電磁式カタパルト

電磁式カタパルトまたは電磁カタパルトとは、リニアモーターによって航空母艦から固定翼機を発射するシステムである。

アメリカ海軍とイギリス海軍が共同開発したものはEMALSと呼ばれる。

1. 概要
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電磁力を使用して航空機を加速する。原理は1912年にEmile Bacheletによって考案された。

従来用いられてきた蒸気カタパルトを更新するものとしてアメリカを始め、イギリス、ロシア、中国、インドで開発が進められており、2022年時点でアメリカと中国が実機を製造、陸上基地でのテストを経て、それぞれの空母に搭載している。

アメリカ海軍とフランス海軍で使用される蒸気カタパルトは、非常に高い信頼性が証明されている。4条の蒸気カタパルトを搭載している空母は、少なくとも99.5%で1条が稼働できた。しかし、欠点もあり、射出エネルギー変換効率は4～6%。出力制御が困難で軽い無人機なのどの発艦に適さない問題もあった。 電磁カタパルトは設計上90%の変換効率を達成可能であり、正確な制御により、重戦闘機から軽無人機まで、多種多様な艦載機を発射することができるとされている。

2. 利点と欠点
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2.1. 利点
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航空機に与える加速度を、機種・兵装毎に適切にコントロールできるので無理な荷重を機体にかけない。
効率性が高く長寿命。
蒸気式で必要な蒸気発生装置・蒸気配管がいらないため、機器配置の制約がより少ない。
大気中に蒸気を放出しないため、海水から真水への淡水化の需要が低下する。

2.2. 欠点
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莫大な消費電力を賄える電源が必要。統合電気推進では高出力に比例した燃費の悪化とそれに起因した作戦行動の制限、運用コストの上昇も問題となる。また、原子力機関においても発電機の性能が十分でなければ運用できない。
開発費・製造費が高騰しており現状では高コストである。

3. 各国での状況
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2022年時点で、実際に空母で運用可能な状態なのはアメリカのEMALSのみであり、中国は空母へ艤装中、他は開発中またはアメリカより購入となっている。

3.1. アメリカ
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新たに設計されたアメリカ海軍のジェラルド・R・フォード級航空母艦で採用、少なくとも4番艦まで契約が行われている。電力設計の古く、発電能力の重きが低いニミッツ級では蒸気カタパルトからの改装は不可能とされており、最終艦の建造中に仕様を変更して搭載する案もあったが、開発が間に合わなかったため実際には行われなかった。

3.1.1. EMALS
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ゼネラル・アトミックスの開発した、世界で初めて運用可能となった電磁カタパルト。

2010年にレークハースト海軍基地に陸上試験機が設置、2015年に最初の船上試験を実施。2017年1月の時点で試験は99.5%を完了。7月にジェラルド・R・フォード甲板から第23航空試験評価飛行隊のF/A-18Fの発艦が行われた。2022年6月に艦上での10,000回目のカタパルト発艦を達成。10月にジェラルド・R・フォードの実戦配備が行われた。

リニアモーター、エネルギー貯蔵システム、電力変換システム、コントロールコンソールの4つの要素で構成でされる。

リニアモーター全長91メートル 。交流電力を使用して磁場を生成し、45,000キロ の航空機を時速240キロメートルまで加速させる。エネルギー貯蔵システム4基のフライホイール・バッテリー。通常は5205rpmで回転しており、発電機から45秒間の充電を受けて6400rpmに加速する。カタパルト作動時に各ローターは2～3秒間で最大121MJの電力を供給する。電力変換システムサイクロコンバーターにより、エネルギー貯蔵システムに蓄えられたエネルギーを適切な周波数と電圧に変換してリニアモーターに供給する。シャトル通過部分のみ通電するため、省電力化が図られている。コントロールコンソールカタパルト軌条上のホールセンサーで加速状況を監視し、電力供給量を調整する閉ループ制御を行う。確実な加速を提供でき、一定の牽引力を維持して発艦による機体ストレスを軽減する。

3.1.2. 批判
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2013年の故障間隔は、最も寛大な値としては240であった。

2014年1月のレポートによると、「信頼性向上の結果、最新の報告では失敗率の平均致命的故障間隔 Mean Cycles Between Critical Failureは、要求値より5倍高くなっている」とされる。2014年8月、海軍はレイクハースト試験場での3,017回目の試験実施を発表したが、この欠陥の更新については触れられなかった。海軍は、2014年12月までの改修完了を期待している。

試験環境下で、電磁式カタパルトでは、増槽を装備した戦闘機を射出できないことが判った。「海軍はこれらの問題に対する改修を行っているが、有人機でのテストは2017年に延期される」とされた。

2017年5月28日、ドナルド・トランプ大統領がタイム誌のインタビューで、1億ドルを超える経費を問題視した。 トランプ大統領のこの批判は、2018年国防白書で重く受けられ、実用化の高い要望と併せて、致命的失敗率が 海軍の要求値に対して9倍以上であるとされた。 2017年7月に、空母「ジェラルド・R・フォード」で洋上試験が無事に終了した

2019年5月28日、訪日中のトランプ大統領が「以降の空母に採用しない」旨を表明した。

3.2. イギリス
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クイーン・エリザベス級航空母艦の搭載機をF-35Cとし、CATOBAR空母とする際の電磁カタパルトを独自に開発していたが、後にアメリカとEMALSを共同開発することになった。さらに搭載予定機だったF-35Cの開発が大幅に遅れ、導入コストが当初の見積もりより倍に増加したことから、2012年5月に搭載機をF-35Bに再度変更、カタパルトの搭載自体が見送られることとなった。

2隻のクイーン・エリザベス級就役以降は無人機発艦用として、小規模の電磁カタパルト開発を模索している。

3.2.1. EMCAT
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"E"lectro "M"agnetic "Cat"apultの略。イギリス独自に開発を進めていた電磁カタパルト。試作品のMV ALIMは、時速186マイルまで加速、最大32トン、230kNを超える推力を発生させたとされる。

ジェーンがGEパワーコンバージョン海軍ディレクターのMark Dannattに行ったインタビューによると、2007年にリニアモーター、エネルギー貯蔵・制御システムの動作実証用の小規模のEMCATシステムが完成。システムの広範な試験は完了し、国防省の要請により、クイーン・エリザベス級でフルサイズの飛行機を発艦できるように開発が進められた。2009年7月20日に締結した高出力電気システムの設計・開発、デモンストレーションに関する650,000ポンドの契約に基づいた開発は、2010年7月26日の時点でほぼ完了。同年の10月にイギリス政府は、クイーン・エリザベス級の1隻にカタパルトを搭載してF-35Cを購入すると発表した。

しかし、2011年にイギリス政府がEMALSと先進型アレスティング・ギア開発の技術サポートを受けるためゼネラル・アトミクスと契約したことが、11月26日にDSCAにより公式に発表され、EMCAT開発が放棄されたことが示された。

EMKIT"E"lectro "M"agnetic "K"inetic "I"ntegrated "T"echnologyの略。EMCATの小型バージョンで、先行した2006年4月に開発契約が行われ、無人航空機の離陸での利用が想定されていた。最大11トンの航空機を毎秒50メートルに加速する。

3.3. 中国
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艤装中の3隻目の空母福建に3条の電磁カタパルトが搭載されている。通常動力空母であり、統合電気推進による最初の電磁カタパルト採用例となった。空母の他に、075型強襲揚陸艦の後継であるである076型強襲揚陸艦でも電磁カタパルト搭載が検討されている。

アメリカのEMALSとは技術的アプローチが異なっており、交流電力の代わりに、中電圧の直流電力システムを採用。エネルギー貯蔵システムもフライホイール・バッテリーからスーパー・キャパシターに変更されている。

3.3.1. 開発史
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中国は1990年代初めには蒸気カタパルトと電磁カタパルトの開発作業を行っていることをいくつかのメディアが指摘している。

2007年、大手防衛産業企業 L-3 コミュニケーションズの子会社PowerParagonのエンジニアで中国系アメリカ人チ・マクが、電磁カタパルトを含めた多くの技術を中華人民共和国に持ち出したとして起訴され、有罪判決を受けている。

2014年1月、中国は電磁カタパルトの試験設備を建設していると発表した。衛星写真で上海市閔行区に試験施設が建設されているのが確認された。

2015年9月上旬、艦載機訓練基地である黄村基地に新設された滑走路に電磁カタパルトと蒸気カタパルトと推測される施設の設置が開始された。11月に開催された中国国際工業博覧会では中国工程院による電磁式カタパルトの模型が公開された。

2016年6月20日、黄村基地の試験設備で大きな進展が見られたこと報告されている。10月17日の衛星写真で2つのカタパルトの背後にJ-15があり、中国フォーラムでカタパルト上のJ-15の画像が確認されたことから射出試験が行われたことが示唆されている。また、無人機がカタパルトの上に鎮座しているのも確認されている。

2022年6月17日、中国初の電磁カタパルト搭載空母福建が進水。

3.4. ロシア
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ロシア海軍は、「アドミラル・クズネツォフ」の後継となる将来空母で電磁カタパルトの装備を予定されており、2014年4月にネフスキー設計局総取締役セルゲイ・ウラソフ氏により開発が実施されていることが明かされている。

2022年9月、サキとエイスクのどちらかのニートカに電磁カタパルトの陸上試験機を建設、テストを行うことを発表した。

3.5. フランス
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フランス海軍は、計画中の新世代原子力空母で電磁カタパルトの装備を予定しており、アメリカよりEMALSの導入を決定。2021年12月にフランスへの販売が認証された。

3.6. インド
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インド海軍は、計画中の2隻目の国産空母ヴィシャルへの電磁カタパルト搭載を予定しており、アメリカに販売を要請。2017年10月にインドにEMALSを提供することが決まった。ヴィシャルでの原子力採用は見送られたため、中国の福建同様に統合電気推進での電磁カタパルト運用となる。

インドではEMALSの国内製造に関心を示しているほか、独自の電磁カタパルト開発も並行して行われている。

3.7. 韓国
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大韓民国海軍が計画しているCVXのプランとして、F-35Bの代わりに国産戦闘機KF-21の艦載機仕様KF-21Nを採用した際に、アメリカよりEMALSを導入してCATOBAR空母とする1案が出されている。

3.8. 日本
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日本では、川崎重工業が2023年3月15日〜17日の「DSEI Japan 2023」において、大容量ニッケル水素二次電池「ギガセル」を電磁式カタパルトに転用することができると展示した。

4. 出典
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5. 参考文献
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世界の空母 坂本明 文林堂 ISBN 4-89319-116-0

6. 関連項目
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リニアモーター
航空母艦 / 原子力空母
ジェラルド・R・フォード級航空母艦
マスドライバー

7. 外部リンク
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[1] //GlobalSecurity.org//