EMALS
Il sistema di lancio elettromagnetico per aeromobili imbarcati denominato EMALS è un tipo di sistema di lancio di aeromobili sviluppato dalla General Atomics per la US NAVY. Il sistema lancia gli aerei imbarcati su portaerei per mezzo di una catapulta che utilizza un motore ad induzione lineare piuttosto che il tradizionale pistone a vapore. La EMALS è stata installata per la prima volta sulla portaerei della Marina degli Stati Uniti di classe Gerald R. Ford, USS Gerald R. Ford.
Il suo vantaggio principale è che accelera gli aerei in modo più fluido, mettendo meno stress alle loro cellule. Rispetto alle catapulte a vapore, l'EMALS pesa meno, dovrebbe costare meno e richiedere meno manutenzione, e può lanciare aerei sia più pesanti che più leggeri rispetto a un sistema a pistoni a vapore. Inoltre, riduce il fabbisogno di acqua dolce della portaerei, riducendo così la richiesta di dissalazione ad alta intensità energetica.
Cina
Si dice che la Cina stia sviluppando un sistema simile. Il contrammiraglio Yin Zhuo della Marina Militare dell'Esercito Popolare di Liberazione ha detto che la prossima portaerei cinese avrà anche un sistema di lancio elettromagnetico. Diversi prototipi sono stati individuati dai media nel 2012, e gli aerei in grado di effettuare lanci elettromagnetici sono in fase di test presso una struttura di ricerca della Marina cinese.
Secondo un rapporto del luglio 2017, la costruzione della portaerei Type 002 è stata riprogrammata per scegliere tra una catapulta a vapore o elettromagnetica e gli ultimi risultati della competizione mostrano che i lanciatori elettromagnetici saranno utilizzati nella portaerei Type 002.
Il capo militare cinese sostiene che si è avuta una svolta nei sistemi di lancio elettromagnetici per portaerei; si utilizzerà tale sistema nella terza portaerei che la Cina costruirà dopo la Type 001A. Il sistema di lancio è alimentato in modo convenzionale attraverso la capacità, eliminando così la necessità di fare affidamento sul reattore nucleare per la sua alimentazione. Il progetto della portaerei Type 002 è guidato dal contrammiraglio Ma Weiming.
India
Anche la Marina indiana ha mostrato interesse nell'installazione dell’EMALS per la sua progettata portaerei CATOBAR INS Vishal. Il governo indiano ha mostrato interesse a produrre localmente il sistema di lancio degli aerei elettromagnetici con l'assistenza diella General Atomics statunitense.
Russia
La United Shipbuilding Corporation (USC) russa sta sviluppando nuovi sistemi di lancio per aerei da guerra basati su portaerei; lo ha dichiarato all’agenzia TASS il 4 luglio 2018 il presidente dell'USC Alexei Rakhmanov.
Regno Unito
La società Converteam UK stava lavorando ad un sistema di catapulta elettromagnetica (EMCAT) per la portaerei della classe Queen Elizabeth. Nell'agosto 2009, è stata avanzata l'ipotesi che il Regno Unito potesse abbandonare la versione STOVL dell’F-35B per il modello CTOL F-35C, il che avrebbe significato che le portaerei sarebbero state costruite per operare aeromobili convenzionali in decollo e atterraggio utilizzando le catapulte EMCAT non a vapore di progettazione britannica.
Nell'ottobre 2010, il governo britannico ha annunciato che avrebbe acquistato l'F-35C, utilizzando un sistema CATOBAR allora deciso. Nel dicembre 2011 fu firmato un contratto con la General Atomics di San Diego per lo sviluppo dell’EMALS per i vettori della classe Queen Elizabeth. Tuttavia, nel maggio 2012, il governo del Regno Unito ha invertito la sua decisione dopo che i costi previsti erano saliti al doppio del preventivato e la consegna spostata al 2023, annullando l'opzione F-35C e tornando alla decisione originale di acquistare l'F-35B STOVL.
Stati Uniti
L’EMALS è stato progettato per le portaerei classe Gerald R. Ford. Una proposta di retrofit per le Nimitz è stata respinta. John Schank ha dichiarato: "I maggiori problemi che la classe Nimitz deve affrontare sono la limitata capacità di generazione di energia elettrica e l'aumento del peso della nave dovuto all'aggiornamento e l'erosione del margine del centro di gravità necessario per mantenere la stabilità della nave.
La catapulta per aerei è un tipo di attrezzatura meccanica a vapore atta a fornire una spinta iniziale per favorire il decollo dei velivoli imbarcati ovviando al problema del ridotto spazio necessario per l'acquisizione della velocità di distacco dal suolo.
Storia
Sviluppo
L'avvento delle catapulte
Fino alla seconda guerra mondiale la maggior parte delle catapulte per aerei era di tipo idraulico, anche se singole catapulte a vapore venivano utilizzate su alcune imbarcazioni. Di norma il vapore necessario per il funzionamento delle catapulte a vapore veniva fornito dai motori anche se in singoli casi si ricorreva ad un generatore di vapore che funzionava a perossido di idrogeno. Lo sviluppo delle prime catapulte a vapore risale ai primi anni trenta, quando si impiegarono per la prima volta nella storia velivoli che decollavano dal ponte delle navi. Ciò nonostante le catapulte per aerei videro il loro debutto a bordo di pesanti incrociatori dai quali si lanciavano gli idrovolanti per la ricognizione senza doverli prima mettere in acqua.
L'utilizzo in campo militare
Con lo sviluppo degli apparecchi e con il conseguente aumento del peso dei velivoli, i ponti di volo delle prime portaerei risultarono sempre meno adatti a far decollare dei velivoli ed apparvero sempre più corti per permettere a questi di alzarsi in volo, costringendo di fatto i progettisti di queste navi a ricorrere a delle catapulte per lanciare in volo i velivoli. A partire dal 1950 si iniziarono ad utilizzare le prime catapulte a vapore di concezione moderna molto simili a quelle usate a tutt'oggi sulle maggiori portaerei. La prima nave militare ad essere dotata di una catapulta a vapore di questo tipo fu la HMS Perseus della Classe Colossus.
Descrizione tecnica
Funzionamento
Il sistema di lancio consiste in un solco realizzato sul ponte di volo, all'interno del quale viene fatto muovere un sistema di aggancio degli aerei in grado di accelerare in avanti ad alta velocità il velivolo. Il carrello anteriore degli aerei viene collegato al dispositivo nel solco e tutto l'aereo viene proiettato ad una velocità sufficiente per il decollo dalla nave.
Nel caso delle portaerei moderne statunitensi, viene impiegata una barra d'acciaio che rimane agganciata all'aereo da lanciare. Al momento del decollo vengono rilasciati dei fermi, che liberano un pistone inserito in un circuito a pressione dove era stato fatto accumulare vapore. Il pistone si muove e l'aereo raggiunge in 4 secondi una velocità rispetto all'aria somma della velocità impressa dal pistone alla quale va aggiunta la velocità del vento e il vento causato dal movimento della nave. Le catapulte vengono dimensionate per far raggiungere una velocità sufficiente all'apparecchio tale da farlo mantenere in volo, anche in caso di avaria o arresto di un motore.
Impiego
In genere catapulte per aerei sono presenti sui seguenti tipi di navi:
- nave appoggio idrovolanti
- navi CAM
- portaerei.
Portaerei (lista parziale delle unità equipaggiate):
Brasile - São Paulo (A-12), 2 catapulte a vapore Mitchell-Brown da 50m tipo BS5
Francia
Arromanches (R 95), 1 catapulta
La Fayette (R 96), 2 catapulte idrauliche
Bois Belleau (R 97), 2 catapulte idrauliche
Clemenceau (R 98), 2 catapulte a vapore Mitchell-Brown da 50m tipo BS5
Foch (R 99), 2 catapulte a vapore Mitchell-Brown da 50m tipo BS5
Charles de Gaulle (R 91), 2 catapulte a vapore da 75m tipo C13-3
Stati Uniti
USS Midway (CV-41), 2 catapulte a vapore tipo C-13-0
USS Coral Sea (CV-43), 3 catapulte a vapore tipo C-11-1
USS Saratoga (CV-60), 2 catapulte a vapore tipo C-11 e 2 C-7
USS Ranger (CV-61), 4 catapulte a vapore tipo C-7
USS Indipendence (CV-62), 4 catapulte a vapore tipo C-13-0
USS Kitty Hawk (CV-63), 4 catapulte a vapore tipo C-13-0
USS Constellation (CV-64), 4 catapulte a vapore tipo C-13-0
USS Enterprise (CVN-65), 4 catapulte a vapore tipo C-13-1
USS America (CV-66), 3 catapulte a vapore tipo C-13-0 e 1 C-13-1
USS John F. Kennedy (CV-67), 3 catapulte a vapore tipo C-13-0 e 1 C-13-1
USS Nimitz (CVN-68), 4 catapulte a vapore tipo C-13-1
USS Dwight D. Eisenhower (CVN-69), 4 catapulte a vapore tipo C-13-1
USS Carl Vinson (CVN-70), 4 catapulte a vapore tipo C-13-1
USS Theodore Roosevelt (CVN-71), 4 catapulte a vapore tipo C-13-1
USS Abraham Lincoln (CVN-72), 4 catapulte a vapore tipo C-13-2
USS George Washington (CVN-73), 4 catapulte a vapore tipo C-13-2
USS John C. Stennis (CVN-74), 4 catapulte a vapore tipo C-13-2
USS Harry S. Truman (CVN-75), 4 catapulte a vapore tipo C-13-2
USS Ronald Reagan (CVN-76), 4 catapulte a vapore tipo C-13-2
USS George H. W. Bush (CVN-77), 4 catapulte a vapore tipo C-13-2.
La catapulta elettromagnetica
Sulle nuove portaerei dell’US NAVY e non solo, i velivoli verranno lanciati in volo con l'ausilio di un campo elettromagnetico.
La marina militare degli Stati Uniti (U.S. Navy) sta sviluppando un nuovo sistema per far decollare i propri velivoli dalle portaerei: si tratta di una catapulta elettromagnetica che dovrebbe rappresentare un miglioramento delle catapulte a vapore attualmente in uso sulle navi da guerra.
Un recente filmato mostra un test condotto su un "peso morto" (dead load) a bordo della USS Gerald R. Ford, una portaerei di ultima generazione varata nel 2013 e che entrerà ufficialmente in servizio nel 2016.
La catapulta è sempre stata utilizzata sulle portaerei: la pista è infatti troppo corta per fa sì che l'aereo acquisisca la velocità necessaria per il distacco da terra.
A oggi la tecnologia più utilizzata è quella della catapulta a vapore, sperimentata per la prima volta nel 1949 sulla portaerei britannica Perseus. Il sistema di lancio consiste in un solco realizzato sul ponte di volo, all'interno del quale viene fatto muovere un sistema di aggancio che fa accelerare il velivolo.
Nell'istante del decollo, i pistoni situati sotto il ponte di volo vengono spinti in avanti dal vapore ad alta pressione fornito dalle caldaie dell’apparato motore della portaerei e la spinta, attraverso il gancio, viene così trasmessa all’aereo.
ENGLISH
EMALS
The Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS) is a type of aircraft launching system developed by General Atomics for the United States Navy. The system launches carrier-based aircraft by means of a catapult employing a linear induction motor rather than the conventional steam piston. EMALS was first installed on the United States Navy's Gerald R. Ford-class aircraft carrier, USS Gerald R. Ford.
Its main advantage is that it accelerates aircraft more smoothly, putting less stress on their airframes. Compared to steam catapults, the EMALS also weighs less, is expected to cost less and require less maintenance, and can launch both heavier and lighter aircraft than a steam piston-driven system. It also reduces the carrier's requirement of fresh water, thus reducing the demand for energy-intensive desalination.
China is reportedly developing a similar system.
Design and development
Developed in the 1950s, steam catapults have proven exceptionally reliable. Carriers equipped with four steam catapults have been able to use at least one of them 99.5 percent of the time. However, there are a number of drawbacks. One group of Navy engineers wrote, "The foremost deficiency is that the catapult operates without feedback control. With no feedback, there often occurs large transients in tow force that can damage or reduce the life of the airframe." The steam system is massive, inefficient (4–6%), and hard to control. These control problems allow Nimitz-class aircraft carrier steam-powered catapults to launch heavy aircraft, but not aircraft as light as many UAVs.
A system somewhat similar to EMALS, Westinghouse's electropult, was developed in 1946 but not deployed.
Linear induction motor
The EMALS uses a linear induction motor (LIM), which uses electric currents to generate magnetic fields that propel a carriage along a track to launch the aircraft. The EMALS consists of four main elements: The linear induction motor consists of a row of stator coils with the same function as the circular stator coils in a conventional induction motor. When energized, the motor accelerates the carriage along the track. Only the section of the coils surrounding the carriage is energized at any given time, thereby minimizing reactive losses. The EMALS' 300-foot (91 m) LIM will accelerate a 100,000-pound (45,000 kg) aircraft to 130 kn (240 km/h; 150 mph).
Energy storage subsystem
During a launch, the induction motor requires a large surge of electric power that exceeds what the ship's own continuous power source can provide. The EMALS energy-storage system design accommodates this by drawing power from the ship during its 45-second recharge period and storing the energy kinetically using the rotors of four disk alternators; the system then releases that energy (up to 484 MJ) in 2–3 seconds. Each rotor delivers up to 121 MJ (34 kWh) (approximately one gasoline gallon equivalent) and can be recharged within 45 seconds of a launch; this is faster than steam catapults. A maximum-performance launch using 121 MJ of energy from each disk alternator slows the rotors from 6400 rpm to 5205 rpm.
Power conversion subsystem
During launch, the power conversion subsystem releases the stored energy from the disk alternators using a cycloconverter. The cycloconverter provides a controlled rising frequency and voltage to the LIM, energizing only the small portion of stator coils that affect the launch carriage at any given moment.
Control consoles
Operators control the power through a closed loop system. Hall effect sensors on the track monitor its operation, allowing the system to ensure that it provides the desired acceleration. The closed loop system allows the EMALS to maintain a constant tow force, which helps reduce launch stresses on the plane's airframe.
Program status
Aircraft Compatibility Testing (ACT) Phase 1 concluded in late 2011 following 134 launches (aircraft types comprising the F/A-18E Super Hornet, T-45C Goshawk, C-2A Greyhound, E-2D Advanced Hawkeye, and F-35C Lightning II) using the EMALS demonstrator installed at Naval Air Engineering Station Lakehurst. On completion of ACT 1, the system was reconfigured to be more representative of the actual ship configuration on board the USS Gerald R. Ford, which will use four catapults sharing several energy storage and power conversion subsystems.
1–2 June 2010: Successful launch of a McDonnell Douglas T-45 Goshawk.
9–10 June 2010: Successful launch of a Grumman C-2 Greyhound.
18 December 2010: Successful launch of a Boeing F/A-18E Super Hornet.
27 September 2011: Successful launch of a Northrop Grumman E-2D Advanced Hawkeye.
18 November 2011: Successful launch of a Lockheed Martin F-35 Lightning II.
ACT Phase 2 began on 25 June 2013 and concluded on 6 April 2014 after a further 310 launches (including launches of the Boeing EA-18G Growler and McDonnell Douglas F/A-18C Hornet, as well as another round of testing with aircraft types previously launched during Phase 1). In Phase 2, various carrier situations were simulated, including off-centre launches and planned system faults, to demonstrate that aircraft could meet end-speed and validate launch-critical reliability.
June 2014: The Navy completed EMALS prototype testing of 450 manned aircraft launches involving every fixed-wing carrier-borne aircraft type in the USN inventory at Joint Base McGuire–Dix–Lakehurst during two Aircraft Compatibility Testing (ACT) campaigns.
May 2015: First full speed shipboard tests conducted.
Delivery and deployment
On 28 July 2017, Lt. Cmdr. Jamie "Coach" Struck of Air Test and Evaluation Squadron 23 (VX-23) performed the first EMALS catapult launch from USS Gerald R. Ford (CVN-78) in an F/A-18F Super Hornet.
Advantages
Compared to steam catapults, EMALS weighs less, occupies less space, requires less maintenance and manpower, is more reliable, recharges quicker, and uses less energy. Steam catapults, which use about 1,350 lb (610 kg) of steam per launch, have extensive mechanical, pneumatic, and hydraulic subsystems. EMALS uses no steam, which makes it suitable for the Navy's planned all-electric ships.
Compared to steam catapults, EMALS can control the launch performance with greater precision, allowing it to launch more kinds of aircraft, from heavy fighter jets to light unmanned aircraft. With up to 121 megajoules available, each one of the four disk alternators in the EMALS system can deliver 29 percent more energy than a steam catapult's approximately 95 MJ. The EMALS, with their planned 90% power conversion efficiency, will also be more efficient than steam catapults, which achieve only a 5% efficiency.
Criticisms
In May 2017, President Donald Trump criticized EMALS during an interview with Time, saying that in comparison to traditional steam catapults, "the digital costs hundreds of millions of dollars more money and it’s no good."
President Trump's criticism was echoed by a highly critical 2018 report from the Pentagon, that emphasized that reliability of EMALS leaves much to be desired, and that the average rate of critical failures is nine times higher than the Navy's threshold requirements.
Reliability
In 2013, 201 of 1,967 test launches failed, more than 10 percent.
Factoring in the then-current state of the system, the most generous numbers available in 2013 showed that EMALS has an average "time between failure" rate of 1 in 240.
According to a January 2014 report, "Based on expected reliability growth, the failure rate for the last reported Mean Cycles Between Critical Failure was five times higher than should have been expected. As of August 2014, the Navy has reported that over 3,017 launches have been conducted at the Lakehurst test site, but have not provided DOT&E with an update of failures. The Navy intends to provide DOT&E an update of failures in December 2014."
In the test configuration, EMALS could not launch fighter aircraft with external drop tanks mounted. "The Navy has developed fixes to correct these problems, but testing with manned aircraft to verify the fixes has been postponed to 2017".
In July 2017 the system was successfully tested at sea on the USS Gerald R. Ford.
Systems that use or will use EMALS:
China
Rear Admiral Yin Zhuo of the People's Liberation Army Navy has said that China's next aircraft carrier will also have an electromagnetic aircraft launch system. Multiple prototypes have been spotted by the media in 2012, and aircraft capable of electromagnetic launching are undergoing testing at a Chinese Navy research facility.
According to a report in July 2017, the construction of the Type 002 aircraft carrier has been rescheduled in order to choose between a steam or electromagnetic catapult and the latest competition results shows that the electromagnetic launchers will be used in the Type 002 aircraft carrier.
China's military chief claims a breakthrough in electromagnetic launch systems for aircraft carriers has been made, and will utilize such a system in the third aircraft carrier that China will build after Type 001A. The launch system is conventionally powered through capacitance, thus eliminating the need to rely on the nuclear reactor for its power supply. The design on the Type 002 carrier is being lead by Rear Admiral Ma Weiming.
India
The Indian Navy has shown an interest in installing EMALS for its planned CATOBAR supercarrier INS Vishal. The Indian government has shown interest in producing the Electromagnetic Aircraft Launch System locally with the assistance of General Atomics.
The concept of a ground carriage is intended for civilian use and takes the idea of an electromagnetic aircraft launch system one step further, with the entire landing gear remaining on the runway for both takeoff and landing.
Russia
Russia's United Shipbuilding Corporation (USC) is developing new launch systems for warplanes based on aircraft carriers, USC President Alexei Rakhmanov told TASS on 4 July 2018.
United Kingdom
Converteam UK were working on an electro-magnetic catapult (EMCAT) system for the Queen Elizabeth-class aircraft carrier. In August 2009, speculation mounted that the UK may drop the STOVL F-35B for the CTOL F-35C model, which would have meant the carriers being built to operate conventional takeoff and landing aircraft using the UK-designed non-steam EMCAT catapults.
In October 2010, the UK Government announced it would buy the F-35C, using a then-undecided CATOBAR system. A contract was signed in December 2011 with General Atomics of San Diego to develop EMALS for the Queen Elizabeth-class carriers. However, in May 2012, the UK Government reversed its decision after the projected costs rose to double the original estimate and delivery moved back to 2023, cancelling the F-35C option and reverting to its original decision to buy the STOVL F-35B.
United States
EMALS was designed for and into the Gerald R. Ford-class aircraft carrier. A proposal to retrofit it into Nimitz-class carriers was rejected. John Schank said, "The biggest problems facing the Nimitz class are the limited electrical power generation capability and the upgrade-driven increase in ship weight and erosion of the center-of-gravity margin needed to maintain ship stability.
(Wewb, Google, Focus, Wikipedia, You Tube)
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