自制航母电磁弹射演示系统

高旸

2022 年6 月17 日，我国第三艘航空母舰下水命名仪式在中国船舶集团有限公司江南造船厂举行。仪式上，军地领导共同为我国第三艘航空母舰下水剪彩，并向接舰部队主官授予命名证书。经中央军委批准，我国第三艘航空母舰命名为“中国人民解放军海军福建舰”，舷号为“18”。

与已经服役的辽宁舰和山东舰不同，福建舰是我国完全自主设计建造的首艘弹射型航空母舰，采用平直通长飞行甲板，配置电磁弹射和阻拦装置，满载排水量8 万余吨。随着该舰服役的脚步越来越近，我国航母将正式步入弹射时代，并且是一举迈入电磁弹射时代。对比世界各国，拥有航母的国家屈指可数，装备弹射技术的航母更是凤毛麟角。老牌海军强国英国的新航母，使用的是短距起降+ 滑跃起飞方案，而法国戴高乐航母上装备的蒸汽弹射器则购自美国。可以说，在弹射技术领域，中美两国已经站在同一起跑线上。值得一提的是，美国最新一代航母福特号虽然已于2017 年7月22 日正式进入美国海军服役，但因电磁弹射技术不成熟，其形成战斗力的时间被一推再推。

作为一名少年宫的科技模型教师，笔者在教学中一直非常注重学生科学素养的培养，通过设计制作一些演示模型，可以将复杂难懂的科学原理与知识形象地展示出来。看到我国第三艘航空母舰福建舰下水的消息，本人萌生了研究制作“航母电磁弹射演示系统”的想法，一方面通过这套演示系统可以开展STEM 教学活动，让学生了解航母舰载机电磁弹射技术的科学原理；另一方面还可以借助它向学生普及国防知识，激发孩子们的担当意识与爱国情怀。

这套演示系统由舰艏模型、电磁弹射器和控制器3 部分组成。

其中舰艏模型是整个系统的安装承载平台。作为最大的水面战斗舰艇，一艘航母动辄二三百米长，即使做出满足弹射演示系统需要的等比例缩小模型，尺寸也非常巨大。为此，笔者决定按照福建舰的外形，只做出舰艏部分的缩比模型。该舰艏模型使用厚木板制作，尺寸为1.8米×0.65 米×0.3 米。舰体中部留出弹射器安装槽，右后方为控制器留出安装位。甲板使用8 毫米厚的透明亚克力板，用激光切割机切出造型。之所以使用透明材质的甲板，是为了让学生能清楚地观察电磁弹射演示的全过程。

控制器面板上设有充电口、电池电压显示器、充电电压显示器、总开关、充电开关、弹射开关、复位开关，侧面还有快插线端口和散热风扇，主要用于对弹射器的发射、回收等进行控制。

电磁弹射器是整个系统的核心，主要由升压模块、控制板（包括电容、可控硅、光电传感器）、8 级电磁线圈、发射滑轨（发射管）、磁铁弹丸、牵引滑块和弹丸回收装置等部分组成，可演示电磁弹射过程中的储能、弹射和回收三大阶段。系统工作时，首先将电源升压并将电能储存在电容中；之后控制板逐级为电磁线圈通电，驱动线圈中的磁铁弹丸逐渐加速；高速弹丸击中滑块，使其沿发射轨道向前滑动，同时带动模型飞机向前加速滑行起飞；最后，弹丸由回收装置牵引回到原位，准备下次弹射。通过控制电容的充电电压，即可改变存储在电容中的电能，进而调整弹射速度与重量。这也是航母上电磁弹射比传统的蒸汽弹射更加先进的一大特点，即电磁弹射器可通过控制电流获得大小可调的推力，不仅能弹射重型飞机，也能弹射较轻的无人机。

下面结合这三大阶段对电磁弹射器的结构和功能进行详细介绍。

1. 储能阶段

这一阶段中起作用的主要是升压模块和储能电容。按下控制器上的储能开关后，低压直流电（电源）通过升压模块的高频振荡电路转化为低压交流电，再通过脉冲变压器升压转化为高压交流电，最后通过脉冲整流电路转化为高压直流电，电能经一系列转化，被储存在大容量电容中。这些电容被装在控制板下方，沿电磁线圈一字排开。

2. 彈射阶段

弹射器共设8 级电磁线圈，缠绕在发射管外间隔分布。各级线圈长度依次增大，线圈间布置用于探测磁铁弹丸的光电传感器。按下控制器面板上的弹射开关后，第一级电容将储存的高压直流电输出到缠绕在发射管外的第一级线圈上，线圈产生磁场牵引发射管内的磁铁弹丸直线加速运动；经过线圈间的第一个光电传感器时，其将信息传递给可控硅（相当于开关），并由它控制第二级电容给第二级线圈放电形成磁场，继续牵引磁铁弹丸加速；以此类推，直到最后一级线圈将弹丸加到最大速度。之后磁铁弹丸继续沿发射管高速运动，撞击舰载机牵引滑块使其沿管道向前运动，并牵引舰载机加速滑跑。随着舰载机速度的增加，其升力增大到超过自身重量后即可从航母甲板上起飞，完成电磁弹射起飞的全过程。

使电磁线圈为磁铁弹丸逐级加速是电磁弹射器能否实现演示功能的关键，为此，笔者花费大量精力完成了控制程序的编写，并通过反复测试优化调整各项参数，使加速效果达到最优。

而看似简单的牵引滑块，在具体设计时也费了一番功夫。牵引滑块要装在发射管中，为此，需要在管上铣出一条4 毫米宽的通槽。牵引滑块由两部分组成，分别位于甲板上下。其中下半部分用一块铝锭经数控加工而成，中间部分凸出，主要用于承受磁铁弹丸的高速碰撞。滑块上下各有一对圆孔，用于安装滚动轴承以夹住发射管，使其不在管中晃动。牵引滑块的上半部分，使用3D 打印机打印而成，用于固定舰载机的前起落架。

3. 回收階段

弹射完成后，弹丸和牵引滑块会运动到发射管末端。为了方便继续进行下一次弹射，笔者设计了弹丸回收机，利用电机驱动两端带有铁限位块的钢丝绳在弹射管中来回滑动，吸引弹丸并将其拉回起点。

弹丸回收机由电机、橡胶轮、钢丝绳等部分组成。电机带动橡胶轮旋转，轮边的摩擦力使钢丝绳在弹射管中运动，待绳端的限位块2 碰到磁铁弹丸后与之吸到一起，随后电机反转，钢丝绳便可带着弹丸一起回到起点。为了实现全自动控制，笔者在发射管下方加装了一根与之平行的钢丝绳导管。在发射管与钢丝绳导管终端各固定一个触碰开关，当按下控制器面板上的复位开关后，电机先正转，至钢丝绳限位块1 碰撞到导管上的开关后（此时限位块2 刚好吸住弹丸），电机立即反转将弹丸吸回。当钢丝绳限位块2碰撞到发射管上的开关后，说明弹丸已回到原位，电机停转。

笔者还在牵引滑块下半部分凸起处拧入一颗铁螺丝，这样弹丸在回收时就能吸住牵引滑块一同复位。而且，因为钢丝绳上的限位块2 的磁力更大，牵引滑块到达弹射起始点时会自动与磁铁弹丸分离，确保滑块与弹丸分别回到各自的起始位。

相较于以往使用橡皮筋或压缩气体作为弹射动力的设备，这套航母电磁弹射演示系统在原理上真实还原了航母电磁弹射系统，能更直观地演示电磁转换原理；而且在储能阶段还可以通过调节升压参数，将测试小车弹射出不同的距离，其他教具则很难实现这一功能。