Hệ thống phóng máy bay điện từ EMALS (Electromagnetic Aircraft Launch System) là một loại hệ thống phóng máy bay do General Atomics phát triển cho Hải quân Hoa Kỳ. Hệ thống phóng máy bay trên tàu sân bay bằng máy phóng sử dụng động cơ cảm ứng tuyến tính thay vì pít-tông hơi thông thường. EMALS lần đầu tiên được lắp đặt trên tàu dẫn đầu của tàu sân bay lớp Gerald R. Ford, USS Gerald R. Ford.
Ưu điểm chính của nó là tăng tốc máy bay êm hơn, ít gây căng thẳng hơn cho khung máy bay của chúng. So với máy phóng hơi nước, EMALS cũng nhẹ hơn, dự kiến sẽ tốn ít chi phí hơn và ít cần bảo dưỡng hơn, đồng thời có thể phóng cả máy bay nặng hơn và nhẹ hơn so với hệ thống chạy bằng hơi nước. Nó cũng làm giảm yêu cầu về nước ngọt của tàu sân bay, do đó làm giảm nhu cầu khử muối sử dụng nhiều năng lượng.
Thiết kế và phát triển
Được phát triển vào những năm 1950, máy phóng hơi nước đã chứng tỏ độ tin cậy đặc biệt. Các tàu sân bay được trang bị bốn máy phóng hơi nước đã có thể sử dụng ít nhất một trong số chúng trong 99,5% thời gian. Tuy nhiên, có một số nhược điểm. Một nhóm kỹ sư Hải quân đã viết: “Thiếu sót lớn nhất là máy phóng hoạt động mà không có kiểm soát phản hồi. Không có phản hồi, lực kéo thường xảy ra quá độ lớn có thể làm hỏng hoặc giảm tuổi thọ của khung máy bay”. Hệ thống hơi nước rất lớn, không hiệu quả (4-6% công hữu ích) và khó kiểm soát. Những vấn đề điều khiển này cho phép máy phóng chạy bằng hơi nước tàu sân bay lớp Nimitz để phóng máy bay hạng nặng chứ không phải máy bay hạng nhẹ như nhiều phương tiện bay không người lái.
Một hệ thống tương tự như EMALS, máy phát điện của Westinghouse, được phát triển vào năm 1946 nhưng không được triển khai.
Động cơ cảm ứng tuyến tính
EMALS sử dụng động cơ cảm ứng tuyến tính LIM (linear induction motor), sử dụng dòng điện xoay chiều (AC) để tạo ra từ trường đẩy cỗ xe dọc theo đường ray để phóng máy bay. EMALS bao gồm bốn phần tử chính: Động cơ cảm ứng tuyến tính bao gồm một hàng cuộn dây stator có cùng chức năng như cuộn dây stator tròn trong động cơ cảm ứng truyền thống. Khi được cung cấp năng lượng, động cơ sẽ tăng tốc vận chuyển dọc theo đường đua. Chỉ phần cuộn dây xung quanh giá đỡ được cấp điện tại bất kỳ thời điểm nào, do đó giảm thiểu tổn thất phản kháng. LIM 91 m của EMALS có thể tăng tốc máy bay 45.000 kg lên 130 hl/g (240 km/h).
Hệ thống phụ lưu trữ năng lượng
Trong quá trình phóng, động cơ cảm ứng yêu cầu một lượng điện năng tăng vọt vượt quá khả năng cung cấp của nguồn điện liên tục của chính con tàu. Thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng EMALS đáp ứng điều này bằng cách lấy năng lượng từ tàu trong khoảng thời gian nạp lại 45 giây và lưu trữ năng lượng theo động học bằng cách sử dụng các rô-to của bốn máy phát điện dạng đĩa; sau đó hệ thống sẽ giải phóng năng lượng đó (tối đa 484 MJ) trong 2-3 giây. Mỗi cánh quạt cung cấp tới 121 MJ (34 kWh) (tương đương khoảng một gallon xăng) và có thể được sạc lại trong vòng 45 giây sau khi phóng; cái này nhanh hơn máy phóng hơi nước. Khởi chạy hiệu suất tối đa bằng cách sử dụng 121 MJ năng lượng từ mỗi máy phát điện dạng đĩa làm chậm rôto từ 6400 vòng/phút xuống 5205 vòng/phút.
Hệ thống con chuyển đổi năng lượng
Trong quá trình khởi chạy, hệ thống con chuyển đổi năng lượng sẽ giải phóng năng lượng được lưu trữ từ các máy phát điện xoay chiều đĩa bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi cycloconverter. Bộ chuyển đổi cycloconverter cung cấp tần số và điện áp tăng có kiểm soát cho LIM, chỉ cung cấp năng lượng cho một phần nhỏ của cuộn dây stator ảnh hưởng đến vận chuyển phóng tại bất kỳ thời điểm nào.
Bảng điều khiển
Người vận hành kiểm soát nguồn điện thông qua một hệ thống vòng kín. Các cảm biến hiệu ứng Hall trên đường đua giám sát hoạt động của nó, cho phép hệ thống đảm bảo rằng nó cung cấp khả năng tăng tốc mong muốn. Hệ thống vòng kín cho phép EMALS duy trì lực kéo không đổi, giúp giảm ứng suất phóng lên khung máy bay.
Trạng thái chương trình
Thử nghiệm khả năng tương thích của máy bay ACT (Aircraft Compatibility Testing) Giai đoạn 1 kết thúc vào cuối năm 2011 sau 134 lần phóng (các loại máy bay bao gồm F/A-18E Super Hornet, T-45C Goshawk, C-2A Greyhound, E-2D Advanced Hawkeye và F-35C Lightning II) sử dụng thiết bị trình diễn EMALS được lắp đặt tại Trạm Kỹ thuật Hàng không Hải quân Lakehurst. Sau khi hoàn thành ACT 1, hệ thống đã được cấu hình lại để đại diện hơn cho cấu hình tàu thực tế trên tàu USS Gerald R. Ford, sẽ sử dụng bốn máy phóng chia sẻ một số kho năng lượng và hệ thống phụ chuyển đổi năng lượng.
– Ngày 1 và 2/6/2010: Phóng thành công McDonnell Douglas T-45 Goshawk.
– Ngày 9 và 10/6/2010: Phóng thành công Grumman C-2 Greyhound.
– Ngày 18/12/2010: Phóng thành công chiếc Boeing F/A-18E Super Hornet.
– Ngày 27/9/2011: Phóng thành công Northrop Grumman E-2D Advanced Hawkeye.
– Ngày 18/11/2011: Phóng thành công Lockheed Martin F-35 Lightning II.
Giai đoạn 2 của ACT bắt đầu vào ngày 25/6/2013 và kết thúc vào ngày 6/4/2014 sau 310 lần phóng khác (bao gồm cả các lần phóng Boeing EA-18G Growler và McDonnell Douglas F/A-18C Hornet, cũng như một đợt thử nghiệm khác với các loại máy bay trước đó ra mắt trong Giai đoạn 1). Trong Giai đoạn 2, các tình huống khác nhau của tàu sân bay đã được mô phỏng, bao gồm các vụ phóng lệch tâm và các lỗi hệ thống đã được lên kế hoạch, để chứng minh rằng máy bay có thể đáp ứng tốc độ tối đa và xác nhận độ tin cậy quan trọng của vụ phóng.
– Tháng 6/2014: Hải quân Hoa Kỳ đã hoàn thành thử nghiệm nguyên mẫu EMALS đối với 450 lần phóng máy bay có người lái liên quan đến mọi loại máy bay cánh cố định chạy trên tàu sân bay trong kho của USN tại Căn cứ liên quân McGuire-Dix-Lakehurst trong hai chiến dịch Thử nghiệm khả năng tương thích của máy bay (ACT).
– Tháng 5/2015: Các cuộc thử nghiệm trên tàu tốc độ tối đa đầu tiên được tiến hành.
Giao hàng và triển khai
Vào ngày 28/7/2017, Lt. Cmdr. Jamie “Coach” Struck thuộc Phi đội Kiểm tra và Đánh giá Hàng không 23 (VX-23) đã thực hiện lần phóng máy phóng EMALS đầu tiên từ USS Gerald R. Ford (CVN-78) trên một chiếc F/A-18F Super Hornet.
Đến tháng 4/2021, 8.000 chu kỳ phóng/khôi phục đã được thực hiện với EMALS và hệ thống hãm AAG trên tàu USS Gerald R. Ford. USN cũng tuyên bố rằng phần lớn các chu kỳ này đã xảy ra trong 18 tháng trước đó và 351 phi công đã hoàn thành khóa huấn luyện về EMALS/AAG.
Ưu điểm
So với máy phóng hơi nước, EMALS nhẹ hơn, chiếm ít không gian hơn, ít bảo trì và nhân lực hơn, đáng tin cậy hơn, sạc lại nhanh hơn và sử dụng ít năng lượng hơn. Máy phóng hơi nước, sử dụng khoảng 610 kg hơi nước mỗi lần phóng, có các hệ thống phụ cơ học, khí nén và thủy lực phức tạp. EMALS không sử dụng hơi nước, điều này khiến nó phù hợp với các tàu chạy hoàn toàn bằng điện theo kế hoạch của Hải quân Hoa Kỳ.
So với máy phóng hơi nước, EMALS có thể kiểm soát hiệu suất phóng với độ chính xác cao hơn, cho phép nó phóng được nhiều loại máy bay hơn, từ máy bay chiến đấu hạng nặng đến máy bay không người lái hạng nhẹ. Với tối đa 121 megajoule (MJ) có sẵn, mỗi một trong bốn máy phát điện xoay chiều đĩa trong hệ thống EMALS có thể cung cấp năng lượng nhiều hơn 29% so với khoảng 95 MJ của máy phóng hơi nước. EMALS, với hiệu suất chuyển đổi năng lượng 90% theo kế hoạch, cũng sẽ hiệu quả hơn máy phóng hơi nước chỉ đạt hiệu suất 5%.
Phàn nàn
Vào tháng 5/2017, Tổng thống Donald Trump đã chỉ trích EMALS trong một cuộc phỏng vấn với Time, nói rằng so với máy phóng hơi nước truyền thống, “kỹ thuật số tốn thêm hàng trăm triệu đô-la tiền và nó không tốt”.
Lời chỉ trích của Tổng thống Trump đã được lặp lại bởi một báo cáo cực kỳ quan trọng năm 2018 từ Lầu Năm Góc, trong đó nhấn mạnh rằng độ tin cậy của EMALS còn nhiều điều mong muốn và tỷ lệ thất bại nghiêm trọng trung bình cao gấp 9 lần so với yêu cầu ngưỡng của Hải quân.
Độ tin cậy
Vào năm 2013, tại địa điểm thử nghiệm Lakehurst, New Jersey, 201 trong số 1.967 lần phóng thử nghiệm đã thất bại, mang lại tỷ lệ thất bại 10% cho loạt thử nghiệm. Bao thanh toán trong trạng thái hiện tại của hệ thống, những con số hào phóng nhất có sẵn trong năm 2013 cho thấy EMALS có tỷ lệ “thời gian giữa các lần thất bại” trung bình là 1/240.
Theo một báo cáo tháng 3/2015, “Dựa trên mức tăng trưởng độ tin cậy dự kiến, tỷ lệ thất bại đối với các Chu kỳ trung bình giữa các lần thất bại nghiêm trọng được báo cáo gần đây cao gấp năm lần so với dự kiến. Tính đến tháng 8/2014, Hải quân đã báo cáo rằng hơn 3.017 lần phóng đã đã được tiến hành tại địa điểm thử nghiệm Lakehurst, nhưng chưa cung cấp cho DOT&E (Giám đốc, Thử nghiệm và Đánh giá Hoạt động) bản cập nhật về các lỗi”.
Trong cấu hình thử nghiệm, EMALS không thể phóng máy bay chiến đấu có gắn thùng phụ bên ngoài. “Hải quân đã phát triển các bản sửa lỗi để khắc phục những vấn đề này, nhưng thử nghiệm với máy bay có người lái để xác minh các bản sửa lỗi đã bị hoãn lại đến năm 2017”.
Vào tháng 7/2017, hệ thống đã được thử nghiệm thành công trên biển trên USS Gerald R. Ford.
Báo cáo DOT&E tháng 1/2021 cho biết: “Trong 3.975 lần phóng máy phóng EMALS đã chứng minh độ tin cậy đạt được là 181 chu kỳ trung bình giữa các lần thất bại trong nhiệm vụ vận hành (MCBOMF). Độ tin cậy này thấp hơn nhiều so với yêu cầu 4.166 MCBOMF”. EMALS thường xuyên bị hỏng và không đáng tin cậy, giám đốc thử nghiệm Robert Behler của Lầu Năm Góc đã báo cáo sau khi đánh giá 3.975 chu kỳ trên USS Gerald R. Ford từ tháng 11/2019 đến tháng 9/2020.
Vào tháng 4/2022, Chuẩn Đô đốc Shane G. Gahagan tại Bộ Tư lệnh Hệ thống Không quân Hải quân cho biết, bất chấp các báo cáo ngược lại, hệ thống này vẫn hoạt động tốt và đã đạt được 8.500 “mèo và bẫy” trên USS Gerald R. Ford trong hai năm qua năm.
Vào ngày 25/6/2022, cột mốc quan trọng là 10.000 lần phóng máy phóng thành công và lần hạ cánh bị bắt giữ trên tàu USS Gerald R. Ford đã đạt được.
Một báo cáo của GAO vào tháng 6/2022 cho biết “Hải quân cũng tiếp tục đấu tranh với độ tin cậy của hệ thống phóng máy bay điện từ và thiết bị hãm tiên tiến cần thiết để đáp ứng các yêu cầu triển khai máy bay nhanh chóng”. Báo cáo cũng chỉ ra rằng Hải quân không mong đợi EMALS và AAG đạt được các mục tiêu về độ tin cậy cho đến “những năm 2030”.
Những người dùng khác của hệ thống General Atomics
Pháp
Hải quân Pháp đang tích cực lên kế hoạch cho một tàu sân bay và soái hạm mới trong tương lai. Nó được biết đến trong tiếng Pháp là Porte-avions de nouvelle génération (tàu sân bay thế hệ mới), hoặc bằng từ viết tắt PANG. Con tàu sẽ chạy bằng năng lượng hạt nhân và có hệ thống máy phóng EMALS. Việc xây dựng PANG dự kiến sẽ bắt đầu vào khoảng năm 2025 và sẽ đi vào hoạt động vào năm 2038, năm mà tàu sân bay Charles de Gaulle sắp nghỉ hưu.
Ấn Độ
Hải quân Ấn Độ đã thể hiện sự quan tâm đến việc lắp đặt hệ thống EMALS cho tàu sân bay CATOBAR INS Vishal theo kế hoạch của họ. Chính phủ Ấn Độ đã thể hiện sự quan tâm đến việc sản xuất Hệ thống Phóng Máy bay Điện từ tại địa phương với sự hỗ trợ của General Atomics.
Vương quốc Anh
Converteam UK đang nghiên cứu hệ thống máy phóng điện từ EMCAT (electromagnetic catapult) cho tàu sân bay lớp Queen Elizabeth. Vào tháng 8/2009, có suy đoán rằng Vương quốc Anh có thể loại bỏ STOVL F-35B để thay thế cho kiểu CTOL F-35C, điều này có nghĩa là các tàu sân bay được chế tạo để vận hành máy bay cất và hạ cánh thông thường sử dụng máy phóng EMCAT không dùng hơi nước do Anh thiết kế.
Vào tháng 10/2010, Chính phủ Vương quốc Anh tuyên bố sẽ mua F-35C, sử dụng hệ thống CATOBAR khi đó chưa được quyết định. Một hợp đồng đã được ký kết vào tháng 12/2011 với General Atomics của San Diego để phát triển EMALS cho các tàu sân bay lớp Queen Elizabeth. Tuy nhiên, vào tháng 5/2012, Chính phủ Vương quốc Anh đã đảo ngược quyết định của mình sau khi chi phí dự kiến tăng gấp đôi so với ước tính ban đầu và việc giao hàng được lùi lại đến năm 2023, hủy bỏ tùy chọn F-35C và quay lại quyết định ban đầu là mua STOVL F-35B./.
Xem thêm:
CẤT CÁNH NGẮN VÀ HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG (STOVL)
CẤT VÀ HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG (VTOL)
CẤT VÀ HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG VÀ/HOẶC ĐƯỜNG BĂNG NGẮN (V/STOL)
CẤT CÁNH BẰNG MÁY PHÓNG, THU HỒI BẮT (CATOBAR)
CẤT CÁNH NGẮN, THU HỒI BẮT (STOBAR)
CẤT VÀ HẠ CÁNH TRÊN ĐƯỜNG BĂNG NGẮN (STOL)
CẤT CÁNH THẲNG ĐỨNG, HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG (VTVL)
