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胖福的小木屋:同样是电磁弹射,为什么中国福建舰航母要比美国先进?|2023-11-29

虽然福建舰航母还是采用了常规动力,但是它采用的一些技术,已经超越了美国,当之无愧的世界第一,比如电磁弹射技术。
根据中国军事专家尹卓的描述,福建号航母的电磁弹射技术已经超过了美国,美国的电磁弹射技术还存在许多没有解决的问题。
美国电磁弹射技术存在缺陷
美国电磁弹射存在很大的问题, 这不是我们说的,而是美国自己说的,根据美国国防部作战试验与鉴定局2021年的年度报告。首先就是故障率高,在8157次弹射中,平均无故障周期(MCBOMF)是272次,也就说平均每弹射272次就会出现一次故障,而福特级航母电磁弹射设计之初的故障概率是1/4000,从2010年起成功弹射F/A-18E开始到2018年,总共进行了700多次战斗机的正式弹射,遭遇了10次严重故障,其他问题导致的航母趴窝时有发生。
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除此之外,双波段雷达,无故障运行时间102个小时,也是低于设计要求的339个小时。截至2021年4月,福特航母服役五年总共弹射8100余次,平均每天不到5次。
中国采用中压直流方案
而中国研发的电磁弹射则解决了这些问题,中国采用了完全不同的技术方案,美国采用的是中压交流,而中国是中压直流,交变电流肯定会产生感应磁场,军舰拢共就那么大点地方,各种精密仪器之间非常紧凑,交流输电产生的电磁干扰就不能忽略了,对比而言,稳定的直流输电完全不用考虑这些问题。
除此之外,交流电网运行时需要控制电压的幅值、频率和相位,而直流电网只需要控制电压的幅值,不存在频率稳定/无功功率这些问题,运行方式更为灵活,供电可靠性更高,能承受更高的功率波动。
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除此之外,中压交流电路线,相比于中压直流电方案,多了逆变器等庞大的设备,整个设计变得更加复杂。这是什么意思呢?航母的弹射器要求在一两秒的时间内把几十吨的飞机从0加速到时速几百公里,对充放电速度的要求是非常高的。
整个电磁弹射技术的基本原理是什么呢?直线电机的固定部分通上电流后, 产生磁场,磁场在直线电机内导线上产生感应电动势,然后 产生电流。这样,在磁场内部的可以向前滑动的部分就会受 到电场力的作用,向前运动。
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所以电磁弹射系统主要包括直线电机、储能系统、控制系统和电力电子系统等。其中,储能系统是在一定时间内从航母配电系统中获取并储存足够能量, 然后再在极短时间内释放。电力电子系统是用来控制脉冲放电, 从而控制直线电机。控制系统对各种信息进行综合处理, 保证各个装置正常运行。这些装置系统一起配合运行, 达到最佳的弹射效果。
美国储能方式太过于复杂
美国采用的是飞轮储能技术,电能驱动飞轮加速旋转储存能量,将电能转化为了内部旋转部分的动能。之后,由于飞轮悬浮在真空的容器中,所以它的转速几乎不下降。在放能时:快速旋转的飞轮带动发 电机发电,再经过转换器输出适合电路的电流、电压,这便完成由动能转化电能的过程,在该过程中飞轮的转速下降。 整个这部分的流程完成了电能高效储存, 和快速释放。
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对,你没看错,他们用的是机械势能储能这么储能方式,所以而美国的设计是这样的,是先用船上电网给交流发电机加速,当需要弹射的时候呢,停止供电,让这交流发电机开始开始发电,用这几台交流发电机发的电,去带动直线电机运转。
整套机械能储能的交流发电机非常复杂,也非常不可靠。而且整个过程还有巨大能量损失问题。
为此,美国给每套弹射器配了3个储能交流电机。理论上来说,是一个坏了,其他两个都可以继续工作,但现实就是一个坏了其他都不可以工作,这就是整个设计过于复杂冗余的原因,这也让整套设备的故障率变得更高。
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而中国则采用的是电容储能方式,它是利用电极 / 电解液界面电荷分离所形成的双电层,或借助电极表面快速的电化学反应所产生的法拉第“准电容”来实现能量储存 的储能装置,其能量密度 和比功率都高于一般储能装置,工作温度范围长、使用 寿命长且无污染。这样电容放电放出来的是直流电,而中国采用的是中压直流方案,一步到位,没有中间商赚差价,简单高效。
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事实上,电容储能中压直流方案整整领先美国一代,电磁弹射之父马伟明曾说,要领先就领先美国,这可不是开玩笑的,整个技术方案整整领先了美国10年。
事实上,美国的改进方案也是朝着中国的技术方向去的,他们的新设计方案,是把飞轮换成超级电容,这样就可以有效减重。但是电容放电放出来的是直流电,想要给交流电机用,中间就得加一个逆变器,这样一来体积重量又上去了。所以美国又把电机换成直流的,这样一来就能省去了这个逆变器。发现了没,美国人认为最优解的方案完美复刻中国的超级电容+直流电机方案么。
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总结
美国对于电磁弹射的研究开始于90年代,所以他们的设计思维可能还沿用了90年代的技术方案,这自然而然会存在一定的技术缺陷,事实上,中国得益于后发优势,在许多的领域上,都对美国形成了技术优势,所以我们不需要妄自菲薄。
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