电磁弹射公式推导

关于电磁弹射的基本技术原理，我查阅了不少资料，估计是这一块的技术属于绝对保密的那种，所以没多少参考价值。这一期视频我就根据自己的想象力来妄加猜测一下其中的奥妙。 不知大家对磁悬浮列车有没有了解，我觉得电磁弹射的最底层逻辑应该和磁悬浮列车的动力差不了多远，二者都是把电磁能转换成动能，当然区别还是有的。 由于磁悬浮列车的目的是商用性质，这就注定了他需要的电能必须非常平稳。而电磁弹射则不一样， 他所追求的则是一个爆发力，由于需要在极短的时间内把一架重达三十吨的飞机弹射起飞，这其中所消耗的电能极为庞大，目前世界上还没有哪种发电机能输出这个等级的顺势能量，所以在电磁弹射的系统中，这个储能系统 就尤为重要了。这是电磁轨道，它是由大量的电磁铁组成的电磁矩阵，他们原本不具有磁性，当电流通过这个阵列时，他们会变为电磁铁。关于这个知识点，我上期视频有详细介绍，这里就不再坠述，有兴趣的小伙伴可以去看一下。 轨道中间的这个东西，我把它叫做滑块，它本身就是一块具有磁性的泳磁体，在弹射的时候，它会带动飞机的前轮，以此来给飞机提速。几个主角介绍完，接下来让我们看一下整个弹射过程。 发电机源源不断产生的电能会以一种我不知道的方式输送到这个储能装置，不知道多久后，它里面的电能会达到饱和状态，而后耐心等待弹射的输出指令，某个时刻，船长下达起飞指令，储能装置会把它毕生积蓄在这一瞬间全部爆发出去。电流来到弹射轨道， 所有成员全部摇身一变成为了电磁铁。处于磁场中间的滑块在异性相吸、同性排斥的作用下，会向前走一步。 ok， 这里我们把时间放慢一万倍来看看这个过程。 滑块的前端是 n 级，后面是 s 级，两侧轨道的磁级在这个时刻，同样是前端 n 级，后端 s 级。在这一刻，滑块就同时受到了两个向前的力，一个是后面同级给的推力，另一个就是前面一级给的拉力。在这两种力的作用下，滑块自然而然的就向前运动了。 当滑块运行到第二组轨道的瞬间，整个电磁轨道的电流方向会瞬间变向，这就导致了这些电磁铁的磁极瞬间反转，之前的 n 级变成 s 级， s 级变成 n 级。这种情况下，还没做热的滑块又被施加了推力和拉力， 不得已右向前走一步。这组动作滑快，前进，电流变向电磁铁，磁机反转，滑快，再前进，一而再，再而三，循环反复，直到起飞。这个过程就是电磁弹射的基本工作流程。 当然这一切都是我猜的，各位小伙伴有不同的看法可以评论区告诉我，我们一起讨论讨论。

明天就考物理了，今天给大家讲一讲导体棒的大招公式。电磁炮、电磁阻拦、电磁弹射磁悬浮列车本质都是同一套公式，下面给大家介绍一下。 我先给大家讲公式，然后回头再讲这道题。由于不是匀速直线运动，所以安排力是变化的，我们这里设平均安排力，那么安排力的冲量就等于平均安排力乘以时间， 平均安配力又等价于 b i l。 这个 i 是一个平均的电流，我们知道 i 乘 t 呢是 q， 所以充量就等于 b l q 充量又等于动量变化量，那么我们就得到了电盒量和动量变化量又等价 关系。下面我们再推一下电盒量。电盒量等于平均电流乘以时间，平均电流等于平均电动式除以总电阻， 平均电动式又等于 n 倍的 delta five 比。 delta t， 导体棒呢，相当于是单砸的 delta five 又等于 b 乘以 delta s。 面积变化量等于 l 乘以 x， x 是导体棒滑动的距离。 以上三个式的连力，我们能够得到 q 等于 b， l x 除以二总，那么把 q 带入到冲量当中， 那么冲量就等于 b 方 l 方 x 除以二总，冲量又等价于 m 乘以 delta v。 这样呢，我们就得到了一个一般的结论， q x 和 delta v 存在等价关系，知道其中一个就能够求另外两个， 这个就是所有导铁棒压轴题的突破口。好，回头我们看一下这个高考题。这道题呢，是一个电磁炮问题。 前两问比较简单，我就不讲了，给大家讲一下第三问。第三问说的是电容器最后剩余电耗量是多少，那么涉及到电耗量问题，显然突破口呢，就是中间消耗的小 q， 也就是流过电阻的小 q 要算出来，所以大 q 呢，就等于原来的电和量，设的是 q 零减去小 q， 由于电容器初始的 电压是 e， 所以 q 零等于 c 乘 e。 根据刚才的大招公式，我们知道小 q 又和等特微有关系，那么考试的时候，我们需要把这个关系完整的表达出来，所以我们需要写动量定理， 平均安排率乘以时间等于 b i， l 乘以 t， i 是平均点流等于 b l， q 等于末动量减出动量， 末速度设为 v， 出速度是零，所以写到这里呢，小 q 就可以用 v 表示了。这时候方程还不够，解不出所有的未知数来，所以我们在观察最后的条件，当达到最大速度时，电压一撇等于 b l v， 那么这个一撇呢，等于电容器上的点压 u 根据 c 等于 q 比 u， 所以 v 可以用 that q 表示。这样呢，方程的个数就够了。我们带入第一个式子当中， that q 等于 q， 零是 c e， 小 q 我们可以用 m， v 除以 b l 表示。接下来呢，我再把 v 解出来带进去就可以了。 b l v 等于一撇等于 u， u 又等于 q 比 c， 所以 v 就等于 q 比上 b l c。 我们再代入第一个式子当中，等于 c， e 减去 m 比上 b l 乘以 v， v 就是大 q 比上 b l c 好化减一下，结果就出来了，把右边的移过来，然后再合并， 最后大 q 等于 b 方 l 方 c 方 e 除以 b 方 l 方 c 加上 m。 电磁炮和电磁弹射都是加速过程，速度变化量可以用 q， 也可以用 x 表示。下节课给大家讲一下电磁阻拦。好，我们下节课再见。

电磁弹射是航母上最先进的弹射系统，相比于蒸汽弹射，电磁弹射有更高的能量转化率以及更高的弹射效率。 今天我们就结合有限的资料来了解一下电磁弹射的原理。目前已经实际应用的电磁弹射系统是美国福特级航母的福特号电磁弹射系统，由供电系统、脉冲储能系统、 脉冲电流系统、直线电机以及计算机控制系统组成。供电系统的电力由反应堆提供。福特号的储能系统是这种飞轮电池， 当弹射装置需要储能的时候，电能会被输入到这些连接了飞轮的发动机，然后发动机带动飞轮高速转动。当需要弹射时，供电系统不提供电力，发动机会变成发电机。高速旋转的飞轮带动发电机转动，将机械能快速 转化为电能，然后电流系统将电流接入到直线电机。这是电磁弹射的直线电机，它和磁悬浮列车的结构类似，钉子被固定在弹射轨道下，转子上连接的弹射器会伸出甲板，整个弹射轨道被分为多个 分段。当需要弹射时，储能系统会在短时间内放出大量电流，然后由电流系统将电流分布到导轨的每一段上，每一段会逐级通电。弹射器带着飞机被导轨依次加速，从而达到合适的空速。当弹射器运动到末端后，会通过制动器让弹射器安全停 下来，并且弹射器还可以通过控制放电功率来减小或者增大弹射时的推力，从而可以发射小到无人机，大到预警机级别的飞行器。

航母的电磁弹射原理是什么？为何会把这种技术称为航母最核心的战斗力？弄清这个问题，我们先了解一下航母舰载机常见的几种起飞方式。 第一种，垂直起降方式。 f 三五 b 是美国常用的航母舰载机，它的起飞重量被限制在了十六点八吨，而 f 三五 b 自身的重量多达到了十四点七吨，也就是弹药和燃油加在一起不能超过二点一吨，这直接限制了 f 三五 b 的作战半径。 第二种，滑跃起飞方式。滑跃起飞对飞行员的操作技术有要求，如果操作不慎，容易偏离轨道。另外，像大型的预警机之类的中大型飞机是没办法起飞的。 第三种，蒸汽弹射方式。蒸汽弹射的力不容易控制，容易对机体产生伤害，而且蒸汽弹射器刚从完全冷却到加热发射需要二十四小时，敌方是不可能等你二十四小时再开战的。第四 种，变姿弹射方式，这是目前世界上航母最为先进的起飞方式，变姿弹射极大的减少了起飞时间，每隔四十五秒就能够弹射一下战机。 电磁弹射系统主要包括弹射电动机系统、储能系统、电力调节系统、控制系统。我们重点讲解弹射电动机系统，它整体呈现一个倒梯形，由导向滑轨与弹射滑块构成，滑轨采用分段设计，滑轨对称分布在左右导轨上，滑块有铝合同飞铁磁性材料制成， 滑块在两侧的导轨内运动，上部与弹射装置组装在一起。电子弹射器核心不仅是一套直线感应电动机， 主要利用强大电流通过线圈产生的磁场推动滑块高速前进。电流通过的线圈包裹着滑块，能产生强大的磁场。当电磁弹设计工作时，线圈通电，线圈产生的磁场会吸引滑块向其中心位置移动，但 是华快在前进时又会被吸回磁场中心，这就需要我们在华快到达线圈中心时断开电源。断电后线圈磁场消失，华快就不会被磁场反吸回来，而是沿着原磁场的引力直线向前运动。一个线圈毕竟动力有限， 所以电磁弹射系统采用了分段设计。接下来增加线圈的数量，把这些线圈排成直线，然后依次给每个线圈先通电再断电，线圈产生的磁场就会像激励比赛一样，通过滑块将战机发射出去。

朋友，你想拥有一个电磁弹射器吗？可以让三十吨的舰载机在一百米的跑道内瞬间从零加速到二百五十公里每小时，一天齐刷刷弹射几百架，足够保证你家航母高强度作战。 电磁弹射的原理并不复杂，用幼儿园的知识就可以听懂。看这个线圈通电后会产生磁力，将磁铁吸到线圈中心，哪也去不了。如果在磁铁到达线圈中心的位置就立刻断电，磁铁会依靠惯性继续前进，那么这时我们可以加一个传感器，让它自动控制断电。 现在把两个这样的电磁线圈放到轨道两旁，就能完成一次发射了。但这样的推力还不是很大，那就大力出奇迹，在轨道两旁加装更多的线圈，把磁铁的速度加到足够快。这时的电磁弹射器已经加装了二组线圈，想要弹射下泡沫飞机已经是绰绰有余了。 原理其实很简单，但是难内在于如何将其应用到航母上。实现电磁弹射的关键在于短时间内需要释放大量能量，并且要保证这个过程的安全性和可靠性。弹射舰载机的过桥通常需要在几秒钟内把大量能量转化为舰载机的动能， 这个像拉弓射箭，只有迅速的释放出弓弦能量，箭才能飞的更远，而弹射一次的峰值功率高达数百兆瓦。航母上的电站是无法直接提供这样的电力需求，因此这个需要一个能存储大量电能并能快速释放的系统。 但航母上的储能装置可不简单，需要很高的能量密度，否则储能装置本身的体重量超标，就无法满足上天的要求。并且航母上有那么多不同种类战机，如果使用相同的推力弹射，结果要么嘿呦嘿呦推不动，要么吧唧一下把战机推坏了。因此，必须要对推力精准控制，才 从而让每款战绩都能以非常舒服的姿态起飞。此外，电子弹射器必须能够在各种条件下稳定工作，不能说今天下雨了，不好意思，不能工作，那不行，也不能在弹射完几架战机后，系统拔空歇菜了，或者说要冷却几十分钟才能弹射下一架，这要是到了战争时期，那还打个毛线？ 老美为了实现电子弹射，研究了二十多年，最终采用核动力方式，可到现在还是毛病不断。美国的福特航母就曾发生过一次严重的事故，四条弹射器同时瘫痪五天，而中国只用十年就实现了弯道超车。 比如最新的福建和航母，虽然采用常规动力，但也咔咔整上了电子弹射。原因在于我国的舰船综合电力系统一开始走的就是中央直流，与老美的中央交流领先一带。也难怪马尔文院士曾霸气的说过，领先就领先美国，美国也是这条路线走的。

这就是一个最简单的电磁炮示意图，它包含了一个铁质的炮弹，一根塑料炮管和发射线圈。当线圈通电的时候，根据电磁效应，线圈中间就会产生一个磁场，磁场会对铁质的炮弹产生一个引力， f 吸引铁质炮弹向前运动，如果线圈一直供点，当炮弹运动超过线圈中心时， 此时炮弹收到的词列 f 就会向后阻碍炮弹运动。为了最大限度的利用线圈的能量，当炮弹运动到线圈中心时，需及时断掉电源， 则炮弹在惯性作用下就会一直向前运动，直至发射出去。我来做一个简单的讲解。这是一个电池盒，使用四节五号干电池供电充电， 电开关闭合，蓝色指示灯亮，表示电路工作正常。这里由三极管和电杆组成一个正当电路将直流变为交流信号，然后通过升压电杆进行升压，电压大概会升到四百副左右， 经过二极管整流，将交流信号又变为直流脉冲信号，给储能电容进行充电。 这里是一个二百四十伏的稳压管，保证电路的最高电压不能过高。当前端储能电容的电压不到二百四十伏时，稳压二极管关断。 当储能电容电压超过二百四十伏时，稳压二极管打通，防止电压进一步升高，同时绿色指示灯亮起，表示充电完成，这就是 充电电路部分。后面这个经闸管相当于一个开关，我由于电容的特性，当导通的瞬间，线圈会产生一个巨大的磁力，牵引炮弹前进， 而当炮弹到达线圈中间的时候，电容的电基本也放完了，后面炮弹依靠惯性就会发射出去。 开炮，开炮 系统的推力与磁悬浮列车一样来自直线电机，他可以看成是将一台普通电机沿着半径的方向抛开并展平， 相当于普通电机钉子的称为弹射器，初级放置在弹射轨道之下，而相当于电机转子的称为刺激，由他连接往复车加速飞机。 电磁弹射系统。弹射飞机时峰值功率超过一百兆瓦及超过七十万马力。通过线上的发电机直接供电是不现实的。解决的办法就是能将电能零存整取的储能装置。 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，线上的电力系统将飞轮不断加速，使电能转化为飞轮的动能并蓄积起来。 弹射飞机时，飞轮系统又作为发电机在二到三秒内输出所续踢的巨量电能。 电磁弹射器代表了未来大中型航母发展的方向。但是果子好吃树难栽， 电磁弹射器的研发绝非易事，从这一点说，越早下手，越早成功。

二零一七年，美国福特号航空母舰正式服役，成为首艘采用电磁弹射器的航空母舰。然而，在福特号服役之后进行的长达数年的测试中，电磁弹射系统问题不断， 可靠性远低于预期。二零一七年五月，美国前总统特朗普在接受时代杂志的采访时，曾激烈批评电磁弹射系统既昂贵又不可靠， 后来又发出威胁，要将福特号上的电磁弹射器全部拆掉，换成成熟稳定的蒸汽弹射器。电磁弹射器原理很简单，但是制作起来他有很多的工程上问题，难道我们讲的特别是要顺时间，要释放出巨大的电能， 把它转换成机械的？这个不是一般的发电机能够解决的，而这套储能设备，然后是个非常关键的一个技术，如果这个技术不解决，那么整个电磁弹射就是一句空话。电磁弹射器的基本原理并不复杂， 通电导体在磁场中会受到洛伦自立的作用。电磁弹射就是用强电流通过电磁铁产生强磁场，作用于连接飞机的牵引器上，带动飞机达到起飞速度。 但是要想让二三十吨重的舰载机在短短几十米距离上达到起飞所需的高速，电磁弹射器的瞬间功率可达几万千瓦，这远远超出了普通蓄电池所能承受的放电能力。 电磁弹射装置可以使用飞轮储能装置作为主要的储能系统，它的核心部件是一个重达上百吨的巨大飞轮母舰的动力系统，驱动牵引电机，带动飞轮加速转动， 飞轮，以动能的形式把能量储存起来。采用电磁弹射以后呢，可以大幅度的提高它舰载机美昼夜的 起飞的架次，那这是提升战斗力，对吧？还有一个机型，因为将来无人机和更多的机型会在航空母舰上使用，那么我们知道无人机呢，通常比有人机呢，它重量要轻要小， 你还是有那么大的一个力，他可能就散架了，电磁弹射我就可以给你小型的飞机或者轻的飞机小的力，哎， 恰如其分。所以呢，这样是符合就是作战飞机的畸形的发展，是符合未来作战的需求的。

为什么我国的福建号航母与美国的福特号航母电磁弹射器的轨道长度都恰好是一百一十米，这其中有什么玄机吗？我们一起来实际计算推导一下就明白了。我们大家都知道物理课上学到的一个物体运动公式， 末速度的平方减去出速度的平方等于两倍的加速度，乘以运动距离。现在我们再来看一下舰载机与航母的参数。一、舰载机满油满弹状态的起飞速度约为三百六十公里每小时，约合一百米每秒。二、电磁弹射轨道全长一百一十米， 其中末端的大约八米左右，用于弹射连接机构滑块的缓冲减速。为了计算方便，我们假设这个缓冲距离为十米，那么战机加速的距离就是一百一十米， 减去十米等于一百米。三、重力加速度计算时一般取九点八，同样为了计算方便，我们直接取整数时 四、人体通常能承受的加速度一般为四至五个 g。 咱们往大了算，假设能承受五个 g， 五、舰载机弹射时的出速度为零米每秒。 好了，我们现在就将以上数据中的战机出速度零米每秒，末速度一百米每秒，加速五个 g， 也就是五乘以十。带入视频开头所说的运动公式中，看看我们得到了什么。没错，估计大家已经看出来了，通过简单的计算 就可以算出来，当飞机以五 g 加速度加速到起飞速度时，其运动距离刚好为一百米，再加上用于弹射连接机构滑快缓冲减速的十米距离正好 等于一百一十米。没错，这就是福建号航母电磁弹射器选择一百一十米弹射轨道的原因，基于同样的原理，美国的福特号航母的电磁弹射器也同样是一百一十米轨道长度，显然这不是巧合，这是基于科学的必然。 好了，今天的内容就到这里了，感谢大家耐心的观看和陪伴，您的支持将是我持续创作的最大动力，欢迎大家评论、点赞、转发和关注，我们下期再见吧！