(Ne)očekávaná aplikace výzkumu fúze: katapult na letadlové lodi

Vždy jsem si myslel, že vojenské ambice řízené termojaderné fúze jsou dávnou minulostí studené války, kdy se mocnosti předháněly ve vývoji vodíkových pum. Rok 2011 mě vyléčil z mé naivity. Tehdy začal výzkum elektromagnetické katapultáže stíhaček z letadlových lodí. V květnu 2017 se americký prezident Trump pozastavoval nad dlouhotrvajícím a bezvýsledným výzkumem, ale už 28. července poznal, že se mýlil. Pomocí elektromagnetického katapultu EMALS odstartoval první pilotovaný Hornet z paluby letadlové lodi USS Gerald R Ford. Vedlejší výsledek výzkumu jaderné fúze a přípravy tokamaku ITER.

Americká společnost General Atomic vyrábí „tepající srdce tokamaku ITER“, elektromagnet nazývaný centrální solenoid (CS), který je tak veliký a výkonný, že celková energie v něm uložená je často v infografikách vykreslována jako schopnost zdvihnout letadlovou loď. (CS je složen ze šesti autonomně napájených sekcí a je schopen měnit režimy indukce elektrického proudu v plazmatu tak, že se mluví o magnetickém baletu.) Ale General Atomic toho ví o letadlové lodi víc: významný vedlejší výrobek jeho výzkumu přesného sekvenčního řízení buzení magnetů CS je totiž EMALS – Electromagnetic Aircraft Launch System (Elektromagnetický systém vystřelování letadel).

Co to je EMALS?

EMALS je skutečně revoluční vylepšení umožňující nahradit parní katapult, který se ke startování letadel z palub letadlových lodí plujících na moři používá již více než půl století. Po letech vývoje, funkčních předvádění a pozemských zkoušek, byl první systém EMALS instalován na nejnovější letadlové lodi amerického námořnictva USS Gerald R Ford (CVN-78). O nový systém katapultáže letadel projevily okamžitě zájem Indie, Čína a Spojené království.

Elektromagnetický katapult využívá stejný  princip, který pohání vlak Maglev. Základ zařízení EMALS tvoří lineární indukční motory. Motor tvoří řada pevných hliníkových desek tvořící „klouzající“ magnetické pole. Mezi deskami se pohybuje hliníkový plát se startovací kotvou. Potřebnou elektrickou energii vyrábějí dieselové generátory; ty roztáčejí čtyři setrvačníky, a ty akumulují energii ve formě kinetické energie. Jeden rotor dokáže při 6 400 otáčkách za minutu uložit až 121 MJ energie. „Vybití“ jednoho rotoru trvá 2 až 3 sekundy. Po vzlétnutí letadla elektrický proud v lineárním motoru otočí svůj směr a zastaví držák bez použití vodní brzdy. Moduly řídicí elektroniky EMALS jsou uloženy v kabinách pod palubou.

Výhody EMALS

EMALS používá nejsilnější lineární indukční motor, který byl kdy vyroben. Spočívá v tom, že vytváří „klouzající“ magnetické pole pohánějící vozík táhnoucí letadlo po startovací dráze. Dodávka elektrické energie používané ke katapultování letadla se automaticky mění podle rozměru, tvaru, hmotnosti a typu startujícího letadla, podle větrných podmínek na palubě, směru a rychlosti lodě. Dalšími výhodami systému EMALS jsou menší hmotnost a cena, jednodušší ovládání, menší nároky na údržbu a snížená spotřeba odsolené vody ve srovnání s parním katapultem. Hlavní výhodou je však mnohem plynulejší urychlování startujícího letadla a z toho plynoucí menší namáhání většiny jeho částí a tím i prodloužení životnosti drahého stroje.

EMALS vs COMPASS

Spotřeba elektrické energie v okamžiku startu letadla značně převyšuje standardní výkon, který je na letadlové lodi stále k dispozici. Tento problém se řeší stejně jako u tokamaků, které mají obdobný krátkodobý nárok vysoce překračující dostupný výkon veřejné sítě. Chvíli před startem letadla, stejně jako u tokamaku, se elektrická energie akumuluje do mechanické energie čtyř setrvačníků. Vlastním startem se roztočený (6400 ot./min.) setrvačník přibrzdí (5205 ot./min.); rozdíl mechanické energie před přibrzděním a po něm (121 MJ) se přemění na energii elektrickou. To trvá 2 až 3 sekundy, znovunabití setrvačníků cca 45 sekund. Srovnejme čísla pražského tokamaku COMPASS: standardní magnetické pole vyžaduje 1400 ot./min. zbržděných na 1200 ot./min (80 MJ). Relaxace energie trvá asi 5 sekund a znovunabití vyžaduje asi 4 minuty. Při maximu 1700 ot./min je v setrvačníku ukryto 120 MJ. Na generaci pole se použije jen část. Při plných otáčkách 1700 ot./min. je využitelná energie 45 MJ, což odpovídá přibrzdění o cca 350 ot./min.

Srovnání parního a elektromagnetického startování

EMALS je lehčí, vyžaduje méně prostoru, obsluha je jednodušší a stačí menší posádka. Navíc je spolehlivější při menší spotřebě energie. Parní katapulty mají podstatný problém v tom, že nelze regulovat plynule jejich výkon. V současné době je tak například start lehčích bezpilotních letadel z paluby letadlových lodí vyloučen. Nepříjemná je také velká hmotnost, velké nároky na energii i spotřeba čisté vody pro vývin páry. Rovněž rychlost pracovního taktu (připravenost k dalšímu startu) není ideální. Parní katapult potřeboval 610 kg páry na jeden start, vyžadoval rozsáhlé mechanické, pneumatické a hydraulické podsystémy. EMALS nepotřebuje žádnou páru, což je v souladu s plánem Navy na celoelektrické lodě. Ve srovnání s párou může EMALS řídit startovní výkon s větší přesností a dovolí obsloužit více typů letadel i co se týče různých hmotností. Každý ze 4 diskových alternátorů EMALS může dodat 121 MJ, tj. o 29 % více energie ve srovnání s párou, která poskytovala přibližně 95 MJ. EMALS bude také mnohem účinnější než parní katapult s jeho 5% účinností.

Vzpomeňme na „start“ vlaku taženého parní lokomotivou oproti elektrické. U prvního vám začátek vyhlídkové (jiné už u nás nenajdete) jízdy vyrazí zuby a dech, zatímco rozjezdu vlaku s elektrickou trakcí si pomalu ani nevšimnete.

General Atomics se chválí

Předběžné testy katapultu EMALS probíhaly na zemi. Zařízení „dostalo do vzduchu“ letouny E-2D Advanced Hawkeyes, F/A-18E/F Super Hornet, EA-18G Glower, C-2 Greyhound i námořní verzi F-35C Lightning II. Celkem proběhlo 452 startů. V rozhovoru pro India Strategic poznamenal R. Scott Forney III senior, Vice President společnosti Electromagnetic Systems Group, že EMALS je přímým důsledkem výzkumu fúze v General Atomic. „Smlouva na vývoj systému EMALS potvrdila, že General Atomics Electromagnetic Systems Group (GA-EMS) je firma světové třídy, co se týče vysokovýkonných, moderních řízených magnetických částí a systémů. Jsme schopni využít našich zkušeností při vytváření a řízení elektromagnetických polí získaných naší prací při výzkumu termonukleární fúze, lineárních motorů a elektromagnetických kanonů.“

Ostrý start byl úspěšný

28. července 2017 byl Lt. Cmdr. Jamie Struck z Air Test and Evaluation Squadron 23 (VX-23) prvním mužem, který byl katapultován systémem EMALS rychlostí 240 km/hod. Startoval z letadlové lodi USS Gerald R. Ford (CVN-78) ve stíhačce  F18/F Super Hornet o hmotnosti 45 000 kilogramů.

EMALS slouží jako příklad cenného vedlejšího výsledku („spinoff“) při výzkumu a vývoji, v tomto případě jaderné fúze. EMALS by nemohl být sestrojen bez odborníků General Atomics na řízení elektromagnetických polí. Ti získali zkušenosti během desítek let výzkumu jaderné fúze, včetně dohledu nad národním zařízením – tokamakem DIII-D, a nedávno také jako jeden z klíčových dodavatelů a partnerů projektu mezinárodního tokamaku  ITER.

Moje přání

Ve skrytu duše doufám, že EMALS bude jednou startovat letadla nesoucí místo raket třebas léky a potraviny lidem v nesnázích.

Video: Zkoušky katapultu EMALS na letadlové lodi USS Gerald R Ford na youtube: https://www.youtube.com/watch?v=jJNcCermTDw

Obrázky získány laskavostí U. S. Navy.