電磁彈射器包括：電源、強迫儲能裝置、導(dǎo)軌和脈沖發(fā)生器等，但彈射器還多了強迫降溫及精確控制。

分別介紹如下： 
　　1、 電源裝置 
　　電磁彈射器用的是直流電源，而且在電磁彈射器工作時是負(fù)荷沖擊性非常大。雖然有了儲能裝置，但由于要求彈射器在很短時間內(nèi)起飛更多架次的飛機，所以對電磁彈射器的電源容量要求也比較大，一般容量在5~8萬KVA左右（但輸出電壓卻不高）。這么大的功率的交流發(fā)電機當(dāng)然不是問題，但如果是直流發(fā)電機則必須是無刷穩(wěn)流直流發(fā)電機，否則滑環(huán)的強大電流會灼傷換向器。 
　　2、 強迫儲能裝置 
　　強迫儲能裝置是電磁彈射器的核心部件，它不僅緩解了發(fā)電機的壓力，同時在彈射器不工作時吸收發(fā)電機的能量，使發(fā)電機幾乎不受沖擊性負(fù)荷的影響。強迫儲能裝置原理不復(fù)雜，但實施起來很麻煩。早期美國使用的強迫儲能裝置是這樣的：用一個交流發(fā)電機給一個交流電動機供電，這其實很容易辦到，但這個電動機的轉(zhuǎn)子同時拖動直流發(fā)電機和一個慣性特別大的自由轉(zhuǎn)子（約上百噸）一起旋轉(zhuǎn)。我們知道，這么重的自由轉(zhuǎn)子起動起來有一定的難度，然而這么重的自由轉(zhuǎn)子運行到高速時具有非常大的動能。而在彈射器工作時，在發(fā)電機看來是接近短路的電流會產(chǎn)生強大的制動力阻止發(fā)電機繼續(xù)運行，電動機將無能力拖動，但此時由自由轉(zhuǎn)子強大的儲能強制拖動直流發(fā)電機運行，從而完成沖擊性負(fù)荷過程。自由轉(zhuǎn)子會因此速度降低，但起動結(jié)束后電動機會在發(fā)電機沒有負(fù)荷下把自由轉(zhuǎn)子拖動到一定的速度，從而完成儲能。但需要說明的一點是，這里的電動機既不是鼠籠式電機，也不是繞線式電機，還是轉(zhuǎn)子有一家電感及線圈的電機。 
　　后來，美國佬干脆用高性能電池代替，為此老美子采用了上萬個高性能抗沖擊負(fù)荷的電池，每個單體電池最大做功能達(dá)到5~10KW，有效時效為35S，彈射器工作時由發(fā)電機和電池同時為彈射器做功，做功后的電池因強制放電而電壓降低，但彈射器工作完畢后發(fā)電機將完成對電池的充電。這里也需要說明的一點就是大家不要把這里的電池當(dāng)成日常生活的鉛酸電池，這里的電池內(nèi)阻很低，有很強的抗沖擊能力及快速復(fù)充電能力。 
　　但目前美國佬使用的強迫儲能裝置都不是以上兩種。 
　　3、 導(dǎo)軌 
　　電磁彈射器的導(dǎo)軌與電磁軌道炮的差異很大，也比其復(fù)雜的多。 
　　電磁彈射器的導(dǎo)軌共有4個，分別為上部2個，下部2個。但每跟導(dǎo)軌都非常長（200米以上），安裝在起飛甲板的下面。并且每跟導(dǎo)軌內(nèi)部均有超導(dǎo)體與其熔接，中間是高壓冷卻油，其冷卻油在進入導(dǎo)軌前的溫度低于-40℃，而從導(dǎo)軌出口的溫度低于-30℃。不僅如此，導(dǎo)軌與飛機牽引桿的接觸面至導(dǎo)軌中心還有很多特細(xì)的小孔，所以其冷卻油不僅僅是為超導(dǎo)體降溫，還有潤滑的作用，而且會使飛機牽引桿在運行時降溫。 
　　飛機牽引桿是在飛機前輪下與飛機前輪連為一體的裝置，可收縮并放置在飛機的腹腔內(nèi)。其中間也為超導(dǎo)體，但無油冷確通道，而且與導(dǎo)軌連接處面積較大，均為軟接觸。在起飛前，飛機牽引桿伸出至上下導(dǎo)軌之間，飛機發(fā)動機起動并開如運行，但約一秒鐘時彈射器通電，強大的電流從導(dǎo)軌經(jīng)飛機牽引桿后再流回另一對導(dǎo)軌并形成回路，牽引桿在強大的電磁力下被推動運行到高速（未到起飛速度，但只差一點）后電流被強制截止，牽引桿將不再受力，但在飛機發(fā)動機的推力下達(dá)到起飛速度。為什么未達(dá)到起飛速度就斷電呢？是因為由于飛機牽引桿與飛機連為一體，如果這時繼續(xù)通電的話，飛機起飛時將把飛機牽引桿拉出，斷電時會產(chǎn)生強大的電弧灼傷飛機牽引桿。 
       4、 脈沖發(fā)生器 
　　以上過程實際上是脈沖發(fā)生器完成的。蒸汽彈射器為使發(fā)動機與彈射器同步運行（縮短起飛距離），用一根鋼棍先擋住飛機運行，由于飛機發(fā)動機推力無法推斷鋼棍，但與彈射器合力卻可推斷鋼棍，從而使飛機在彈射器與發(fā)動機合力下起飛。但電磁彈射器卻無需鋼棍擋住，在飛機起飛時電磁彈射器同步通電，但電流是逐漸增加起來，而且在起飛末段將電流截止。 

電磁彈射器的優(yōu)點

       美軍為何要采用電磁彈射器？這是因為這種彈射器有很多優(yōu)點，首先是加速均勻且力量可控。C－13－1型蒸汽彈射器發(fā)射是最大國在可以達(dá)到6g，，而整個行程的平均加速度僅有2g多一點，F(xiàn)/Ａ－18戰(zhàn)斗攻擊機飛行員常產(chǎn)調(diào)侃C－13－1彈射器在后段往往沒有飛機自身的發(fā)動機加速得快。隨著速度和氣缸容積的增加，過熱蒸汽的膨脹絕大多數(shù)能量用于蒸汽本身的加速和推動上了，而體積增加后氣體膨脹所需蒸汽的比例成立方關(guān)系增加。目前的蒸汽彈射器廠度和氣缸容積幾乎達(dá)到極限，到彈射沖程的末端，蒸汽基本上只能加速活塞，對飛機的幫助不大。電磁彈射器的推力啟動段沒有蒸汽那種突發(fā)爆炸性的沖擊，峰值過載從6g可以降低到3g，這不僅對飛機結(jié)構(gòu)和壽命有著巨大的好處，對飛行員的身體承受能力也是一個不錯的改善。此外，由于電磁彈射的加速和彈射器的長度沒有關(guān)系，除了受到氣動阻力和摩擦阻力的影響外，彈射初段到末段的基本加速度不會出現(xiàn)太大的波動，這就比蒸汽彈射的逐步下降來得更有效率。根據(jù)計算，平均加速度一樣時，電磁彈射器可以比蒸汽彈射擊讓飛機多載重8%~15%。
       另一個比較重要的好處在于電磁彈射器具有很大的能量輸出調(diào)節(jié)范圍。蒸汽彈射器的功率輸出依靠一個叫速率閥的東西，利用控制蒸汽流量的方式控制彈射器的功率輸出，機械的可調(diào)節(jié)性能輸出達(dá)到1：6差不多就是極限了；而電磁彈射的功率輸出是由電路系統(tǒng)控制的，從大功率民用變電的經(jīng)驗可知1：100以內(nèi)的變化是相當(dāng)容易的。美國海軍未來將會大量使用輕重不一的無人機，目前的蒸汽彈射器很難適應(yīng)這個要求。對航母的設(shè)計是和海軍操作人員來說，電磁彈射器是一個大福音，它不僅將機庫甲板的占用面積縮減到原來的1/3，而且重量還輕了一半。大幅減輕高過重心位置的重量對航母的穩(wěn)性設(shè)計是個很有益的舉措，同時既不用再為復(fù)雜的蒸汽管道迷宮所困擾，也不用再為灼熱的蒸汽泄漏和四處污濺、難以清潔的潤滑油所發(fā)愁。
                       
電磁彈射器的結(jié)構(gòu)

         美軍研發(fā)的電磁彈射器由三大主要部件構(gòu)成，分別是線性同步電動機、盤式交流發(fā)電機和大功率數(shù)字循環(huán)變頻器。
         線性同步電動機是電磁彈射器的主體，它是20世紀(jì)80年代末期研究的電磁線圈炮的放大版。電磁線圈炮也叫電磁線圈拋射器，1831年法拉弟發(fā)現(xiàn)電磁現(xiàn)象以后就有人開始設(shè)想電磁線圈炮。1845年，有科學(xué)家在理論試驗中將一個金屬柱拋出20米；1895年，美國有項專利設(shè)計了理論上能夠?qū)⑴趶棐伾?30千米的線圈炮；1900年，挪威物理學(xué)教授克里斯坦?勃蘭登獲得三項關(guān)于電磁炮的專利；1901年，勃蘭登在實驗室制造了一座長10米、口徑65毫米的模型，可以把10千克的金屬塊加速到100米/秒，這引起了挪威政府、德國政府的注意。德國著名的火炮生產(chǎn)廠商克虜伯公司為勃蘭登教授提供了5萬馬克的研究經(jīng)費，勃蘭登設(shè)計了一門長27米、口徑380毫米的巨炮，預(yù)計可以將2噸重的炮彈發(fā)射到50千米遠(yuǎn)，彈丸速度可以達(dá)到900米/秒。為了實現(xiàn)這個目的，勃蘭登設(shè)計了3800多個線圈，重量達(dá)到30噸。使用這門大炮需要3千伏、600千安的直流電源。當(dāng)時的技術(shù)條件根本不可能提供這種直流電源，因此該炮最后被廢棄，炮上所用的大量銅絲在后來的戰(zhàn)爭中被作為重要戰(zhàn)略物資回收。
       1970年，德國科隆大學(xué)的哈布和齊爾曼用單機磁線圈將一個1.3克的金屬圓環(huán)加速到490米/秒，這一成果迅速引起世界范圍內(nèi)的高度重視。1976年，蘇聯(lián)科學(xué)家本達(dá)列托夫和伊凡諾夫宣布已將1.5克的圓環(huán)加速到4900米/秒。20世紀(jì)80年代，美國太空總署（NASA）桑地亞中心一直在進行電磁線圈炮的概念性研發(fā)工作，他們曾嘗試修建一個長700米、仰角30度、口徑500毫米、采用12級、每級3000個電磁線圈的巨炮，可以將2噸重的火箭加速到4000~5000米/秒，推送到200千米以上的高度。NASA預(yù)計使用這個系統(tǒng)發(fā)射小型衛(wèi)星或者為未來興建大型近地空間站提供廉價的物資運送方式，其發(fā)射成本只有火箭的1/2000。在早期概念性研究階段，NASA發(fā)展了一系列解決瞬間能源的技術(shù)方案，這些都成為電磁彈射的技術(shù)基礎(chǔ)。美國EMALS中的線性同步電動機采用了單機驅(qū)動的方式，只是用一臺直線電機直接驅(qū)動，和以前的雙氣缸蒸汽彈射并聯(lián)輸出不同。線性電動機長95.36米，末段有7.6米的減速緩沖區(qū)，整個彈射器長103米。彈射器中心的動子滑動組，由190塊環(huán)形的第三代超級稀土釹鐵硼永磁體構(gòu)成，每一塊永磁體間有細(xì)密的鈦合金制造的承力骨架和散熱器管路，中心布置有強力散熱器。雖然滑組在工作中其本身只有電感渦流和磁渦流效益產(chǎn)生不多的熱量，但是其位置處于中心地帶，散熱條件不好，且永磁體對溫度敏感，高過一定溫度就會失效?；M和定子線圈間保持均勻的6.35毫米間隙，相互間不發(fā)生摩擦，依靠滑車和滑車軌道之間的滑輪保持這個間隙不變?；瑒咏M上因為沒有需要使用電的裝置，所以結(jié)構(gòu)比較簡單，且無摩擦設(shè)備，需要檢修和維修的工作量極少。彈射中，每一塊定子磁體將只承受2.7千克/平方厘米的應(yīng)力。由于滑動組采用了固定的高磁永磁體，所以定子被設(shè)計成電磁，形狀為馬鞍形，左右將滑動組包圍，上部有和標(biāo)準(zhǔn)蒸汽彈射器相同大小的35.6毫米的開縫。定子采用模塊化設(shè)計，共有298個模塊，分為左右兩組，每個模塊由寬640毫米、高686毫米、厚76毫米的片狀子模塊構(gòu)成。一個模塊上有24個槽，每個槽用3相6線圈重疊繞制而成，這樣每一個模塊就有8個極，磁極距為80毫米。槽間采用高絕緣的G10材料制成，每個槽都用環(huán)氧樹脂澆鑄，將其粘接成一個無槽的整體模塊。通過數(shù)字化定位的霍爾元件，定子模塊感應(yīng)滑車上的磁強度信號，當(dāng)滑車接近時，模塊被充電，離開后斷開，這樣不需要對整個路徑上的線圈充電，可以大大節(jié)省能源。每一個模塊的阻抗很小，只有0.67毫歐，它的設(shè)計效率為70%，一次彈射中消耗在定子中的能量有13.3兆瓦，銅線圈的溫度會被迅速加熱到118.2度，加之受環(huán)境溫度影響，這一溫度可能會高達(dá)155度。這將超過滑車永磁體的極限推辭溫度，因此需要強制冷卻，目前的冷卻方案是定子模塊間采用鋁制冷卻板，板上有細(xì)小的不銹鋼冷卻管，可以在彈射器循環(huán)彈射的45秒重復(fù)時間內(nèi)將線圈溫度從155度降低到75度。線性電動機的末段是反相段，通過電流反相就能讓滑組減速并停下來，同時自動恢復(fù)到起始位置。
       從電磁線圈炮的發(fā)展歷史來看，阻礙電磁彈射器的現(xiàn)實化并不是線性電機本身，而是強大而穩(wěn)定的瞬發(fā)能源。美國航母上采用20世紀(jì)90年NASA為電磁炮、激光武器發(fā)展的慣性儲能裝置研制而來的盤式交流發(fā)電機。新設(shè)計的盤式交流發(fā)電機重約8.7噸，如果不算附加的安全殼體設(shè)備，其重量只有6.9噸。盤式交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞水平軸旋轉(zhuǎn)，重約5177千克，使用鎳鉻鐵的鑄件經(jīng)熱處理而成，上面用鎳鎘鈦合金箍固定2對扇形軸心磁場的釹鐵硼永磁體。鎳鎘鈦合金箍具有很大的彈性預(yù)應(yīng)力，可確保固定高速旋轉(zhuǎn)中的磁體。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為6400轉(zhuǎn)/分，一個轉(zhuǎn)子可存儲121兆焦的能量，儲能密度比蒸汽彈射器的儲氣罐高一倍多。一部彈射器由4臺盤式交流發(fā)電機供電，安裝時一般采用成對布置，轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，可減少因高速旋轉(zhuǎn)飛輪帶來的陀螺效應(yīng)和單項扭矩。彈射一次僅使用每臺發(fā)電機所儲備能量的22.5%，飛輪轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度從6400轉(zhuǎn)/分下降到5200轉(zhuǎn)/分，能量消耗可以在彈射循環(huán)的45秒間歇中從主動力輸出中獲得補充。四蓄能發(fā)電機結(jié)構(gòu)允許彈射器在其中一臺發(fā)電機沒有工作的情況下正常使用。由于航母裝備4部彈射器，每兩部彈射器的動力組會安裝到一起，集中管理并允許其動力交聯(lián)，因而出現(xiàn)6臺以上發(fā)動機故障而影響彈射的事故每300年才會重復(fù)一次。盤式交流發(fā)電機采用雙定子設(shè)計，分別處于盤的兩側(cè)，每一個定子由280個線圈繞組的放射性槽構(gòu)成，槽間是支撐結(jié)構(gòu)和液體冷卻板。采用雙定子結(jié)構(gòu)，每臺發(fā)電機的輸出電源是6相的，最大輸出電壓1700伏，峰值電流高達(dá)6400安，輸出的匹配載荷為8.16萬千瓦，輸出為2133～1735赫茲的變頻交流電。盤式儲能交流發(fā)電機的設(shè)計效率為89.3%，這已經(jīng)通過縮比模型進行了驗證，也就是說每一次彈射將會有127千瓦的能量以熱量形式消耗掉。發(fā)電機定子線圈的電阻僅有8.6毫歐，這么大的功率會迅速將定子線圈加溫數(shù)百度，所以設(shè)計了定子強制冷卻。冷卻板布置在定子的外側(cè)，鑄鋁板上安裝不銹鋼管，內(nèi)充WEG混和液，采用流量為151升/分的泵強制散熱。根據(jù)1/2模型測試可知，上述設(shè)計可以保證45秒循環(huán)內(nèi)銅芯溫度穩(wěn)定在84攝氏度，冷卻板表面溫度61度。
       真正最為關(guān)鍵、技術(shù)難度最大的部件是高功率循環(huán)變頻器。這個技術(shù)是電磁彈射器的真正技術(shù)瓶頸。EMALS現(xiàn)在正處于關(guān)鍵性部件工程驗證階段，循環(huán)變頻器僅僅是完成了計算機模擬，還沒有開始發(fā)展工程樣機。從設(shè)計上看，循環(huán)變頻器是通過串聯(lián)或者并聯(lián)多路橋式電路來獲得疊加和控制功率輸出的，它不使用開關(guān)和串聯(lián)電容器，省略了電流分享電抗器，實現(xiàn)了完全數(shù)字化管理的無電弧電能源變頻管理輸出。其每一相的輸出能力為0～1520伏，峰值電流6400安，可變化頻率為0～4、644赫茲。循環(huán)變頻器設(shè)計非常復(fù)雜，它不僅需要將4臺交流發(fā)電機的24相輸入電能準(zhǔn)確地將正確的相位輸入到正確的模塊端口，還必須準(zhǔn)確的管理298個直線電機的電磁模塊，在滑塊組運行到來前0.35秒內(nèi)讓電磁體充電，而在滑組經(jīng)過后0.2秒之內(nèi)停止送電并將電能輸送到下一個模塊。循環(huán)變頻器工作時間雖然不長，每次彈射僅需工作10～15秒，但熱耗散非常大，一組循環(huán)變頻器需要528千瓦的冷卻功率，冷卻劑是去離子水，流量高達(dá)1363升/分，注入溫度35攝氏度的情況下可確保系統(tǒng)溫度低于84攝氏度。目前，美國對這一核心部件的保密工作非常重視，除了基本原理外，幾乎沒有任何的模型結(jié)構(gòu)、工程圖片披露。2003年，美國海軍和通用電氣公司簽訂合同，要求花費7年時間完成這一部件的實體工作。
       到目前為止，美國在海軍航母電磁彈射器上花費了28年的時間和32億美金的經(jīng)費，預(yù)計將在2014年服役的CVN－78航母上正式使用這一設(shè)備。從設(shè)計和工程實現(xiàn)的關(guān)鍵性部件的性能來看，成功地按時間表投入使用的可能性非常大。目前的主要技術(shù)問題出在線形同步電機上，18米所必模型所顯示的效率僅為58%，而50米1/2模型顯示的效率僅有63.2%，這證明能量利用率還不足，功率也成倍增加，以目前的設(shè)計是不能完成散熱需求的。另外一個問題在于軍用系統(tǒng)的防火要求，永磁體對溫度比較敏感，存在退磁臨界溫度，一般在100～200攝氏度之間，航母的火工品較多，火災(zāi)事故并不罕見，如何保證磁體的磁強度不受大的影響還是一個很棘手的問題。電磁彈射器功率巨大，其磁場強度也非?？膳?，現(xiàn)代戰(zhàn)斗機上復(fù)雜的電磁設(shè)備都非常敏感，容易受到干擾，因此需要特別加強電磁彈射系統(tǒng)的磁屏蔽工作。由于彈射器的磁體是開槽形的，和蒸汽彈射器的蒸汽泄露一樣會有很強的磁泄露，所以目前設(shè)計了復(fù)雜的磁封閉條，在離飛行甲板15厘米的高度就能將磁場強度降低到正常環(huán)境的水準(zhǔn)。相關(guān)的電磁干擾和兼容性問題將在2012年進行專門的適應(yīng)性試驗。
         美國預(yù)期電磁彈射器達(dá)到如下指標(biāo)：起飛速度：28～103米/秒；最大牽引力和平均牽引力之比：1.07；最大彈射能量：122兆焦；最短起飛循環(huán)時間：45秒；重量：225噸；體積：425立方米；補充能源需求：6350千瓦。
  
后記
       中國在電磁彈射技術(shù)領(lǐng)域里一直處于理論研究和同步試驗研究驗證的小規(guī)模發(fā)展階段。線圈炮方面，1996年中國曾發(fā)布了一個口徑90毫米的4磁體級的樣炮原型機，可以達(dá)到電能轉(zhuǎn)換50%以上，瞬間能源有成熟的20兆焦和100兆焦輸出級別的器件。我國是稀土永磁體生產(chǎn)大國，高磁強度稀土永磁體研究水平較好，但工程實際開發(fā)工作較少。在電磁彈射器方面，我國采用跟蹤研究體制，如果未來一些年內(nèi)中國要發(fā)展航空母艦，電磁彈射技術(shù)將會是其中的重點。