都是電磁彈射，為啥中美差距那么大？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，中國(guó)福建艦用的是中壓直流和超級(jí)電容，而美國(guó)福特號(hào)用的是交流電和飛輪儲(chǔ)能。

那么，它們有啥區(qū)別？

電磁彈射的本質(zhì)，是將航母電網(wǎng)的電能，瞬間轉(zhuǎn)化為艦載機(jī)起飛所需的動(dòng)能。

整個(gè)過(guò)程需要完成三個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作。

能量存儲(chǔ)、快速釋放、精準(zhǔn)控制。

其中，“能量存儲(chǔ)與釋放”的方式，直接決定了系統(tǒng)的效率、可靠性和維護(hù)成本。

傳統(tǒng)蒸汽彈射，靠的是鍋爐燒水產(chǎn)生高壓蒸汽推動(dòng)活塞，能量轉(zhuǎn)化率僅約5%；

而電磁彈射理論上可達(dá)60%以上，但前提是儲(chǔ)能和釋放環(huán)節(jié)足夠高效。

美國(guó)福特號(hào)押注的是飛輪儲(chǔ)能，而中國(guó)福建艦則另辟蹊徑，采用超級(jí)電容。

所謂飛輪儲(chǔ)能，原理是這樣的。

當(dāng)航母電網(wǎng)有多余電力時(shí)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)將電能輸入高速旋轉(zhuǎn)的飛輪，將能量以動(dòng)能形式儲(chǔ)存；

要彈射戰(zhàn)機(jī)時(shí)，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)逆變器輸送給電磁彈射軌道，從而實(shí)現(xiàn)彈射。

據(jù)說(shuō)，福特號(hào)的電磁彈射，設(shè)計(jì)目標(biāo)是每45秒彈射一架飛機(jī)，支持多種艦載機(jī)類型。

理論上，能將航母的日出動(dòng)架次提升至160-270架，遠(yuǎn)超尼米茲級(jí)的蒸汽彈射。

然而，理想很美好，現(xiàn)實(shí)很骨感。

由于飛輪內(nèi)部是機(jī)械結(jié)構(gòu)，在每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的速度下，軸承、密封和支撐結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生損壞。

美國(guó)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，單臺(tái)飛輪的平均無(wú)故障時(shí)間不足500小時(shí)，而航母全壽命周期內(nèi)需執(zhí)行數(shù)十萬(wàn)次彈射任務(wù)。

這意味著飛輪需頻繁更換，幾乎無(wú)法滿足實(shí)戰(zhàn)需求。

這還沒(méi)完，飛輪儲(chǔ)能的能量效率損失大。

每次能量轉(zhuǎn)化，都會(huì)損失10%-15%的能量，導(dǎo)致整體效率僅約70%。

更麻煩的是，飛輪釋放能量時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的反向電流波動(dòng)，可能干擾航母電網(wǎng)的穩(wěn)定。

美國(guó)海軍曾報(bào)告，“福特”號(hào)的電磁彈射系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，全艦電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)幅度高達(dá)±15%，導(dǎo)致雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)備頻繁報(bào)錯(cuò)，被艦員戲稱為“電網(wǎng)過(guò)山車”。

這種電磁干擾，甚至可能影響艦載機(jī)電子系統(tǒng)，形成“自己坑自己”的惡性循環(huán)。

而美國(guó)人解決這個(gè)問(wèn)題的方式，非常的簡(jiǎn)單粗暴。

既然一個(gè)飛輪不行，那就直接上四個(gè)飛輪。

這種“多部件并聯(lián)”設(shè)計(jì)，看似提高了容量，實(shí)則埋下致命隱患。

其中最致命的是，如果一個(gè)飛輪的軸承出問(wèn)題，整個(gè)彈射軌道就可能停擺。

美國(guó)海軍測(cè)試顯示，“福特”號(hào)的EMALS平均每彈射272次就需維修，單次維修耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，幾乎等同于“打兩仗修半年”。

更諷刺的是，由于系統(tǒng)可靠性太差，其實(shí)際可用彈射次數(shù)不足設(shè)計(jì)值的1/3，出動(dòng)效率優(yōu)勢(shì)徹底淪為空談。

相比之下，中國(guó)福建艦的電磁彈射，采用的是中壓直流供電結(jié)合超級(jí)電容儲(chǔ)能。

所謂超級(jí)電容，本質(zhì)上是一個(gè)高容量電容器。

它通過(guò)電極與電解液界面的雙電層效應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電荷。

福建艦的中壓直流發(fā)電機(jī)，直接向超級(jí)電容組充電，儲(chǔ)存電能。

當(dāng)要彈射戰(zhàn)機(jī)時(shí)，電容瞬間放電，提供高功率直流電驅(qū)動(dòng)電磁線圈，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)加速。

跟飛輪儲(chǔ)能相比，超級(jí)電容最大的優(yōu)點(diǎn)，就是充放電時(shí)間特別短，幾乎是毫秒級(jí)響應(yīng)。

更厲害的是，充放電效率高達(dá)98%以上。

這意味著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多熱量，避免了飛輪的發(fā)熱和冷卻難題。

此外，超級(jí)電容的耐用性和可靠性遠(yuǎn)超飛輪。

它支持?jǐn)?shù)百萬(wàn)次充放電循環(huán)，而不會(huì)顯著退化，壽命可達(dá)10-20年，遠(yuǎn)高于飛輪的機(jī)械壽命。

并且由于沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，減少了振動(dòng)和磨損風(fēng)險(xiǎn)，因此故障率極低。

再加上，中壓直流供電與超級(jí)電容，簡(jiǎn)直絕配。

這樣一來(lái)，無(wú)需頻繁的進(jìn)行交直流變換，從而降低了干擾和能量損失。

即使一個(gè)電容模塊故障，其他模塊也能接管，確保系統(tǒng)整體可用性。

難怪有人說(shuō)，福建艦的電磁彈射的可靠性和出動(dòng)率，遠(yuǎn)高于美國(guó)福特號(hào)。

之前不怎么相信，現(xiàn)在看完原理后，恍然大悟。

既然超級(jí)電容那么強(qiáng)，美國(guó)為何不在“福特”號(hào)上采用？

原因也很簡(jiǎn)單，他們搞不定兩大核心技術(shù)。

其一，大功率逆變器技術(shù)不成熟。

超級(jí)電容輸出的是直流電，但早期電磁彈射軌道設(shè)計(jì)基于交流驅(qū)動(dòng)，需要配套高頻逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

但當(dāng)時(shí)美國(guó)IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的耐壓和通流能力不足，無(wú)法支撐兆瓦級(jí)瞬時(shí)放電。

其二，超級(jí)電容的能量密度太低。

2010年前后，商用超級(jí)電容的能量密度僅約5Wh/kg。

若滿足“福特”號(hào)的彈射需求，需要安裝數(shù)千噸電容，必然占用大量的甲板空間。

相比之下，飛輪的能量密度更高，約50-100Wh/kg，體積更緊湊。

因此，美國(guó)選擇飛輪儲(chǔ)能，是權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)后的“保守”決定，認(rèn)為機(jī)械儲(chǔ)能的成熟度更高。

不過(guò)，他們還是低估了機(jī)械儲(chǔ)能的復(fù)雜性。

據(jù)說(shuō)，福特號(hào)的交流電推進(jìn)系統(tǒng)為兼容飛輪，保留了大量冗余設(shè)備，比如變壓器和整流器，后期改造為直流系統(tǒng)的成本已相當(dāng)于新建一艘航母。

更致命的是，美國(guó)錯(cuò)失了向直流電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的窗口期。

導(dǎo)致后續(xù)艦艇仍需沿用舊設(shè)計(jì)，升級(jí)難度極大。

而中國(guó)則不一樣。

早在上世紀(jì)80年代末，中國(guó)便啟動(dòng)了電磁彈射預(yù)研。

與此同時(shí)，中國(guó)同步布局超級(jí)電容、中壓直流等技術(shù)。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著納米技術(shù)的興起，中國(guó)在超級(jí)電容領(lǐng)域取得了關(guān)鍵進(jìn)展。

2000年代初，中國(guó)科學(xué)院和多家企業(yè)開(kāi)始大規(guī)模投資，能量密度從早期的5-10Wh/kg逐步提升，到2010年代中期突破20Wh/kg，甚至更高。

而作為電磁彈射系統(tǒng)中高頻逆變器的核心-IGBT元件，到2020年前后，耐壓水平達(dá)到兆瓦級(jí)，能高效處理瞬時(shí)高功率需求。

至于中壓直接技術(shù)，就更不要說(shuō)了。

中國(guó)高鐵、特高壓輸電，都為其積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。

當(dāng)這些技術(shù)成熟后，中國(guó)將它們一結(jié)合，發(fā)揮出強(qiáng)大的效果。

據(jù)報(bào)道，2010年代末的陸基測(cè)試平臺(tái)，累計(jì)進(jìn)行了超過(guò)30萬(wàn)次彈射試驗(yàn)，故障率低于0.2%，遠(yuǎn)低于美國(guó)福特號(hào)的16%。

如此耀眼的成績(jī)，為后來(lái)的福建艦建造提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

所以說(shuō)，福建艦除了不是核動(dòng)力以外，其他方面都是全新設(shè)計(jì)。