都是電磁彈射，為啥中美差距那么大？

簡單來說，中國福建艦用的是中壓直流和超級電容，而美國福特號用的是交流電和飛輪儲能。

那么，它們有啥區(qū)別？

電磁彈射的本質，是將航母電網(wǎng)的電能，瞬間轉化為艦載機起飛所需的動能。

整個過程需要完成三個關鍵動作。

能量存儲、快速釋放、精準控制。

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

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

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

美國福特號押注的是飛輪儲能，而中國福建艦則另辟蹊徑，采用超級電容。

所謂飛輪儲能，原理是這樣的。

當航母電網(wǎng)有多余電力時，通過電動機將電能輸入高速旋轉的飛輪，將能量以動能形式儲存；

要彈射戰(zhàn)機時，飛輪帶動發(fā)電機反向運轉，將動能轉化為電能，通過逆變器輸送給電磁彈射軌道，從而實現(xiàn)彈射。

據(jù)說，福特號的電磁彈射，設計目標是每45秒彈射一架飛機，支持多種艦載機類型。

理論上，能將航母的日出動架次提升至160-270架，遠超尼米茲級的蒸汽彈射。

然而，理想很美好，現(xiàn)實很骨感。

由于飛輪內部是機械結構，在每分鐘數(shù)萬轉的速度下，軸承、密封和支撐結構很容易產(chǎn)生損壞。

美國測試數(shù)據(jù)顯示，單臺飛輪的平均無故障時間不足500小時，而航母全壽命周期內需執(zhí)行數(shù)十萬次彈射任務。

這意味著飛輪需頻繁更換，幾乎無法滿足實戰(zhàn)需求。

這還沒完，飛輪儲能的能量效率損失大。

每次能量轉化，都會損失10%-15%的能量，導致整體效率僅約70%。

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

美國海軍曾報告，“福特”號的電磁彈射系統(tǒng)運行時，全艦電力系統(tǒng)電壓波動幅度高達±15%，導致雷達、導航設備頻繁報錯，被艦員戲稱為“電網(wǎng)過山車”。

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

而美國人解決這個問題的方式，非常的簡單粗暴。

既然一個飛輪不行，那就直接上四個飛輪。

這種“多部件并聯(lián)”設計，看似提高了容量，實則埋下致命隱患。

其中最致命的是，如果一個飛輪的軸承出問題，整個彈射軌道就可能停擺。

美國海軍測試顯示，“福特”號的EMALS平均每彈射272次就需維修，單次維修耗時長達6個月，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，其實際可用彈射次數(shù)不足設計值的1/3，出動效率優(yōu)勢徹底淪為空談。

相比之下，中國福建艦的電磁彈射，采用的是中壓直流供電結合超級電容儲能。

所謂超級電容，本質上是一個高容量電容器。

它通過電極與電解液界面的雙電層效應來儲存電荷。

福建艦的中壓直流發(fā)電機，直接向超級電容組充電，儲存電能。

當要彈射戰(zhàn)機時，電容瞬間放電，提供高功率直流電驅動電磁線圈，從而實現(xiàn)戰(zhàn)機加速。

跟飛輪儲能相比，超級電容最大的優(yōu)點，就是充放電時間特別短，幾乎是毫秒級響應。

更厲害的是，充放電效率高達98%以上。

這意味著系統(tǒng)運行時不會產(chǎn)生過多熱量，避免了飛輪的發(fā)熱和冷卻難題。

此外，超級電容的耐用性和可靠性遠超飛輪。

它支持數(shù)百萬次充放電循環(huán)，而不會顯著退化，壽命可達10-20年，遠高于飛輪的機械壽命。

并且由于沒有旋轉部件，減少了振動和磨損風險，因此故障率極低。

再加上，中壓直流供電與超級電容，簡直絕配。

這樣一來，無需頻繁的進行交直流變換，從而降低了干擾和能量損失。

即使一個電容模塊故障，其他模塊也能接管，確保系統(tǒng)整體可用性。

難怪有人說，福建艦的電磁彈射的可靠性和出動率，遠高于美國福特號。

之前不怎么相信，現(xiàn)在看完原理后，恍然大悟。

既然超級電容那么強，美國為何不在“福特”號上采用？

原因也很簡單，他們搞不定兩大核心技術。

其一，大功率逆變器技術不成熟。

超級電容輸出的是直流電，但早期電磁彈射軌道設計基于交流驅動，需要配套高頻逆變器進行轉換。

但當時美國IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的耐壓和通流能力不足，無法支撐兆瓦級瞬時放電。

其二，超級電容的能量密度太低。

2010年前后，商用超級電容的能量密度僅約5Wh/kg。

若滿足“福特”號的彈射需求，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，美國選擇飛輪儲能，是權衡風險后的“保守”決定，認為機械儲能的成熟度更高。

不過，他們還是低估了機械儲能的復雜性。

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

更致命的是，美國錯失了向直流電力系統(tǒng)轉型的窗口期。

導致后續(xù)艦艇仍需沿用舊設計，升級難度極大。

而中國則不一樣。

早在上世紀80年代末，中國便啟動了電磁彈射預研。

與此同時，中國同步布局超級電容、中壓直流等技術。

進入21世紀，隨著納米技術的興起，中國在超級電容領域取得了關鍵進展。

2000年代初，中國科學院和多家企業(yè)開始大規(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，耐壓水平達到兆瓦級，能高效處理瞬時高功率需求。

至于中壓直接技術，就更不要說了。

中國高鐵、特高壓輸電，都為其積累了大量的經(jīng)驗。

當這些技術成熟后，中國將它們一結合，發(fā)揮出強大的效果。

據(jù)報道，2010年代末的陸基測試平臺，累計進行了超過30萬次彈射試驗，故障率低于0.2%，遠低于美國福特號的16%。

如此耀眼的成績，為后來的福建艦建造提供了堅實基礎。

所以說，福建艦除了不是核動力以外，其他方面都是全新設計。