主题：【原创】航空母舰电池能源电磁弹射器 -- 圆环

国产航母使用何种弹射器如今是众说纷纭，本文提出一种蓄电池组加电动机的方案，并从性能参数和经济性两方面进一步讨论。至于是否在首舰上安装弹射器不在本文讨论之列。

航空母舰对弹射器的大致要求如下： 【注1】

弹射器行程：90米 弹射器最大牵引力：1,100千牛，约110吨力

弹射器（平均）加速度：25米每秒平方，约2.5G

弹射出口速度：67米每秒 弹射器平均功率：37兆瓦

弹射器最大功率：74兆瓦

存在的技术难点：

电源要求高：高功率冲击, 三秒内电功率从零升至七万千瓦。

电机要求高：转子重量要轻，满负荷转速不能太高，否则电机功率都消耗在加速转子上了。事实上整个弹射器运动部分的重量要严格控制。最好使用电机直连无变速器，以避免额外开销。

方案一：锂离子电池组+超导电机+尼龙(芳纶1414/凯芙拉)绳卷扬机，无变速器【注2】

方案二：锂离子电池组+超导直线电机

方案一总体上可以每两部并行弹射器共享一台超导电机。当然如果电机不贵不重多安两台也可。方案二的经济性有一定问题，四台弹射器就要使用4部超导直线电机。每台直线电机长九十米，如果使用超导则需要液氮冷却！估计使用成本不低。因为直线电机为美国海军弹射器采用【注3】是热门话题分析很多而没有新意，以下只讨论方案一。

为什么说锂离子电池加电动机的方案是可行的呢？从功率指标出发粗略估算一下，以电池动力车Tesla Roadster【Wiki】为例，该车使用450公斤重锂离子电池，185千瓦交流感应电动机，全车重1200公斤。弹射器最大功率约为Tesla Roadster的400倍，就是说500吨全系统重量就能拿下。500吨还高估了不少，因为弹射器对电池组储能要求没有汽车高，不一定要200吨电池。汽车上车身轮胎皮沙发什么的也不是必须。

电池：

以锂聚合物电池为例：【Wiki】

注意功率重量比“up to 2800 W/kg,” 留出充分裕量只取三分之一既1000W/Kg, 则弹射器74兆瓦最大功率须电池组74吨，再放宽条件方便计算设计中取一百吨电池组为弹射器电机供电。

电池能量重量比取比下限还低的100Wh/Kg, 弹射过程中电池组最大电流不到10C，平均电流小于5C。充满电状态进行一百次最大负荷弹射只消耗不到50%的电池组容量，而国产航母很可能装不下100架45吨重的飞机。

充电要求很低，一小时充电百分之五十容量只需五千千瓦电功率。也就是说不一定船要全电驱动。

Tesla Roadster的电池组约5万美元一吨，军品即便贵一些，一百吨电池组售价不会超过一千万美元。不到50%放电的浅循环很容易实现电池组循环寿命超过一千次，每次弹射电池成本不超过一百美元。看起来使用维护成本比现役蒸汽弹射器要低。

功率半导体模块逆变器，实现直流-交流变换。

超导电机，例如这个。

链接中船用超导电机参数为：36MW, 120rpm, 6.6kv, 小于75吨。注意120rpm是很高的指标，我们如果使用直径0.5米输出轴则满负荷转速超过两千rpm. 这就意味着电机可以做得更小更轻。也需要更轻，前面说过转子重量越轻越好。超导电机封装在小于二米乘二米乘二米的一个液氮冷却低温保温瓶中，需一周七天一天二十四小时维持低温。所以船上还要有液氮制备系统。

使用超导电机的原因一部分是可以让设计充满高科技，免得被人瞧不起。另一部分原因是超导电机磁场强扭力大，可以小型化效率还高，接近100%。也许传统铜导线电机就能满足要求，这个要专业人士来求证了。

凯芙拉牵引绳索，重量轻强度大，应该不是技术难点。不行用尼龙绳，只是显得没有技术含量。

本系统的优点：

飞机出动率高：瓶颈不再是弹射器。一天弹一千次，五分钟弹完所有舰载机都可以实现。

成本不高：前文多有涉及。

可靠性好：电源可组成多路并行模块化结构，部分模块失效不会影响功能。还可以自动检测故障并现场更换故障部件。

使用灵活：弹射器出力可调可编程，适应不同环境不同对象。弹射行程可变，不局限于九十米，延长行程弹射超重飞机，缩小行程弹射无人机甚至发射十吨生活垃圾将正前方海盗船砸沉都很容易实现。

可以升级：将来有更好的电池电机或控制系统可以随时升级更换。

体积小重量轻。

能量效率高：远高于蒸汽驱动活塞弹射器。

本系统之缺点：

没有“国外参考资料”, 得自己摸索。

超导电机需要制冷。

...待补充。

存在的困难：

超导电机国内发展水平不详。最差可以从美国买超导材料，自己绕电机。

国内少有类似完全自主开发没有现成模板的大型高技术项目。考验决策者的勇气。

细节，细节。

题外话，

为什么苏联不走这条捷径呢？很简单，锂电池和超导材料都是最近十年才大规模实用化的，当年人家没那个条件。

【注1】

【注2】电动卷扬机：由电动机作为动力，通过驱动装置使卷筒回转的卷扬机。 电动机可以通过变频器来控制速度。

【注3】还在发展阶段的美国海军电磁弹射器Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS)

EMALS Specifications

End Speed 28-103 m/s

Max Peak-to-Mean Tow Force Ratio 1.05

Launch Energy 122 MJ

Cycle Time 45 seconds

System Weight < 225,000 kg

System Volume < 425 m^3

Endspeed Variation -0 to +1.5 m/s