Type 003: Desvendando o enigma do porta-aviões chinês – parte 4

Por Matheus Santiago

EMALS

1.História do desenvolvimento

O desenvolvimento de catapultas para porta-aviões pode ser dividido em três etapas: ejeção hidráulica, ejeção a vapor e ejeção eletromagnética.

Já na Primeira Guerra Mundial, os Estados Unidos desenvolveram a primeira catapulta hidráulica. Em 1912, a Marinha dos EUA desenvolveu o primeiro dispositivo de ejeção hidráulica de ar comprimido. Em 1922, os militares dos EUA ejetaram com sucesso a primeira aeronave do navio de guerra “USS Langley”. A ejeção hidráulica foi aplicada pela primeira vez a navios de guerra e cruzadores durante a Primeira Guerra Mundial e na Segunda Guerra para lançar aeronaves.

No entanto, catapultas hidráulicas só podem ejetar aeronaves menores movidas a hélice. Em comparação com caças a hélice, os caças a jato desenvolvidos posteriormente têm maior massa e maior velocidade de decolagem. As restrições de decolagem no convés de voo afetaram inevitavelmente a capacidade decombate do porta-aviões. Portanto, a Marinha dos EUA começou a melhorar o dispositivo de ejeção. Considerando o uso de fontes com maior potência de saída, a ejeção a vapor e a ejeção eletromagnética passaram a ser a direção do desenvolvimento, mas devido ao gargalo técnico do motor elétrico naquela época, a eficiência da ejeção eletromagnética era baixa, e a ejeção a vapor foi a primeira solução a ser aplicada.

Para contextualizar historicamente, o surgimento do EMALS foi anterior à catapulta a vapor. Na década de 1940, como as catapultas hidráulicas não podiam atender às necessidades dos futuros porta-aviões, os militares dos EUA começaram a buscar vapor e energia eletromagnética como energia alternativa. A Westinghouse desenvolveu um dispositivo de catapulta que usava energia eletromagnética. O princípio do EMALS era usar a força eletromagnética como um método para acelerar a velocidade de decolagem da aeronave em curtas distâncias. Já na Segunda Guerra Mundial, a USN considerou a catapulta EMALS.

Em 1945, a Marinha dos EUA usou tecnologia de motor de indução e motores lineares para desenvolver com sucesso os primeiros EMALS e realizou um teste de de ejeção de aeronaves. É relatado que havia impulsionado com sucesso uma aeronave de combate de 4 toneladas a uma distância de 200 metros.

Acelerava até 180 km/h, mas devido à tecnologia de motor imatura, seu baixo empuxo, baixa potência de saída e ao sistema de energia imaturo do navio de guerra naquela época causava uma eficiência enérgetica muito abaixo de 50%. As capacidades do sistema estavam longe de catapultas hidráulicas e posteriormente catapultas à vapor, e o custo de todo o sistema também era muito alto. Assim, a Marinha dos Estados Unidos abandonou o desenvolvimento do EMALS e escolheu a catapulta à vapor.

Após a Segunda Guerra Mundial, a catapulta a vapor foi usada na Marinha Britânica, e os principais esquemas de tecnologia e design ainda estão em uso hoje. A catapulta a vapor nasceu no Reino Unido em 1951. A Royal Navy obteve o projeto da catapulta simplificada aberta alemã e transformou o gás em vapor, formando a primeira catapulta a vapor, e a instalou em um navio modificado temporariamente no porta-aviões “Perseus”. Em 1954, os Estados Unidos compraram uma patente do Reino Unido para produzir a catapulta C-11.

A primeira catapulta americana foi instalada no porta-aviões USS “Hancock”. Com a construção de navios de guerra maiores e o embarque de aeronaves supersônicas cada vez mais pesadas, a Marinha dos EUA com urgência solicitava uma catapulta com maior capacidade de carga. A catapulta a vapor C-13 aprimorada foi lançada em 1961 e ainda está em serviço hoje nos porta-aviões da classe Nimitz.

Entrando na década de 1970, à medida que o peso e a velocidade de decolagem das aeronaves de combate baseadas em porta-aviões continuavam a aumentar e as capacidades das catapultas à vapor aumentavam ao limite, a Marinha dos Estados Unidos começou a buscar uma nova geração de catapultas e o EMALS novamente estava sendo considerado. Em 1998, a Marinha dos EUA construiu um EMALS em pequena escala e simulou a ejeção do modelo. Em particular, ele provou a viabilidade do uso na próxima geração de porta-aviões. As novas tecnologias tornaram possível o uso adequado do EMALS.

No final da década de 1990, com o desenvolvimento de motores lineares, os Estados Unidos gradualmente começaram a mudar o foco da pesquisa e desenvolvimento deejeção de porta-aviões para a ejeção eletromagnética. Com o desenvolvimento dos motores lineares, a eficiência das catapultas eletromagnéticas foi melhorada. Em comparação com as catapultas a vapor, as catapultas eletromagnéticas se tornaram mais eficientes. Ao mesmo tempo, têm as características de alto empuxo, massa e pequeno volume. Portanto, a Marinha dos EUA mudou o foco do desenvolvimento da catapulta a vapor para catapulta eletromagnética desde a década de 1990.

Em 2004, a General Atomics começou a assumir a liderança no desenvolvimento de um protótipo em escala real e de curso completo do dispositivo de ejeção eletromagnética. Os Estados Unidos passaram 8 anos conduzindo a confiabilidade do ejetor eletromagnético, compatibilidade eletromagnética e adaptabilidade ao navio e testes para fazê-lo atender às condições para instalação embarcada. Em 2007, a General Atomics concluiu a construção da infraestrutura de pesquisa do sistema de ejeção eletromagnética, e a tecnologia de ejeção eletromagnética passou na revisão de design principal. Em 2009, a General Atomics começou os testes na Base Naval de Lakehurst.

Nos anos seguintes, a Marinha dos EUA lançou vários tipos de aeronaves baseadas em porta-aviões, como o caça F/A-18E “Super Hornet”, o treinador T-45C “Goshawk” e a aeronave de alerta entecipado E-2D “Hawkeye”. Em 2015, a Marinha dos Estados Unidos iniciou um teste de ejeção a velocidade total a bordo do porta-aviões Gerald R. Ford. Em 2015, após 10 anos de pesquisa, desenvolvimento e testes, o dispositivo de ejeção eletromagnética e de pouso enganchado avançado do porta-aviões Ford atendeu aos requisitos de produção e obteve ordens de produção.

Em maio de 2017, foi entregue à Marinha dos EUA o primeiro porta-aviões da classe Ford, equipado com 4 catapultas eletromagnéticas. Em 2020, dispositivos de ejeção eletromagnética e de pouso enganchado avançado podiam ser usados para o lançamento e recuperação de todas as aeronaves do Ford, e as tecnologias atingiram um nível de uso seguro. Em 11 de fevereiro de 2020, a Divisão de Sistemas Eletromagnéticos da General Atomics declarou que o sistema de ejeção eletromagnética(EMALS) e o dispositivo de retenção avançado (AAG) de aeronaves baseadas em porta-aviões foram aprovados para o lançamento de todas as aeronaves baseadas em porta-aviões atuais no porta-aviões USS Gerald R. Ford.

Atualmente, os Estados Unidos são o único país que implantou com sucesso a tecnologia de ejeção eletromagnética em navios. O Reino Unido também tentou desenvolver a ejeção eletromagnética, mas não conseguiu. Em 2005, houve uma assinatura de um contrato de ejeção eletromagnética de £2,6 milhões com o Ministério da Defesa britânico. Em 2007, ele começou a realizar experimentos no dispositivo UAV Electromagnetic Motion IntegrationTechnology(EMKIT) e ejetar aeronaves em plataformas terrestres como um experimento do desenvolvimento da catapulta eletromagnética. Porém, em 2011, o Reino Unido desistiu de sua pesquisa e desenvolvimento independente e começou a comprar sistemas de ejeção eletromagnética e componentes de sistemas de rerenção avançados dos Estados Unidos, que deveriam ser usados em dois porta-aviões da classe Queen Elizabeth. O Reino Unido posteriormente abandonou o plano de ejeção eletromagnética no o HMS Queen Elizabeth devido ao alto custo de modificação.

A julgar pelos porta-aviões atualmente em construção no exterior, a nova geração de porta-aviões dos EUA em construção, o Kennedy e o Enterprise, usará métodos de ejeção eletromagnética, indicando que a tecnologia está relativamente madura e tem grandes vantagens. Com a maturidade da tecnologia, as vantagens da ejeção eletromagnética se tornaram proeminentes.

Os aliados dos Estados Unidos podem adquirir seu sistema de ejeção eletromagnética, e o porta-aviões Vishal que a Índia planeja construir pode adotar a tecnologia de ejeção eletromagnética dos EUA. Portanto, pelo menos três de quatro dos porta-aviões atualmente em construção (CVN-79, CVN-80, Type 003 e possivelmente o Vishal) estão com planos claros de utilizar a tecnologia de ejeção eletromagnética.

Além disso, a Rússia e outros países também estão desenvolvendo ativamente a tecnologia de ejeção eletromagnética, e a taxa de penetração da aplicação de ejeção eletromagnética em porta-aviões em vários países aumentará gradualmente. Os porta-aviões dos Estados Unidos e França usam métodos de decolagem com catapulta à vapor, mas a tecnologia é dos Estados Unidos. Os demais países usam o método “ski-jump” que usa uma rampa de decolagem. Com o desenvolvimento do EMALS chinês, a China tornar-se-á o segundo país a implementar a catapulta eletromagnética, juntando-se aos países mais avançados nessa área.

2. A estrutura do sistema de ejeção eletromagnética do porta-aviões

O sistema de ejeção eletromagnética inclui principalmente um sistema de armazenamento de energia, um sistema de troca de energia de pulso, um dispositivo de lançamento de pulso e um sistema de controle.

O princípio de funcionamento é que o sistema de armazenamento de energia absorve e armazena energia da rede elétrica do navio com uma determinada potência. Depois que a energia atende aos requisitos de transmissão, o sistema de conversão de energia de pulso, identificado por quatro alternadores de disco, converte a energia liberada pelo sistema de armazenamento necessária para o operação do transmissor de pulso após receber o comando de transmissão, gerando força eletromagnética para empurrar a aeronave na carruagem pelo motor síncrono linear.

2.1 Sistema de armazenamento de energia

O sistema de armazenamento de energia pode ser dividido em armazenamento de energia química, armazenamento de energia mecânica e armazenamento de energia supercondutora de acordo com a forma de armazenamento de energia. Entre elas, as tecnologias atualmente aplicáveis na prática são o armazenamento de energia química e o armazenamento de energia mecânica. O armazenamento de energia química inclui baterias, supercapacitores e capacitores de pulso, e o armazenamento de energia mecânica é principalmente o armazenamento de energia do volante.

A tecnologia de armazenamento de energia do volante usa a rotação de alta velocidade do rotor do motor para armazenar energia na forma de energia cinética. Quando a energia é necessária, o volante desacelera para liberar a energia armazenada em energia mecânica e libera rapidamente energia elétrica através do motor de armazenamento de energia durante a ejeção. O sistema de armazenamento de energia do volante não tem conexão elétrica com a rede elétrica do navio durante a operação de ejeção do sistema de ejeção eletromagnética. Apenas quando o motor de armazenamento de energia do volante é carregado, ele é conectado à rede elétrica do navio.

Como o sistema de armazenamento de energia do volante tem o nível de potência mais alto e atende aos requisitos de energia de ejeção eletromagnética, o armazenamento de energia do volante é atualmente um método de armazenamento de energia relativamente comum.

Comparado com outros métodos de armazenamento de energia, o armazenamento de energia do volante tem uma longa vida útil, alta eficiência (90%), boa estabilidade; maior densidade de potência; velocidade de resposta rápida (nível de milissegundos), menos trabalho de manutenção e uma grande variedade de mudanças. Vários volantes podem ser configurados em um tamanho de módulo maior para atender a qualquer necessidade de energia. Uma de suas desvantagens é a densidade de energia que é baixa, durando apenas de alguns segundos a alguns minutos, devido ao desgaste dos mancais e à resistência do ar, apresentando um certo grau de auto-descarga.

De acordo com a velocidade mecânica máxima do volante, o armazenamento de energia do volante pode ser dividido em sistema de armazenamento de energia do volante de alta velocidade (velocidade 15.000 rotações/min) e sistema de armazenamento de energia do volante de velocidade média (5.000-15.000 rotações/min).

Levando em consideração questões como segurança, o atual sistema de armazenamento de energia do volante de alta velocidade ainda não foi industrialmente aplicado. A ejeção eletromagnética dos EUA usa um volante de média velocidade como sistema de armazenamento de energia do dispositivo de ejeção eletromagnética.

2.2 Sistema de conversão de energia de pulso

O sistema de conversão de energia de pulso, também conhecido como sistema de regulação de energia, refere-se à conversão da energia elétrica fornecida pelo sistema de armazenamento de energia em energia elétrica AC com indicadores dinâmicos e estáticos, como amplitude e frequência, que atendem aos requisitos, e então o transfere para o motor linear para ejeção da aeronave.

Durante o lançamento, o sistema de conversão de energia libera a energia armazenada dos alternadores de disco usando um cicloconversor. Isso fornece uma frequência controlada e tensão para o LIM (motor de indução linear), energizando apenas a pequena porção das bobinas do estator que afetam a carruagem em um determinado momento. Os operadores controlam a energia por meio de um sistema de malha fechada. Sensores de efeito Hall no trilho monitoram sua operação, permitindo que o sistema garanta que ela fornece a aceleração desejada. O sistema de loop fechado permite que o EMALS mantenha uma força de reboque constante, o que ajuda a reduzir as tensões de lançamento na fuselagem de uma aeronave.

O sistema inclui principalmente módulos retificadores, módulos inversores e interruptores de seção. Uma vez que o gerador do sistema de armazenamento de energia do volante é desconectado da rede elétrica do navio durante a operação de ejeção, ele depende da energia do rotor para fornecer energia, então quando a velocidade do gerador diminui lentamente, sua frequência de saída também diminui, mas o motor linear precisa aumentar continuamente a velocidade, então a corrente precisa ser retificada, invertida e, em seguida, convertida. As funções realizadas pelo sistema de conversão e regulação de energia incluem:

1. Fornecer energia AC de frequência variável para o estator do motor de ejeção.
2. Corrente alternada no motor de ejeção.
3. Fornecer regulação de tensão e controle de energia.
4. Proteger a carga para garantir a ejeção em caso de falha elétrica.

2.3 Lançador de pulso

O principal equipamento usado pelo lançador de pulso é um motor de indução linear (LIM) para ejeção. O motor linear é integrado ao convés e fornece um campo magnético de acionamento controlável. A energia elétrica transferida pelo sistema de ajuste de mudança de potência é usada para acelerar o motor a uma determinada velocidade em um curto espaço de tempo para conduzir a catapultagem da aeronave baseada em porta-aviões. Ao final da ejeção, o motor linear gera uma força reversa por meio de ondas eletromagnéticas, que faz o motor frear e se soltar da aeronave. O sistema inclui principalmente motores lineares, sistemas de transmissão e sistemas de refrigeração.

Um motor de indução linear é o mecanismo que lança a aeronave no USS Gerald R. Ford (CVN-78). Esses motores elétricos produzem força e movimento lineares, em vez de torque rotacional. O EMALS usa um motor de indução linear (LIM) para impulsionar um carro ao longo de uma pista para lançar a aeronave. O motor de indução linear consiste em uma fileira de bobinas do estator com a mesma função das bobinas do estator circular em um motor de indução convencional. Quando energizado, o motor acelera o carro ao longo da pista. Apenas a seção das bobinas ao redor do carro é energizada em um determinado momento, minimizando assim as perdas reativas. O LIM de 300 pés (91 m) do EMALS irá acelerar uma aeronave de 45.000 kg a 130 nós (240 km/h).

A energia a vapor, que data do início da Revolução Industrial, é um sistema complexo que requer muita manutenção. Cada aeronave lançada em porta-aviões a vapor da Marinha dos EUA requer cerca de 615 kg de vapor. As bombas movem aquele grande volume de vapor do reator nuclear em navios modernos ou das caldeiras dos navios em navios mais antigos. Cerca de 3.000 galões de água doce – que devem ser dessalinizados ao custo de uma energia elétrica significativa – param a catapulta no final de seu curso de energia. Essa parada extraordinariamente rápida dissipa uma grande quantidade de energia cinética, mas o enorme projeto do freio hidráulico é suficiente para evitar danos à integridade estrutural do navio.

Os LIMs oferecem várias vantagens importantes sobre os motores rotativos convencionais. Além disso, como o estator e o componente móvel (chamado de rotor nos motores rotativos) não estão em contato físico, não há perdas devido ao atrito. Da mesma forma, o próprio estator e rotor são componentes de estado sólido sem partes móveis. Esses fatores reduzem drasticamente a necessidade de manutenção. No projeto do CVN-78, a USN exigiu muitas atualizações que melhoraram a qualidade de vida dos marinheiros a bordo. A solução LIM é um contribuidor importante para esse requisito. Outra melhoria que esta nova tecnologia LIM oferece é a capacidade de programar o empuxo necessário para aeronaves de pesos diferentes. Com as catapultas a vapor, a quantidade precisa de vapor necessária para lançar um avião de combate com segurança tinha que ser “ajustada” usando válvulas e medidores de pressão. Com muita pressão de vapor, a catapulta pode arrancar o nariz do avião e causar um acidente no porta-aviões. O projeto do LIM, em contraste, usa controles de computador que ajustam o empuxo da catapulta ao nível necessário para o peso de cada aeronave. O empuxo é continuamente ajustável e pode lançar com segurança até drones muito leves – enquanto as catapultas a vapor não podem ter a potência reduzida para níveis adequados de energia de empuxo mais baixo.

Motores rotativos geralmente entregam seu torque por meio de uma caixa de engrenagens, o que impõe certas perdas e reduz a eficiência do sistema geral – uma consideração importante ao lançar aviões de combate como E-2 Hawkeye que, quando totalmente carregado, pesa mais de 26 toneladas. O LIM acelera a carruagem ao longo da pista. A quantidade e a frequência da corrente alternada determinam o impulso e a velocidade do carro. À medida que a carruagem se move ao longo de seu trajeto com a aeronave a reboque, apenas a seção de bobinas em torno da carruagem recebe energia a qualquer momento. Isso minimiza as perdas de energia reativas.

2.4 Sistema de controle de malha fechada

O sistema de controle em malha fechada é a chave para garantir a operação bem-sucedida do sistema de ejeção eletromagnética. Como o corpo principal do processo de ejeção é um sistema de malha, a fim de garantir que cada estágio do sistema de ejeção funcione normalmente e a aeronave atinge a velocidade final predeterminada, o sistema de detecção precisa coletar os sinais do processo de movimento da aeronave em tempo real e transmiti-los para o sistema de controle, e o sistema de controle envia novos sinais para todo o sistema de ejeção. O sistema realiza o controle de malha fechada.

Pode-se dizer que o sistema de controle é o cérebro do sistema de lançamento eletromagnético, responsável por regular a liberação de energia do sistema de armazenamento de energia, controlar a saída de energia do sistema de conversão de energia de pulso e controlar com precisão a força eletromagnética de saída do dispositivo de lançamento de pulso para atender aos requisitos de controle da velocidade e aceleração da carga.

Ao se preparar para um lançamento, os operadores usam consoles de controle para programar a catapulta para a aeronave específica envolvida. No momento do lançamento, os sistemas de energia liberam energia armazenada para o LIM a fim de impulsionar a aeronave. Após o lançamento, a energia do navio recarrega esses sistemas de armazenamento. É essencial armazenar energia para cada lançamento porque o sistema elétrico do navio sozinho é insuficiente para impulsionar uma aeronave de várias toneladas no ar. A energia liberada para a catapulta nos 2-3 segundos que leva para lançar é de cerca de 135 kWh (484 MJ). Essa enorme liberação de energia quase instantânea é suficiente para acelerar uma aeronave com cerca de 45 toneladas a 130 nós a 240 km/h.

O sistema de controle de lançamento de catapultas eletromagnéticas saberá a velocidade que uma aeronave deve estar em qualquer ponto durante a sequência de lançamento. E, ele pode fazer ajustes durante o processo para garantir que a aeronave estará dentro da velocidade de decolagem desejada. Em comparação com a catapulta a vapor, a quantidade de vapor necessária para lançar um avião depende do peso da aeronave e, uma vez iniciado o lançamento, os ajustes não podem ser feitos. Se usar muito, o trem de pouso da roda do nariz que se conecta à catapulta pode ser arrancado da aeronave. Se muito pouco vapor for usado, a aeronave não atingirá a velocidade de decolagem e poderá cair na água.

Esta nova tecnologia EMALS é destinada a substituir totalmente as catapultas a vapor. O USS Gerald R. Ford (CVN-78) usa quatro catapultas LIM, que se tornarão equipamento padrão nos porta-aviões CVN-78 até CVN-81 (John F. Kennedy, Enterprise, Doris Miller) e ainda será usado no CVN-82. Um EMALS é menos massivo e requer menos espaço do que catapultas a vapor. Seus requisitos de manutenção e mão de obra são uma fração do que é necessário para o vapor, e este sistema de alta tecnologia controla o desempenho do lançamento com mais precisão do que o vapor. O melhor de tudo é que o EMALS se encaixa perfeitamente no plano da USN de avançar para navios totalmente elétricos.

3.Características do sistema de ejeção eletromagnética

3.1 Comparada com a catapulta a vapor, a catapulta eletromagnética é mais eficiente, mais flexível, mais estável e mais prática. Em primeiro lugar, alta eficiência.

A eficiência da catapulta a vapor americana é de 4%-6%, e uma única ejeção consome 614 kg de vapor. A eficiência total da catapulta eletromagnética é tida como 15-20%, o que é cerca de 3-4 vezes maior do que a anterior. O equivalente a uma única ejeção que consome cerca de 200 kg de vapor. No estado totalmente operacional, leva menos de 15 minutos para a catapulta eletromagnética atingir o estado de prontindão para ejetar a partir da ativação, enquanto leva várias horas para a catapulta a vapor atingir o estado de prontidão.

3.2 O peso e o volume são menores, e o volume e o peso da ejeção eletromagnética são cerca de metade da ejeção do vapor.

Em comparação com o vapor, requer menos espaço e requisitos de manutenção porque elimina a maior parte das tubulações, bombas, motores, sistemas de controle entre outros. Isso reduz a necessidade de dessalinização com uso intensivo de energia empregada em comparação com os sistemas de vapor.

3.3 Desempenho mais estável e fácil manutenção.

Ao mesmo tempo, como a catapulta a vapor não tem um sistema de controle de malha fechada, a relação de pico e média do empuxo para o porta-aviões durante a ejeção é mais alta na catapulta à vapor. A catapulta eletromagnética pode corrijir continuamente o desvio de empuxo durante o processo de ejeção e o pico para a média. Um software de manutenção mais intuitivo pode reduzir o tempo de solução de problemas assim como uma capacidade de incorporar sistemas de diagnóstico, para facilitar a manutenção com menos pessoal a bordo para a operação do EMALS.

3.4 Uma gama mais ampla de modelos de aeronaves embarcadas.

A energia de ejeção máxima da catapulta a vapor é de cerca de 102 MJ, e o sistema de ejeção eletromagnética pode chegar a 121 MJ, o que permite que o porta-aviões carregue modelos de aeronaves cada vez mais pesados enquanto ejeta drones pequenos e leves. Capacidade de lançar uma gama mais ampla de aeronaves navais – de leves não
tripulados a caças de ataque pesado – com menos estresse no navio e na aeronave.

3.5 Atender a tendência de eletrificação total dos navios.

As catapultas eletromagnéticas usam eletricidade, que é mais adequada para a eletrificação completa de porta-aviões no futuro. Além disso, as catapultas eletromagnéticas são diferentes das catapultas a vapor em indicadores de desempenho, como empuxo, relação de empuxo de pico a média, energia de ejeção máxima e eficiência.

3.6 A controlabilidade do processo de ejeção eletromagnética é boa. A ejeção eletromagnética tem um sistema de controle de movimento em malha fechada. Através do mecanismo de feedback, a aceleração e a velocidade final da energia podem ser controladas com extrema precisão, para que o processo de movimento possa ser controlado em toda a carruagem. Controle de velocidade final mais preciso e aceleração mais suave que coloca menos estresse sobre a fuselagem da aeronave. O EMALS tem uma faixa de ajuste de saída de energia maior.

A potência da catapulta a vapor usa algo chamado válvula de controle de velocidade, que controla a potência da catapulta controlando o fluxo do vapor. A saída de desempenho ajustável mecanicamente é trabalhosa, enquanto a saída de potência da ejeção eletromagnética é determinada pelo controle do sistema de circuito. Além de reduzir a área ocupada para 1/3 do original, também reduz o peso pela metade.

Essa vantagem é significativa. As operações de catapulta à vapor e dispositivos hidráulicos são muito problemáticos operacionalmente, exigem uma alta densidade de trabalho e alto custo operacional. Por exemplo, em um sistema de catapulta à vapor, podem estar em qualquer momento, trabalhando 500 pessoas à bordo apenas para suportar a ejeção à vapor em um CVN da classe Nimitz.

Por mais que esses sistemas sejam confiáveis e o desenvolvimento esteja maduro, a alta carga operacional desses tipos de equipamentos exigem muito das marinhas que operam esse tipo de sistema, além desse fardo operacional, desperdiçam muita energia, e seria um fardo operacional muito pesado para os chineses no futuro porta-aviões Type 003.

O sistema de ejeção eletromagnética também tem algumas deficiências:

3.7 O motor eletromagnético de alta potência causa interferência eletromagnética no equipamento eletrônico. A carga de ejeção está logo acima do motor (LIM) de ejeção e é suscetível a interferência eletromagnética nas aeronaves.

3.8 O custo do sistema de ejeção eletromagnética é relativamente alto.

O sistema de ejeção eletromagnética do porta-aviões custou cerca de US$ 910 milhões, representando cerca de 7% do custo total do porta-aviões. O orçamento atual para o sistema de ejeção eletromagnética do segundo porta-aviões “Kennedy” da classe Ford chega a US$ 737 milhões. Mesmo para os chineses o gasto será um alto fardo orçamentário, pois o porta-aviões Type 003 irá custar algo de ¥50 bilhões, o que hoje custaria US$ 7,5 bilhões. Em comparação, o porta-aviões Shandong custou cerca de ¥20 bilhões (US$3,1 bilhões) e o Liaoning custou cerca de ¥10 bilhões (US$ 1,5 bilhão).

4. Perspectiva chinesa

O engenheiro Ma Weiming afirma que o seu EMALS não é inferior à dos EUA e ainda é mais avançado em algumas áreas.

4.1 Uma dessas áreas é a blindagem da interferência eletromagnética do EMALS. É dito que a catapulta eletromagnética dos EUA, mais precisamente o motor de indução linear (LIM) tem seu circuito magnético aberto e isso acaba tendo um vazamento não controlado através do ar causando interferência eletrônica nas aeronaves e mísseis embarcados. O campo magnético do equipamento da China está quase fechado, exceto por uma lacuna.

Existem matérias disponíveis na internet relatando sobre a interferência eletromagnética do EMALS dos EUA que está incomodando a classe Ford. A diferença de design pode ser a causa fundamental. A abordagem chinesa tem uma pequena lacuna como a fonte do vazamento eletromagnética do EMALS permitindo controlar a interferência para os equipamentos embarcados. Na lacuna, a maior parte do fluxo magnético atinge as outras extremidades, apenas uma pequena parte vaza.

A maior parte dessa lacuna é preenchida pelo carruagem que bloqueia o vazamento. Enquanto na abordagem americana, a carruagem cobre apenas a parte superior e lateral, mas deixando a parte inferior aberta. A abertura é muito maior do que a lacuna exposta do modelo chinês. Além disso, a carruagem é sempre mais curta do que o enrolamento da bobina do estator. As bobinas do estator expostas são totalmente livres para emitir campo eletromagnético para a área circundante. Mesmo no design chinês, a interferência dentro de 2 metros é insuportável e precisa de proteção.

Como o novo EMALS do Ford usa eletricidade para criar fortes campos magnéticos que impulsionam uma carruagem conectada a uma aeronave pela pista, lançando o avião no ar, dependendo do tipo de design e arquitetura do sistema, verifica-se que o efeito de radiação do EMALS tem uma forte intensidade de campo magnético até a distância de 2 metros. Pessoas, dispositivos portáteis e equipamentos eletrônicos precisam ser protegidos. Embora a atenuação da interferência seja muito rápida, ainda é muito forte.

À distância de 5 metros do EMALS, ainda apresenta um forte campo magnético, o que causará maior interferência nos instrumentos e equipamentos que operam no campo geomagnético. Isso significa que, dentro da distância de 2 metros, o equipamento de trabalho precisa ser blindado. Num raio de 5 metros, o equipamento não blindado de forma alguma sofrerá interferência. Isso significa equipamento de nível civil, não militar, que sempre deve ter algum tipo de proteção.

4.2 Porém, há diferenças entre os segmentos de estatores chinês e o americano. Os EUA usam 149 segmentos de estator cada um com 0,64 metros de comprimento, 8 colunas por segmento de estator, usando um sensor de “efeito Hall” para controlar a velocidade da carruagem. O design EMALS chinês detém 24 segmentos de estatores cada um com 4,07 metros de comprimento, 28 colunas por segmento e usa a interferência da corrente do estator pela carruagem para controlar a velocidade.

4.3 Uma outra diferença se destaca nos sistemas de armazenamento de energia do EMALS. Quando quatro catapultas eletromagnéticas da classe Ford estão funcionando com potência total, elas causarão 65 MW de carga elétrica na plataforma do porta-aviões em 2,85 segundos. Para apoiar a operação de catapultas eletromagnéticas, os Estados Unidos aumentaram a capacidade total de geração de energia da classe Ford de 64 MW na classe “Nimitz” para 192 MW.

Para este efeito, um reator nuclear A1B totalmente novo foi projetado especificamente para a classe “Ford”. Em comparação com o reator A4W classe “Nimitz”, a potência de saída é aumentada em 25%. No entanto, a carga elétrica das 4 catapultas eletromagnéticas de 65MW atinge a geração total de energia da classe “Ford”. Para suavizar o pico de consumo de energia, a classe “Ford” também está equipada com 12 conjuntos de sistemas de armazenamento de energia (ESS – Energy Storage System) de volante com uma capacidade total de 720 megajoules, cada um dos quais suporta 4 catapultas eletromagnéticas.

O dispositivo de armazenamento de energia é o componente central da catapulta eletromagnética. Ele não apenas reduz a pressão do gerador de energia, mas também absorve a energia do gerador quando a catapulta não está funcionando, tornando o gerador quase imune à carga de impacto. O princípio do dispositivo de armazenamento de energia não é complicado, mas é muito difícil de implementar.

Para ser franco, este sistema de armazenamento de energia do volante pode ser usado para redes ferroviárias e outras aplicações civis, mas a aplicação na indústria militar se torna mais problemática e existem diferenças no funcionamento entre ambas. O sistema de armazenamento de energia do volante do metrô armazena a eletricidade desperdiçada durante a operação do metrô, enquanto o sistema de armazenamento de energia do volante do porta-aviões armazena a eletricidade produzida pelos geradores do porta-aviões.

Outro ponto é que o porta-aviões exige um desempenho mais violento de carga e descarga do sistema de armazenamento de energia do volante, exigindo a liberação instantânea de uma grande corrente, e a carga sobre o sistema de circuito é ainda mais pesada, então o porta-aviões também precisa desenvolver um sistema especial para a catapulta eletromagnética e um conjunto de sistema de distribuição de energia de alta tensão. E o próprio sistema de armazenamento de energia do volante tem muitos problemas.

Anteriormente, um gargalo que restringia o uso prático de sistemas de armazenamento de energia do volante é o material. O volante usa rotação mecânica para armazenar energia. O volante que é transportado em alta velocidade irá gerar enorme estresse. É difícil para metais em geral resistir a tal estresse, o que afetará adversamente a transição do sistema. Outro gargalo do volante é que para girar leva muito tempo por causa da inércia. É um caráter herdado do volante. É um gargalo tanto para recarga quanto para liberação durante o lançamento eletromagnético. Traduzido para uma densidade de potência baixa. O volante tem alta densidade de energia. Isso é demonstrado em um EMALS onde quatro volantes são combinados em um trilho de lançamento, no final de um lançamento cada volante ainda tem cerca de 75% da energia armazenada porque não pode liberar 100% de energia em 3 segundos.

Como todos sabemos, a operação de veículos metroviários precisa contar com tração elétrica, mas, na verdade, o desperdício de eletricidade quando o metrô está funcionando é considerável. A força de tração do trem é responsável por 45-60% do custo total de eletricidade do metrô, e 17% disso é a energia de frenagem regenerativa
reciclável. Se esta parte da energia for reciclada, uma parte considerável do custo operacional total do metrô pode ser economizado, por isso tem um grande espaço de economia de energia.

Porém, não é tão fácil recuperar a eletricidade desperdiçada na operação do metrô, e neste caso, é necessário esse sistema de armazenamento de energia do volante. O princípio específico é este: O sistema de armazenamento de energia do volante armazena energia cinética na forma de rotação de alta velocidade do corpo do volante e completa a conversão entre a energia cinética e a energia elétrica por meio de um motor/gerador coaxial com o corpo do volante. Quando o trem está freando, a corrente de frenagem gerada no processo de frenagem conduz o rotor do volante de baixa velocidade para alta velocidade de rotação e converte a energia elétrica gerada pela frenagem do trem em energia cinética da rotação do volante para armazenamento;

Quando o trem dá partida ou acelera, o motor elétrico do sistema de volante se transforma em modo gerador e usa a inércia da queda da velocidade do volante para converter energia cinética em saída de energia elétrica. Desta forma, a energia de frenagem regenerativa pode ser recuperada e reutilizado.

Especificamente em porta-aviões, as catapultas eletromagnéticas são necessárias para acelerar dezenas de toneladas de aeronaves de caça para a velocidade de decolagem em um curto espaço de tempo. Isso representa um grande desafio para o sistema de fornecimento de energia, exigindo que ele tenha maior capacidade de armazenamento de energia, maior velocidade de carregamento, mais tempo de descarga e assim por diante.

As baterias tradicionais não conseguiram atender a esse requisito, e os supercapacitores não podem resolver o problema da velocidade de carregamento, então a catapulta eletromagnética escolhe um sistema de armazenamento de energia do volante. Comparado com a bateria tradicional, o sistema de armazenamento de energia do volante tem maior capacidade de armazenamento de energia e velocidade de carregamento e descarregamento mais rápida. O que é especialmente importante é que ele tem uma vida muito longa e tempos de carregamento e descarregamento quase ilimitados.

Isso é extremamente importante para aeronaves embarcadas. Reduz consideravelmente a dificuldade e o custo do suporte logístico. Porém, sua desvantagem é que a densidade de potência é baixa, e a questão do rotor de alta velocidade causará maiores problemas de segurança. Portanto, todo o sistema é grande e não adequado para operações pequenas. No entanto, para porta-aviões, estes deficiências são obviamente aceitáveis. Para os americanos, essas deficiências provavelmente podem estar se apresentando agora porque não houve os testes integrados de toda a estrutura EMALS em terra, os testes individuais não qualificam o sistema todo como plenamente aplicável.

Para um enorme sistema de transporte como o metrô, o tamanho do sistema de armazenamento de energia do volante é ainda menos problemático, principalmente por considerar que o sistema ferroviário está ligado a rede elétrica doméstica, um suporte que um porta-aviões convencional não terá na sua operação.

A nova geração do sistema de armazenamento de energia do volante desse século opta por usar fibra de carbono de alta resistência, o que não só melhora a resistência do volante, mas também reduz o peso. Diz-se que o peso pode ser reduzido em mais da metade, reduzindo efetivamente o volume e o peso do sistema. A partir dos dados relevantes, a nova geração de volantes usa fibra de carbono. A fibra de carbono da China está em fase de pesquisa há muito tempo e a produção em massa de fibra de carbono de alta especificação levará tempo, o que limita o desenvolvimento e aplicação de uma nova geração de sistemas de armazenamento de energia volante, mas isso não elimina completamente o desgaste do material.

Os rolamentos rotativos de alta velocidade do volante geralmente ficam desgastados. O sistema de armazenamento de energia do volante de levitação magnética híbrida vertical liderado por Wang Dong é um projeto que quebra essa convenção. Ele combina organicamente rolamentos magnéticos e mecânicos, e motores de ímã permanente de alta velocidade acionam o volante para girar. Quando a bomba de vácuo fornece um ambiente de trabalho a vácuo para o volante, isso resolve o problema de resistência do ar. Se o volante se tornar instável durante a operação, o rolamento mecânico começará a funcionar, o que pode proteger o rolamento magnético e a segurança do sistema. A levitação magnética e o sistema de armazenamento de energia do volante híbrido mecânico é uma meta pela qual todos os principais países estão competindo.

O sistema de armazenamento de energia do volante de levitação magnética híbrida vertical liderado por Wang Dong tem um propósito claro no pedido de patente. Ele explica que será usado para corte de pico da rede, fonte de alimentação ininterrupta, locomotivas híbridas e outras operações. Obviamente, para atender às necessidades militares, ele pode ser considerado um produto convertido para o uso militar, principalmente para o sistema de armazenamento do EMALS.

Outro exemplo é que a Naval University of Engineering da China começou o desenvolvimento de um dispositivo de armazenamento de energia de volante de 50MW/120MJ há 20 anos atrás. A superação no campo do fornecimento de energia de navios e lançamento eletromagnéticos deve-se a várias razões. Em primeiro lugar, a economia chinesa cada vez mais poderosa pode fornecer um grande apoio ao orçamento. Ao mesmo tempo, o rápido desenvolvimento do mercado de equipamentos de energia doméstica proporciona um crescimento da plataforma de inovação tecnológica, por isso foram capazes de construir e melhorar a cadeia industrial de apoio da China e pavimentou o caminho para a implementação final de soluções inovadoras em produtos, e esta é uma integração entre indústria civil e militar, respectivamente nessa ordem.

Por exemplo, agora todos os chineses estão acostumados com a rede ferroviária de alta velocidade em várias províncias do país, bem como com a rede de transmissão de energia que se estende por milhares de quilômetros. Essas duas conquistas são únicas no mundo. A primeira pode acelerar o fluxo de pessoas na maior medida, e esta última pode ser ajustada de forma eficiente. Recursos de energia elétrica, essas são as condições básicas para realizar o grande desenvolvimento da produtividade. Coincidentemente, esses dois grandes projetos estão relacionados à eletricidade.

A unidade teórica de armazenamento de energia de um capacitor é muito grande, mas não pode fazer um capacitor tão grande quanto um metro cúbico. Você só pode conectar muitos pequenos volumes em paralelo, então o volume real será muito maior. A energia para ejetar um caça pesado terá que ser de centenas de milhões de joules, desse modo, os capacitores vão ocupar quase metade do porta-aviões. Aqueles que alegam o uso de capacitores podem estar corretos em afirmar que podem lançar aviões, realmente, não é uma tarefa impossível. Agora, os capacitores de pulso podem chegar a 2MJ (megajoules) por metro cúbico.

Os supercapacitores usados em testes de canhão elétrico têm armazenamento de energia de 80MJ. Basta adicionar alguns módulos. O lançamento de aeronave não precisa de tanta potência instantânea, esse tipo de capacitor de alta densidade de potência tem principalmente problemas de vida útil, então não tem vantagem sobre os volantes. Os capacitores são mais adequados para canhões eletromagnéticos e armas a laser. O armazenamento de cada volante das catapultas do EMALS dos EUA é de cerca de 121 megajoules com um total de 4 volantes, os requisitos de espaço interno não apontariam para o uso de capacitores. Devido à sua baixa densidade de energia, é adequado para uso combinado com outros métodos de armazenamento.

Para atender ao requisito de alta capacidade da catapulta eletromagnética, lembrando que a fonte de alimentação do EMALS é um sistema DC, seu sistema de armazenamento de energia deve atingir alta densidade de energia e densidade de potência. Portanto, um sistema de armazenamento de energia híbrido (HESS) composto por bateria, supercapacitor e conversor CA-CC bidirecional, os resultados da simulação mostram que o esquema proposto pode reduzir o número de baterias de armazenamento de forma eficaz e aumentar a densidade de potência do sistema de armazenamento nas mesmas condições.

Outro exemplo é o HESS formado por supercapacitores e volantes. Na realidade, esse sistema híbrido traduz em densidade de energia e potência, mas o custo para implementar seria alto demais e o espaço para armazenar a energia seria grande demais, em comparação com outros modos de armazenamento. Só o fato da rede elétrica ser formada por MVDC e provavelmente por IPES, a densidade de potência não é assim tão relevante do ponto de vista da implementação e operação de um EMALS.

Basicamente o MVDC elimina essa deficiência da baixa densidade de potência do sistema de armazenamento do volante. Se o Type 003 for configurado com qualquer tipo de armazenamento, o campo das possibilidades é grande o suficiente para termos um sistema apoiado convencionalmente que fornece eletricidade suficiente para apoiar tais sistemas embarcados, avanços como o do Wang Dong são ainda mais eficientes e que podem ser implementado no novo porta-aviões chinês.

De acordo com a informação pública divulgada pelo acadêmico Ma Weiming, o consumo de energia do EMALS por ele inventado determina que uma catapulta para ejetar uma aeronave de um porta-aviões geralmente consome 120 megajoules de energia, e o sistema de armazenamento de energia deve reservar 140 megajoules.

4.4 Ao mesmo tempo, a classe “Ford” usa um sistema elétrico integrado de corrente alternada de média tensão (MVAC) para suportar a demanda elétrica dos sistemas de alta energia, os chineses usam MVDC, corrente contínua de média tensão, essa é apenas mais um componente do navio e não do sistema da catapulta eletromagnética, mas faz diferença no conjunto total do sistema elétrico para suportar o EMALS.

A julgar pelos dados, a catapulta eletromagnética da China ganhou com a experiência e as lições da catapulta eletromagnética dos EUA quando foi desenvolvida. Por exemplo, o sistema DC de média tensão foi adotado em vez do sistema AC de média tensão dos EUA. A faixa de regulação da velocidade DC é muito ampla e o desempenho anti-sobrecarga é bom. Quando a velocidade é regulada, apenas a corrente é necessária e a tensão não é necessária. Portanto, o sistema geral é leve, pequeno em tamanho e de alta eficiência. Isso pode evitar a situação embaraçosa de que o sistema de energia falhe e todas as catapultas falhem.

Apenas para constatar, o MVDC trata apenas da grade e da arquitetura geral da rede elétrica do navio, o sistema de armazenamento pode ser qualquer coisa, incluindo volante, como em um sistema AC. O Volante tem a maior densidade de energia até agora, com a bateria química vindo em segundo lugar. O supercapacitor tem a densidade de potência mais alta, mas menos densidade de energia, o que significa que é mais volumosa para economizar a mesma quantidade de energia. É verdade que a rede DC permite que os geradores funcionem em qualquer frequência, melhora a flexibilidade e a viabilidade, o que permite medidas como a recuperação de energia que seria desperdiçada durante um determinado tempo, o que se traduz em densidade de potência.

Leitura adicional:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/73368491
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8739316
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7113899
https://www.unionleader.com/news/military/years-late-and-billions-more-the-uss-gerald-r-ford-is-a-lesson-in-how/article_3b2abbcd-9449-5162-82a6-ac283ab0b9a3.html
dgjsxb.ces-transaction.com/CN/abstract/abstract6684.shtml
https://www.airspacemag.com/military-aviation/how-things-work-electromagnetic-catapults-14474260/?no-ist=&page=1