都是電磁彈射，為啥中美航母差距那么大？

一個(gè)故障率頻發(fā)，以至于美國(guó)總統(tǒng)都要決定重返蒸汽彈射。

另一個(gè)彈射絲滑，殲35、空警600、殲15T三型艦載機(jī)，在福建艦順利彈射起飛。

簡(jiǎn)單來說，咱們的福建艦采用的是中壓直流+超級(jí)電容，而美國(guó)福特號(hào)用的是中壓交流+飛輪儲(chǔ)能。

那么，這條兩條技術(shù)路線有什么不同？

電磁彈射的本質(zhì)，是將航母的電能，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，靠的是航母鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽來推動(dòng)活塞，能量效率只有4%～6%。

而且每次彈射，都需要消耗數(shù)噸蒸汽，相當(dāng)于直接分流航母20%的動(dòng)力輸出，這導(dǎo)致艦載機(jī)滿載起飛時(shí)航母航速顯著下降。

而電磁彈射的能量效率可達(dá)60%以上，部分先進(jìn)系統(tǒng)甚至可達(dá)90%，但前提是儲(chǔ)能和釋放環(huán)節(jié)需要足夠高效。

美國(guó)福特號(hào)押注的是飛輪儲(chǔ)能。

所謂飛輪儲(chǔ)能，就是一種讓飛輪在真空中高速旋轉(zhuǎn)，將電能以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再通過發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換回電能的物理儲(chǔ)能技術(shù)。

據(jù)說，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)萬轉(zhuǎn)的速度下，軸承、密封和支撐結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生損壞。

美國(guó)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，單臺(tái)飛輪的平均無故障時(shí)間不足500小時(shí)，而航母全壽命周期內(nèi)需執(zhí)行數(shù)十萬次彈射任務(wù)。

這意味著飛輪需頻繁更換，幾乎無法滿足實(shí)戰(zhàn)需求。

這還沒完，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)在運(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)過山車”。

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

而美國(guó)人解決這個(gè)問題的方式，簡(jiǎn)單粗暴。

既然一個(gè)飛輪不行，那就放12個(gè)，每組儲(chǔ)存單元由4個(gè)大型飛輪發(fā)電，一共3組。

四條彈射器共享這12個(gè)飛輪，一旦其中一個(gè)飛輪發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)主電網(wǎng)的電壓和頻率劇烈波動(dòng)，彈射能力明顯下降。

而如果壞掉3個(gè)飛輪，彈射器則完全失效，2023年福特號(hào)在地中海部署時(shí)就發(fā)生過這樣的情況。

美國(guó)海軍測(cè)試顯示，“福特”號(hào)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”。

相比之下，中國(guó)福建艦采用的是中壓直流+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。

它通過電極與電解液界面的雙電層效應(yīng)來存儲(chǔ)電荷。

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)電容最大的特點(diǎn)，就是充放電時(shí)間特別短，幾乎是毫秒級(jí)響應(yīng)。

更關(guān)鍵的是，其充能循環(huán)僅需40秒，支持每分鐘3架戰(zhàn)機(jī)的高頻次彈射，單日最大出動(dòng)架次可達(dá)280架次，是福特號(hào)的3倍以上

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)百萬次充放電循環(huán)，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。

而且，充放電效率高達(dá)98%以上，幾乎沒有熱損耗。

再加上，中壓直流與超級(jí)電容，簡(jiǎn)直絕配。

這樣一來，無需頻繁進(jìn)行交直流變換，從而降低了干擾和能量損失。

即使一個(gè)電容模塊發(fā)生故障，其他模塊也能接管，確保了系統(tǒng)的整體可用性。

由于輸出的是直流電，不同容量、不同類型、甚至工作頻率不同的發(fā)電機(jī)組可以輕松地并聯(lián)在一起運(yùn)行，共同向航母電網(wǎng)供電。

既然超級(jí)電容+直流電的組合那么強(qiáng)，美國(guó)為何不采用？

原因之一，是他們的大功率逆變器技術(shù)還不成熟。

超級(jí)電容輸出的是直流電，但早期電磁彈射是基于交流驅(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元件的耐壓和通流能力不足，無法支撐兆瓦級(jí)的瞬時(shí)放電。

原因之二，他們當(dāng)時(shí)的超級(jí)電容能量密度太低。

2010年前后，商用超級(jí)電容的能量密度僅約5Wh/kg，軍用的更低。

相比之下，當(dāng)時(shí)飛輪的能量密度約50-100Wh/kg，是當(dāng)時(shí)唯一成熟的高功率密度儲(chǔ)能。

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，并認(rèn)為機(jī)械儲(chǔ)能的成熟度更高。

不過，他們還是低估了機(jī)械儲(chǔ)能的復(fù)雜性。

據(jù)說，福特號(hào)的交流電推進(jìn)系統(tǒng)為了兼容飛輪，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)失了向直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的窗口期。

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)。

2000年初，中國(guó)科學(xué)院和多家企業(yè)開始大規(guī)模投資，超級(jí)電容能量密度從早期的5-10Wh/kg逐步提升，到2010年中期突破20Wh/kg，甚至更高，全球60%的超級(jí)電容專利都在中國(guó)。

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。

至于中壓直流技術(shù)，就更不用說了。

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

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30萬次彈射試驗(yàn)，故障率低于0.2%，遠(yuǎn)低于美國(guó)福特號(hào)的16%。

客觀來講，美國(guó)是在超級(jí)電容不成熟時(shí)期就上馬了飛輪方案，改設(shè)計(jì)相當(dāng)于重做整艘航母的電力系統(tǒng)。

而中國(guó)雖然起步晚，但后發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯，直接利用新技術(shù)“彎道超車”。

隨著美國(guó)重返蒸汽彈射，在電彈這條技術(shù)路線上，全世界就看中國(guó)的發(fā)展了。