[Populärwissenschaft der chinesischen Militärtechnologie] Wie leistungsstark ist die elektromagnetische Katapulttechnologie auf Flugzeugträgern?

Wie wir alle wissen, hängt die Kampfkraft eines Flugzeugträgers von verschiedenen trägergestützten Flugzeugen ab, und die Startfähigkeit und Effizienz trägergestützter Flugzeuge bestimmen weitgehend die Kampfkraft der Flugzeugträgerformation.

Die "Standardkonfiguration" zukünftiger Flugzeugträger

Derzeit gibt es drei Hauptstartmethoden für trägergestützte Flugzeuge: die Rollstartmethode, bei der das Flugzeug direkt auf dem erhöhten Deck am Ende beschleunigt, um Auftrieb für den Start zu gewinnen; die Direktstartmethode, bei der der nach unten gerichtete Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsluftstrom genutzt wird, um eine nach oben gerichtete Reaktionskraft zu erzeugen; und die Katapultstartmethode, bei der das Flugzeug durch ein Katapult angetrieben wird, um eine höhere Beschleunigung zu erreichen. Unter diesen ist der Katapultstart aufgrund seiner höchsten Gesamtleistung in vielen Ländern weit verbreitet. In den letzten Jahren hat sich das elektromagnetische Katapultstartsystem (EMALS) durchgesetzt und gilt als „Standardkonfiguration“ zukünftiger Flugzeugträger.

Das elektromagnetische Katapultsystem ist ein System, das elektrische Energie in magnetische Energie und dann in die kinetische Energie umwandelt, die die Nutzlast benötigt, um ein Objekt schnell auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu bringen. Das elektromagnetische Katapult wird von einem Linearmotor angetrieben. Das System speist einen starken Strom ein, um die Spule zur Erzeugung eines Magnetfelds zu veranlassen. Dadurch wird dem mit dem Magnetmodul verbundenen „hin- und hergehenden Fahrzeug“ Energie zugeführt, um es zu beschleunigen und dem Kampfflugzeug so zu einem schnelleren Abheben zu verhelfen.

Das elektromagnetische Katapultsystem umfasst hauptsächlich einen Linearmotor, ein Energiespeichersystem, ein Steuerungssystem und ein Leistungselektroniksystem. Dabei bezieht und speichert das Energiespeichersystem innerhalb einer bestimmten Zeitspanne ausreichend Energie aus dem Stromverteilungssystem des Flugzeugträgers und gibt diese dann in sehr kurzer Zeit wieder ab. Über die Leistungselektronik wird die Impulsentladung gesteuert und somit der Linearmotor geregelt. Das Steuerungssystem verarbeitet umfassend verschiedene Informationen, um den normalen Betrieb jedes Geräts sicherzustellen. Diese Gerätesysteme arbeiten zusammen, um den besten Auswurfeffekt zu erzielen.

Elektromagnetische Katapulte können die Kampfkraft von Flugzeugträgern erheblich verbessern

Das US-Militär ist ein Pionier auf dem Gebiet elektromagnetischer Katapulte. In den 1940er Jahren entwickelte, fertigte und testete die US-Marine ein elektromagnetisches Flugzeugstartsystem auf Basis der Technologie elektromagnetischer Induktionsmotoren. Aufgrund des Endes des Zweiten Weltkriegs und der hohen Kosten des Systems wurde das Projekt jedoch abgebrochen. Um die Machbarkeit elektromagnetischer Katapulte für trägergestützte Flugzeuge weiter zu überprüfen, nahm die US Navy 1982 derartige Forschungsprojekte erneut auf und führte 1988 Tests zum elektromagnetischen Katapult, Bremsen und Wiederherstellen sowie zur Systemleistung und elektromagnetischen Strahlung durch. In den 1990er Jahren schlug die US Navy beim Entwurf des Flugzeugträgers der nächsten Generation (CVN-21) das Konzept eines vollelektrischen Kriegsschiffs vor. Die wichtigste technologische Neuerung war der Ersatz von Dampfkatapulten durch elektromagnetische Katapulte. Im Zuge der Demonstration des CVN-21-Plans wurde offiziell beschlossen, ein elektromagnetisches Flugzeugkatapultsystem für Flugzeugträger zu entwickeln.

Da die technischen Hürden für das elektromagnetische Katapultsystem sehr hoch sind, verfügt derzeit außer den USA nur China über umfassende Forschungs- und Entwicklungskapazitäten sowie Fertigungskapazitäten. Beispielsweise verwendet Chinas zweiter selbst entwickelter Flugzeugträger, die Fujian, ein elektromagnetisches Katapultsystem.

Einzigartige Vorteile des elektromagnetischen Katapults

Im Vergleich zu Dampfkatapulten sind die Vorteile elektromagnetischer Katapulte deutlicher.

Erstens verfügt das elektromagnetische Katapult über eine größere Energiereichweite. Die maximale Energieamplitude des elektromagnetischen Katapults ist 20 % höher als die des Dampfkatapults und es kann schwere Flugzeuge mit höherer Geschwindigkeit starten. Seine feine und präzise Steuerung ermöglicht den gleichzeitigen Start kleinerer und leichterer Fluggeräte (wie beispielsweise Drohnen). Es besteht kein Grund zur Sorge, dass zu viel Kraft das Flugzeug beschädigt oder zu wenig Kraft den Start des Flugzeugs verhindert, wie dies bei der Verwendung eines Dampfkatapults der Fall ist. Dadurch können Flugzeugträger mehr unterschiedliche Flugzeugmodelle transportieren, was die Kampffähigkeiten aktueller Flugzeugträger erheblich erweitert. Darüber hinaus kann eine angemessene Schleuderkraft auch die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung des Piloten beim Start verringern, was sich sehr positiv auf die Gesundheit des Piloten auswirkt.

Derzeit beherrschen nur China und die USA die elektromagnetische Katapulttechnologie.

Zweitens verbessern elektromagnetische Katapulte die Effizienz des Einsatzes trägergestützter Flugzeuge. Laut US-Statistik kann ein großer Flugzeugträger, der mit vier Dampfkatapulten ausgestattet ist, in der Regel bis zu 200 Starts pro Tag durchführen. Beim Einsatz elektromagnetischer Katapulte kann die Zahl etwa 270 Mal am Tag betragen.
Gleichzeitig ist die Leistung elektromagnetischer Katapulte im Vergleich zu Dampfkatapulten stabiler. Das elektromagnetische Katapult verfügt über ein fortschrittliches Rückkopplungs- und Regelsystem, das das Spitzen-Durchschnitts-Verhältnis der Beschleunigung jedes Katapults konstanter machen und die Schwankungsbreite der Startgeschwindigkeit des Flugzeugs verringern kann. Darüber hinaus muss beim Einsatz von Dampfkatapulten zunächst Meerwasser in Süßwasser und anschließend Süßwasser in Dampf umgewandelt werden, was sehr hohe Betriebskosten verursacht. Die Kosten für die Nutzung von Elektrizität für elektromagnetische Katapulte sind viel niedriger.
Darüber hinaus ist das elektromagnetische Katapultsystem im Vergleich zum Dampfkatapultsystem wesentlich leichter und kleiner, sodass weniger Zusatzausrüstung auf dem Schiff benötigt wird, beispielsweise Hydrauliköl, Frischwasser und Dampf. Das Layout der einzelnen Komponenten ist flexibler, wodurch die Optimierung des internen Layouts des Flugzeugträgers maximiert, die Flexibilität des Flugzeugträgerdesigns erhöht und möglicherweise die Überlebensfähigkeit des Flugzeugträgers verbessert werden kann.

Autorenprofil: Lan Shunzheng ist auf Forschung und theoretisches Schreiben zu Weltraumstrategie, Militärstrategie und internationalen Beziehungen spezialisiert. Während seines Militärdienstes gab er sein erstes militärtheoretisches Buch heraus: „An Army Sergeant’s Thoughts on National Defense – Soldiers Going Out of the Border“. Während seines Masterstudiums an der School of International Relations konzentrierte er sich auf Weltraumstrategie. Mittlerweile veröffentlicht er häufig entsprechende Artikel in Online-Medien und Militärmagazinen. Darüber hinaus wurde auch seine zweite Monographie „Zhenxing Dinghai – Building China’s Future Space Military Strategy“ veröffentlicht.

Produziert von: Science Popularization China

Produzent: Guangming Online Science Department

Autor: Lan Shunzheng (Militärwissenschaftsautor)

Wissenschaftliche Überprüfung: Fei Boyu (leitender Redakteur für militärische Inhalte)

Planung: Jin He