机开发电磁弹射器。

工作原理

航母上的电磁弹射器，是采用电磁作用原理产生的电磁推力使物体加速。因电磁驱动力与电流平方成正比，所以只要保证足够的电流输入，便能在发射装置内产生足够大的推力，使物体达到更高的速度。这个原理与电磁轨道弹射子弹，以及磁浮列车的运动极为相似。电磁弹射器依靠线性电机作为动力，通过强大的电流来使线圈产生磁场，从而推动与磁力模块相连接的“往复车”高速前进，为战机起飞提供有力助推。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，弹射器次级与放置在弹射轨道下的弹射器初级发生电磁作用，实现带动“往复车”运动加速飞机起飞。电磁弹射系统还需要精确控制弹射末速度和加速度，综合控制系统作为整个系统的“大脑”，可对直线电机进行实时反馈控制，并对各种信息进行组网和交互处理。

电磁弹射系统在弹射飞机时，峰值功率将超过100兆瓦，单纯通过航母上的发电机直接供电是不现实的，因此，需要找到能量密度较高的储能方式。目前，技术上最可行的储能装置是飞轮储能系统，在能量积蓄过程中，舰上的电力系统将巨型飞轮不断加速，使电能转化为飞轮的动能并积蓄起来。弹射飞机时，飞轮储能系统又作为发电机在2-3秒内输出巨量电能。

组成系统

电磁弹射器主要由储能系统、电力电子变换系统、弹射直线电机和控制系统四部分组成。

储能系统

电磁弹射系统在弹射舰载机时，峰值功率将超过100兆瓦，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，以便在需要电力的时候可以给线性电机提供瞬时高能量。目前，储能技术主要有三种，即飞轮储能、电容储能、超导磁储能。飞轮储能发展应用较早，电容储能和超导磁储能是新发展的技术。

目前，美国“福特”号航母的电磁弹射系统采用了飞轮储能，它可在 2秒内提供 200兆焦耳的瞬时能量而不对航母的电力系统产生影响。中国第一艘电磁弹射航母福建号航空母舰，官方还没有正式披露使用哪种储能方式。不过，在中国工程院院士马伟明团队多年研究下，突破了高能量密度、长脉宽和长寿命的惯性储能技术，创造性地提出了将拖动机、励磁机、旋转整流器及主发电机共轴集成，并将飞轮与定子和转子合二为一的储能电机方案，其脉冲功率几十兆瓦，秒级内消耗的电能达几十甚至近百兆焦。马伟明团队在飞轮储能方式上的技术突破，已经满足了电磁弹射的电量需求。

飞轮储能系统由飞轮转子、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着飞轮中储存能量的大小，因此，就有低速飞轮储能系统和高速飞轮储能系统两种选择。一般低速飞轮通常由较重的金属材料制成，高速飞轮一般使用较轻但较强的复合材料制成；电动/发电互逆式双向电机与飞轮耦合，通过电动/发电互逆式双向电机，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与储存。飞轮储能系统中常用的电机有感应电机(IM)、永磁电机(PM)和可变磁阻电机(VRM)；轴承的主要作用是，以非常低的摩擦将转子保持在适当位置，同时为飞轮提供支撑机构。

飞轮储能的工作原理是，在弹射前利用电能把一个数吨重的飞轮旋转起来，让它每分钟达到数千转，电能就变成了飞轮中的动能，这个过程大约需要45秒，储存大约120兆焦耳的能量。弹射时，利用飞轮的动能迅速发电，在2到3秒的时间内，产生数万千瓦的电功率，把飞机弹射出去。飞轮储能的最大优点是其能量密度和功率密度都非常不错，并且具有高可靠性、高可维护性和超长使用寿命的特点。自20世纪90年代以来，飞轮储能已经广泛地应用于很多工业领域。近年来，通过采用高强度碳素纤维复合材料、磁悬浮和真空技术以及充分利用电子电力技术的新进展，飞轮储能的性能更有了更大的提高。

电力电子变换系统

电磁弹射器的电力电子变换系统从储能装置获得电能，并负责将这些电能供给弹射线性电机。但是，输出的电能不能直接供给弹射直线电机，必须通过电力电子变换系统将电能经过交-直-交环节，变换成幅度、频率、相位及相关动、静态指标符合要求的电能，才能输出。发射装置如果采用分段供电的形式，还需要通过分段切换开关输送给发射装置。

通用电气原子公司用其商业电力设备产生的固态技术，将电力电子变换系统浓缩成紧凑的模块，安装在航母的飞行甲板下。

中国海军工程大学提出了基于尽限应用思想的直流可控并联、多相混合多电平逆变、分布式切换供电的脉冲大功率电能变换系统方案，解决了电磁弹射系统能量源共享、多具弹射器相互隔离和超大功率长初级线性电机供电的难题，成功研制出数百 MVA级电能变换系统。

弹射直线电机

弹射直线电机是指提供可控驱动磁场，并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。直线电机可以看成是将旋转电机的固定部分和转动部分剖开，并展开成平板状，面对面，定子和转子被铺设在动子的运动路线上，动子通过其他手段固定在定子的正上方，并保持稳定。与现代常用的电机相比，线性电机具有组成单位简单、反应速度快、工作性能可靠等特点。电磁弹射器中动力系统的直线电机是舰载机起飞任务中很极其重要的一环，现阶段对它的主要研究内容：在大载荷、高速度的舰载机弹射情况下，要求直线电机在满足足够大的推力的前提下，还要提供稳定的推力，防止推力过大对舰载机和其上的各项精密设备产生损伤。

控制系统

电磁弹射器的控制系统是整个弹射装置的大脑，通过该系统的运算控制程序，使得大量的温度、速度、位置等不同类型的传感器可以不间断地控制监视着电磁弹射器的运作。控制系统需要根据舰载机的类型、航母运行的状态以及周围环境的变化发出控制指令，按照飞机的起飞要求提供适宜的起飞速度。同时，通过控制系统还要使储能系统、电力电子变换系统和弹射直线电机系统协同工作，从而让整个系统的运转变得可靠和精确。

美国EMALS组成系统：美国通用原子公司研制的EMALS，主要由6个分系统构成，分别是能量接口分系统、能量存储分系统、电力调节分系统、能量分配分系统、线性电机分系统和弹射控制分系统。能量接口分系统负责从航空母舰上吸取电能，并将能量提供给能量存储分系统，拖动储能电机达到指定的转速。能量存储分系统，可在 2 次弹射的间隔时间内，储存下一次弹射所需要的能量，并在 2-3秒的弹射过程中释放能量。电力调节分系统，将能量存储分系统传来的电能变换成直线电机所需的变频变压的电能。能量分配分系统，通过电缆、断路器等连接电力调节分系统和直线电机分系统。直线电机分系统，通过定、动子的耦合产生电磁力，由动子上的拖梭带动飞机加速到起飞速度。弹射控制分系统，根据输入的弹射参数实时、精确控制通入线性电机的电流，并可进行全系统健康诊断。

EMALS使用线性感应电机 (LIM) 沿着轨道推动滑架以发射飞机，线性感应电机由一排定子和转子电感线圈组成，其功能与传统感应电机中的圆形定子线圈相同。EMALS的线性感应电机 (LIM) 利用电流产生磁场推动飞机沿着轨道滑行，可将一架重约45吨的舰载机在103米距离内加速至240千米/时的起飞速度。EMALS电动发电机重超过36吨，宽约3.3米，高约2.1米，可提供高达 60 兆焦耳的电力，在发射一架海军飞机所需的 3 秒内，可以为 12000 个家庭供电。目前，搭载EMALS的“福特”号航母，可以弹射包括F/ A-18“F/A-18E/F超级大黄蜂式打击战斗机”、C-2“灰狗”战略运输机、E-2空中预警机“鹰眼”预警机、T-45C“苍鹰”教练机、EA-18G“咆哮者”电子战飞机、F-35C“闪电”Ⅱ等战机。

性能对比

优势和现存问题

作为新一代舰载机起飞装置，电磁弹射器相较蒸汽弹射器，有诸多技术优势。

体积变小：蒸汽弹射器由发射系统、蒸汽系统、拖索张紧系统、润滑及控制系统等组成。美国军队航母使用的C-13型蒸汽弹射器，其储气罐单个重量接近100吨，所占据体积在100立方米以上，再加上蒸汽弹射器其他配套设施，占据的总体积达1000多立方米。而电磁弹射器的系统构成相对来说比较少，整个系统的重量大约280吨，体积约425立方米，只有蒸汽弹射器的一半。

能量利用率提高：美海军现役的10艘尼米兹级核动力航空母舰核动力航空母舰上，所使用的第三代蒸汽弹射器C-13-2型，其能量效率仅为6%左右，而电磁弹射器的能量效率可达60%左右，是蒸汽弹射的10倍。蒸汽弹射器一次弹射作业需消耗614千克蒸汽，同时，还要耗费⼤量淡⽔资源和其他能源，⽽电磁弹射器在3秒内弹射耗费的功率约为100MW，折算下来仅消耗83kW·h电能。

可用性得到提高：美国军队航母使用蒸汽弹射器，其两次重大故障间的平均周期是405周，而电磁弹射器两次重大故障间的平均周期可以达到1300周。

弹射飞机种类增多：蒸汽弹射器弹射飞机的质量在27.6吨左右，因此只能弹射大型军用飞机。而电磁弹射器弹射飞机的质量在200千克-35吨之间，在这个区间可以随意调控飞机弹射质量，用以满足不同飞机的弹射需求，其中就包括较轻的无人机。

舰载机作战效率提高：配置电磁弹射器的航母平均一天飞机的出动率可达160架次，高峰时可达270架次，远高于使用蒸汽弹射器的航母日均120架次，高峰220至240架次的出动量，航母舰载机作战效率显著提高。

减少对舰上辅助系统的依赖：蒸汽弹射器在运行过程中，需要依赖大批辅助系统用以完成整个弹射器弹射舰载机的作业。而电磁弹射器则简化了许多，它从关闭状态到待用状态的时间不到15分钟。

电磁弹射器拥有诸多技术优势，但是就美国航母的实际使用来看，依然存在可靠性不足的问题。美国国防部作战试验鉴定局发布的“福特”号航母2017财年试验鉴定报告显示，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为455次，远低于设计值的4166次。按照关键故障间周期455次来计算，美国军队电磁弹射器顺利完成24小时高强度飞行作业的概率仅为9%，顺利完成12小时持续飞行作业的概率为70%。要使电磁弹射装置持续1天无故障作业的概率达到90%以上，需要把关键故障间周期需提升至1600次，显然，美国现在还无法快速提高关键故障间周期。未来电磁弹射器可靠性问题，仍将持续困扰美国海军。此外，“福特”号航母每一部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。这增加了故障维修的时间和难度，严重影响航母作战能力。

发展趋势

海军工程大学张明元、马伟明等人认为，就美国EMALS弹射器反应出来的问题，可以通过技术手段进一步做优化。线性电机分系统，可以采用双边长定子和转子结构的直线感应电机作为执行机构，这种设计可靠性高，同时避免了同步电机永磁体可能失磁的问题。电力调节分系统电压高达4kV，峰值电流高达18kA，美国研究人员采用基于 I GBT 的变频驱动装置解决了这个问题，随着电子元器件进一步发展，今天可采用基于I GCT或碳化硅等更高功率等级的器件，来解决电力调节分系统的高压大电流变频驱动问题。能量存储分系统目前最为合适的应该是飞轮惯性储能，但不排除随着技术的进步，将来会采用超级电容等储能方式。弹射控制分系统可直接借用工业领域类似的高性能控制系统，诸如高性能DSP、矢量控制算法、工业现场总线等技术为弹射控制分系统的硬件、软件及组网提供支撑。海军工程大学上述系统方案，代表了未来EMALS的发展趋势。

《人民网》认为，电磁弹射系统除了应用到航母上，未来还将“由舰上岸”，成为无人机地面弹射起飞的理想发射方式。由于电磁弹射技术在速度、射程、杀伤力和隐身性能方面拥有突出优势，可成为新型导弹的推离发射平台，甚至可以用于卫星、飞船、火箭等空天装备的低成本重复发射。此外，电磁弹射系统还将促使以电磁炮为代表的高能电磁武器发展，成为变革未来战争方式的利器。