随着福建舰的下,中国第一艘电磁弹射航空母舰投入使用。那么福建舰到底牛在哪呢?本文将带你揭开它的神秘面纱。

弹射技术革命:蒸汽弹射VS 电磁弹射

舰面起飞技术主要分四种。滑跑起飞、液压弹射、蒸汽弹射和电磁弹射。

蒸汽弹射器最早是由英国研发而成的[1]。1950 年 8 月,英国海军航空兵预备队司令米切尔研制出原型机,后来由美国将其技术发展成熟。

蒸汽弹射原理是活塞运动,就是通过高温高压的蒸汽推动滑块,带动推动飞机起飞。原理和过程类似于使劲摇碳酸饮料后,瓶盖受迫弹出。

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图1(知乎):电磁发射系统示意图

但是蒸汽弹射器存在明显的缺点[1]。如能量利用率低、维护成本太高以及弹射功率过大等等。相比之下,电磁弹射技术则更胜一筹[2]。

电磁弹射技术具有更广泛的使用范围、更高的耐用性、更少的维护成本、更高的能量利用率以及对辅助系统的需求弱化等特点。这些优势都让它应用在军舰设备上后,体现出更强的作战能力和使用寿命。

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图2(原创):蒸汽弹射和电磁弹射性能对比[4]

电磁弹射:更便捷、更高效、更经济

电磁弹射其实不是一个新概念。

早在1978 年,澳大利亚的马歇尔就实现了电磁弹射聚碳酸脂弹丸,初速度可达5.9km/s [3]。2013 年,美军“福特号”下水,这是全球第一台配备电磁弹射系统的航母。2022 年,“福建舰”下水,这是第一艘配备电磁弹射系统中国航母。

电磁弹射的原理是什么呢[4]?

电磁弹射的原理和磁悬浮列车是一样的,它的动力来源是直线电动机。它通过稳定输入电流,产生电磁场和电磁推力,推动滑块,滑块带动舰载机加速,如图三所示。由于电磁驱动力与电流的平方成正比,只要保证电路输入,便可以保证高速度。

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图三(原创):电磁弹射原理简化图

从原理上我们能很容易看出电磁弹射的优势在哪里。

可控性好,可靠性高。相比于难控制甚至容易失控的蒸汽动力,电力系统显然更加稳定且容易调控。电磁弹射系统既能弹射重达30t级别的重型飞机,也能弹射数百千克的无人机,提高了航母的作业能力。

质量轻,效率高,成为了电磁弹射的另一大优势。据估计,这种电磁弹射器的重量只有现役的蒸汽弹射器的十分之一。相比于电磁弹射系统60%的效率,蒸汽弹射率 仅有的6%的效率,可谓是小巫见大巫了。

成本低,更经济。电磁弹射系统主要配备的是固态电力电子元件,加上完善的容错技术,大大提高了可靠性。除此之外,自动化程度高,降低了不必要的人员损耗,大大压缩了人员和材料成本以及维护费用。维护人员数据参考美国,“尼米兹级”的蒸汽弹射需要 500 人左右,而“福特级”只需要 350 人左右[4,5]。

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图4(新浪网):2022 年,“福建舰“下水

福建舰的电磁弹射厉害在哪

单纯说福建舰看不出优势,我们拿它和美军“福特号”进行对比看看。“福特号”采用的是中压交流电力系统。而“福建舰”采用的是一系列全新的集成系统,核心电力系统是最早由马伟明院士团队所研发的中压直流电力系统[6,7]。

中压交流电和中压直流电,显然在于电流类型的不同。

交流电的优势在于,成本低和技术难度低。但是缺点也很明显——能量浪费高、高负载失效问题、电力利用效率低等等。这也是福特号没有解决的问题之一,面对大重量负荷时,系统容易出现失效,让福特号的实战能力大打折扣[6]。

直流电则不一样,传输稳定,能量利用率高。交流电在变压时存在无用功损失,而直流电没有,因此交流电的效率低于直流电是必然的。除此之外,直流电体系下的电流传输可靠性高、能量爆发值高,因此非常适合用于高能武器和耗电量高的设备[7]。

问题的关键是,直流电技术难度大,例如,直流断路器的研发[8],控制策略的设计、储能技术和芯片研发等等。

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图5(知乎@舌战群诸葛):船舶中直流电力系统

“福建舰”厉害就厉害在,它是世界第一艘配备船舶中直流电力系统的航空母舰[9],取代了交流电系统,为船舶供电系统和动力系统注入了新鲜血液,全方位提高了稳定性和作战能力。

除了主要系统的区别,福建舰还有哪些亮点?

首先,它采用了高性能的 Mn18Cr18N 钢。它属于高氮奥氏体不锈钢,最大特点就是无磁性,使得它在强磁场环境下不发生变形。锰的作用是提高钢材的强度;铬的作用是提升钢材强度、抗腐蚀能力、改善氮在钢材中的溶解分布;氮可以大大地提高钢材的强度和耐腐蚀性。相比于之前所用材料,氮含量提高,极大地提高了系统的稳定性[10]。

其次,福建舰满载排水量为 8 万余吨,超过目前世界上所有常规动力航母。

最后,福建舰配置了阻拦系统和回收系统[11]。这是全世界最前沿的技术之一,“福特号“虽然也配备了这项技术,但是由于阻拦系统故障频发,稳定性差,直到现在也不具备作战能力。

作为中国第一艘平直甲板的大型航母,“福建舰“只是一个开始。未来还有很多技术难题有待攻破,还有更多性能有待改进。但是,我们相信中国航母的未来——若你决定灿烂,山无遮,海无拦!