福建艦電磁彈射五代機！連美國航母都做不到，到底有多厲害？
9月22日，我國海軍宣佈，殲-15T、殲-35和空警-600三型艦載機，已於此前成功完成在福建艦上的首次彈射起飛和着艦訓練。
這標誌着福建艦具備了電磁彈射和回收能力，能讓艦載機在裝滿油掛滿彈的情況下短距起飛、快速出動，作戰半徑與效率得到極大拓展。
殲-15T艦載戰鬥機從福建艦上電磁彈射起飛丨新華社/李唐
殲-35艦載戰鬥機從福建艦上電磁彈射起飛丨新華社/李唐
空警-600艦載預警機在福建艦阻攔着艦丨新華社/李唐
讓我們先爲後半段鼓掌歡呼！
然後回到前半段：電磁彈射是啥東西？爲啥這麼厲害啊？
飛機越來越重，起飛越來越難
航母是搭載艦載機的軍艦，相當於海上的移動機場。
我們都知道，飛機起飛前需要先滑行加速一陣才能上天，早期的艦載機也是如此。那時的艦載機功能簡單、結構簡單、重量也輕，一百多米甚至幾十米的甲板已經夠它滑行加速起飛了。
早期航空母艦的代表暴怒號丨wikimedia commons/Ernest Brooks
但隨着戰爭需求的變化，艦載機不斷升級，重量也從幾噸變成了幾十噸，短短几百米的跑道就不夠起飛用了。
於是人們想了很多辦法，比如讓甲板頭部上揚、讓航母在起飛時逆風行駛等等。
讓甲板翹起來，可以給飛機一個起飛的助力丨wikimedia commons/PH3 (AC) Stephen L. Batiz, USN
如今，效果最好並被廣泛接受的方法是蒸汽彈射：把蒸汽壓力轉換成對飛機的推力，把飛機高速地彈飛出去。
美國尼米茲號航母上的蒸汽彈射起飛丨wikimedia commons/Robert Scoble
聽起來簡單有效，實際上這套彈射系統真的很龐大，包括起飛系統、蒸汽系統、歸位系統、液壓系統等等，光是儲存蒸汽的壓力罐就有60000萬升左右，這對於寸土寸金的海上機場來說確實太佔地方、也太佔用維護精力了。
一種蒸汽彈射系統的示意圖，不用細看，感受就行丨Cascallana J G. Thermodynamic analysis of the C-13-1 steam catapult for aircraft launching from an aircraft carrier[J]. Técnica Industrial, 2023, 335: 54-67.
而且蒸汽彈射還有個要命的地方，那就是效率低。如果遇到緊急情況需要立刻彈射多架艦載機，需要先燒水等蒸汽，彈完幾架蒸汽就不太夠了，得再燒水等蒸汽蓄滿，這樣一來艦載機的出動速度就被拖慢了。
除此以外，蒸汽彈射還有彈射力不夠精確的問題，畢竟蒸汽量多一點少一點很難完全把控，要是趕上艦載機更新換代，彈射系統可能就不那麼適配了。
那彈射艦載機，可不可以用更輕盈、更快捷、更精準的電來實現呢？
用電？說來容易，做起來太難
用電來產生動力，聽起來很簡單，只需要按一個開關，電動機啓動，豆漿機、電風扇、電動車就能開始運轉。
但這事兒放在航母彈飛機上，事情就沒那麼簡單了。
先說彈射部分。
電磁彈射，用電代替蒸汽把飛機彈出去，本質上是一種特殊的電動機。回憶一下中學物理，裏面講到電動機最基本的結構，是有個能轉動的轉子，還有個不轉動的定子。通電後，轉子在定子產生的電磁力作用下旋轉，就把電能轉換成了機械能。
1827年的電動機，通電後能轉起來，沒啥實際用處，就是展示最簡單的電動機結構和原理丨jedliktarsasag.hu
如果把定子和轉子展開、鋪平，轉子的運動軌跡就會從旋轉變成沿着定子直線運動。把轉子掛在飛機上，這就是航母電磁彈射系統的彈射部分。
轉子圍繞定子轉，把電能變成扭力和旋轉的機械能；把定子和轉子鋪平展開，把電能變成線性的機械能，可以做磁懸浮列車和粒子加速器，也可以做過山車丨Schnibbi678
真正難倒全世界的，是彈射系統背後的電力系統，甚至可以說是整個艦船的電力系統。
第一個問題就是供電。
與接通了電網的家用電器不同，航母彈射艦載機的電、乃至整艘航母的用電，都得靠自己來。我國的福建艦有四臺汽輪機供電，總功率爲190兆瓦，但一次彈射就需要60兆瓦到100兆瓦，相當於幾千個家庭同時用電的總和。
不慌，可以提前多發電嘛，把這些電存起來等彈射的時候用。
那就遇到了第二個問題，存起來的電，能瞬間釋放嗎？
電磁彈射需要在幾毫秒內達到接近100兆瓦的功率並持續兩三秒，才能讓30多噸的飛機在3秒內加速到時速280公里，這對儲能裝置的快速放電能力有很高的要求。
有多高呢？因爲充電和放電的速度上限是一樣的，我們可以類比一下之前火熱的比亞迪兆瓦閃充，其最高充電倍率達到了10C *，也就是6分鐘能做到完全充滿電。而電磁彈射需要的充放電速度，要比它還要快5到10倍纔行，這種技術要是放到電動汽車上，只需要一分鐘就可以充滿電。*充電倍率（C-rate）是指電池在規定時間內充放其額定容量時所需要的電流大小的比率，通常以字母C表示。
“兆瓦閃充”已經是領先的技術，航母電磁彈射的需要比它還要高5到10倍丨北京日報
光保障彈射系統用電不行啊，航母上其他地方也要用電呢！
這就需要把一整套電力系統搬到船上去，而它的用電量又幾乎和一個小縣城相當，這項技術可就不是一般人能做到的了。要知道，二戰時期保時捷光是把一套電力系統搬到坦克上，都是廢了九牛二虎之力而沒有成功。
這些難題堆在一起，使世界上目前只有中國和美國掌握了製造電磁彈射系統的技術。
我國的電磁彈射，真有點東西
航母的電磁彈射技術並不是很新的東西，早在2013年美國就把它裝在了福特級核動力航母上。
福特級首艦福特號丨wikimedia commons/U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 2nd Class Ridge Leoni
但我們這幾天試驗成功的電磁彈射系統和美國技術相比，還是有後來者居上的氣勢：
從可靠性上來看，我國的電磁彈射系統經歷4000多次試驗均無意外，遠高於美國平均240次彈射就發生故障的水平；
從能耗上來看，我國用功率較小的常規動力就實現了大功率核動力航母才能辦到的事，打破了人們的固有認知。
與具備了電磁彈射能力的福特級核動力航母不同，福建艦採用的是常規動力丨CCTV
其中原因有很多，不展開說了，但有一點創新值得拿出來細細聊聊。
電力系統該用直流還是交流，100多年前就在爭論，最終交流電因爲在當時技術條件下方便升壓、可以遠距離輸電這一巨大優勢取勝，成爲了全球電力系統的主流。
不過直流電也只是輸在了這一點上，直流電的效率、響應速度、可靠性、電能質量、輸出穩定性等優勢，是交流電難以比擬的。
美國由於先發原因，受到了直流技術不成熟的限制，尾大不掉，在交流系統上越走越遠；而我國則有一定的後發優勢，在電磁彈射技術（或者說大功率船電系統）上，另闢蹊徑地採用了中壓直流綜合電力系統，從根本上佔據了獨特的優勢。
捨棄交流電、採用直流電，不僅是對傳統理念的突破，更是我們漫長的、繁多的科技創新孕育出的結果，這背後是發電機、大功率電力電子器件、直流斷路器、超高功率儲能等等技術的發展和領先。
電磁彈射之後的故事
航母實現電磁彈射，意味着我們的航母能更快更穩地出動不同的機型，使航母的作戰能力和範圍得到明顯的提升。
但意義不僅於此。
電磁彈射技術中誕生的中壓直流電力系統，也有望用在我們的電磁炮、高功率激光武器、相控陣雷達這些“電老虎”上，使體積較小的艦船、裝甲車上也能裝備；而在民用領域，新技術則可以更好地提高微電網新能源佔比，也爲電器、汽車瞬間充電提供了技術基礎，再也不用等待充電的未來，你能想象嗎？
作者：藍巾
編輯：李小葵
題圖來源：新華社
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