电磁弹射的实现难度为什么那么大？

[白虎节堂]

说白了就是在大海上，用几秒钟时间，把几十吨重的战斗机像射石头子一样扔出去。

 

听起来简单，实际上这是人类工程学的极限挑战。为什么难？因为这不仅仅是造个电机，这是在跟能量、材料、控制算法这三座大山死磕。
先说最直观的，就是电。
常规航母的电力系统，主要是给雷达、生活设施供电，那是细水长流。电磁弹射需要的是洪峰。一架歼-15或者F-35，重量在30吨左右，要在2到3秒内，从静止加速到160节（约300公里/小时）的起飞速度。
根据动能公式E=1/2mv2，再加上各种摩擦力和空气阻力，弹射一次需要的能量至少是120兆焦耳往上。
这相当于30度电在0.1秒内瞬间放完。或者说，这一瞬间的功率需求高达几百兆瓦。这是什么量级？这足够点亮一座中型城市几分钟，但航母必须在几秒内把这股劲儿全砸在飞机上。
如果你家里同时开空调、冰箱、电视，电压可能会稍微降一点，灯泡闪一下。但在航母上，如果弹射器一工作，全舰电力被抽空，雷达黑屏、甚至灯光熄灭，那仗就不用打了。
所以，第一道坎就是储能。
电池不行，化学电池放电速度跟不上，会过热甚至爆炸。所以必须用超级电容或者飞轮储能。
美国人的福特号用的是飞轮储能，像个巨大的陀螺，转起来存能量。但这玩意儿机械结构复杂，磨损大，维护要命。
我们走的是中压直流+超级电容的路子。这是个神来之笔。超级电容没有机械转动部件，充放电是毫秒级的，像照相机的闪光灯一样，瞬间爆发极强。
我们的能量转化效率达到了92%，而美国的交流系统只有60%左右。这意味着什么？意味着美国人为了弹射一架飞机，要浪费掉接近一半的能量去发热、去损耗设备。我们几乎把每一度电都变成了推力。
这就是为什么福建舰作为一艘常规动力航母（不是核动力），居然能撑起电磁弹射。因为我们的中压直流系统效率太高了，对电网冲击小，不需要核动力那种近乎无限的功率冗余，常规动力攒几秒钟电，照样能把重弹扔出去。
弹射器的核心是直线电动机。
你可以把它想象成把普通的圆形电机切开，铺平。定子是轨道，转子是滑块。通电后，磁场推动滑块在轨道上狂奔。
但这玩意儿有个致命问题，加速度不均匀。
如果推力控制不好，飞机刚开始猛地一拽，后面没劲了，或者中间卡顿一下，轻则飞机前起落架折断，重则飞行员脊椎受损甚至坠海。
这就需要极其精准的控制算法。
美国福特号为什么故障率高？因为他们的交流电系统控制精度不够，容易出现推力波动。就像你开车，一脚油门一脚刹车，坐车的人能不晕吗？
我们的中压直流系统，电流方向和大小控制是毫秒级的。我们可以根据风速、飞机重量、甚至海浪的颠簸，实时调整每一毫秒的推力。
福特号的故障率大约是1/400，也就是每弹射400次就要趴窝一次。福建舰的测试数据是1/3200，甚至在陆地测试中做到了1500次无故障。
这意味着我们的系统可靠性比美国高了一个数量级。在实战中，这就是我能飞，你不能飞的区别。
还有材料学的难点。滑块在轨道里以几百公里的时速摩擦，还要承载几十吨的推力。普通的金属轨道，几发弹下来就报废了。
我们必须搞定电磁轨道的抗磨损技术和瞬时散热。几百兆焦耳的能量，不可能100%转化成动能，哪怕只有5%变成热能，也足以把轨道融化。所以冷却系统必须是顶级的，甚至涉及到了新型合金材料的应用。
现在的局面很残酷，全球只有中美两家真正玩转了电磁弹射。英国法国还在用蒸汽弹射或者滑跃甲板，俄罗斯还在PPT上画饼。为什么？
因为这不仅仅是造船技术，这是全工业体系的考试。

 

俄罗斯不是不想搞，是搞不起，也造不出。苏联解体后，俄罗斯失去了尼古拉耶夫造船厂（在乌克兰），大型舰船的建造能力直接断崖。更重要的是，电磁弹射需要顶级的电力电子技术、新材料技术、超精密加工。俄罗斯现在的电子工业水平，连民用芯片都要进口，你让他搞控制精度要求极高的中压直流变电站？这是强人所难。加上没钱，俄罗斯只能守着核武器吃老本，航母这种吞金兽的项目，自然就被无限期搁置了。
美国起步比我们早，钱比我们多，但他们选了一条难走的路——中压交流。他们觉得交流电传输成熟，但忽略了交流电在频繁变向、变频时的巨大损耗和控制滞后。这就导致福特号虽然顶着全球最先进的帽子，却经常因为弹射器故障回港修炉子。美国海军自己都承认，这套系统要到2030年才能真正成熟。
我们之所以能成，核心在于马伟明院士团队的全电动力理论。我们没有沿着美国的老路走，而是直接跳过了交流电，上了中压直流。这需要极强的胆识。因为直流电的变流站极其复杂，断路器一旦拉不开，就是全舰断电。但我们攻克了高压大容量IGBT模块和直流断路器这些卡脖子技术。一旦搞定，就是通吃。不仅弹射器好用，全舰的电力分配也活了。雷达、激光武器、电磁炮，以后想装什么装什么，因为我们有一个取之不尽用之不竭的能量水库。