福特級電磁彈射致命缺陷?同樣是電彈:為何003要比美國更先進?

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6月17日,我國第三艘航母福建艦下水,這是我國完全自主設計建造的首艘彈射型航空母艦,采用平直通長飛行甲板,配置電磁彈射和阻攔裝置,滿載排水量達8萬餘噸。

電磁彈射和蒸汽彈射,到底哪個更優秀?

估計很多朋友會一臉懵逼地看著這個標題,畢竟電磁彈射是最先進的,很明顯就是電磁彈射更優秀不是嗎?有這個想法的朋友估計沒看過這樣一條新聞:

2019年6月份,美國時任總統特朗普在美軍駐日本橫須賀海軍基地發表講話時表示他將頒佈命令將航母上的電磁彈射器改為蒸汽彈射器。

是不是很讓人驚訝?這個新聞是真的,因為特朗普嫌電磁彈射投入的資金實在是太龐大瞭,連總統都覺得這玩意兒是個黑洞,再多的資金也要被吃掉,所以才有瞭改回蒸汽彈射的想法。

但事實上美軍對此也不是很滿意,其原因除瞭花費巨大的成本以外,美軍頻繁使用電磁彈射後發現比蒸汽彈射還不可靠,海軍曾表示,一旦在戰鬥中出現一個彈射器無法使用,有可能需要關閉全部4個彈射器才能進行維修,這在戰時不是要人命的事情嗎?

電彈真的不如蒸彈?

答案其實非常肯定,電彈一定優於蒸彈,因為與蒸彈的缺點實在是太明顯瞭,2019年6月4日,中國軍網上曾有一篇報道對比瞭蒸汽彈射與電磁彈射的優缺點,種花傢總結瞭下,大約有如下幾點:

1、蒸汽彈射器體積和重量實在太大,美軍最新的蒸汽彈射器全套體積達1100立方米,全重接近500噸;

2、蒸汽彈射器工作時要消耗大量蒸汽,假如以最高速度彈射(每分鐘2架),16分鐘後便會因為蒸汽壓力過低而無法繼續彈射,而且會消耗鍋爐20%的蒸汽導致航母的航速降低。

3、蒸汽彈射的彈射力量調節范圍太小,無法彈射較輕的無人機。瞬間爆發的推力太大,讓艦載機飛行員體驗非常差。

與之相比,電磁彈射則要優秀得多:

1、電磁彈射系統體積與重量可以大幅降低;

2、電彈可以隨著飛機大小以及起飛要求大范圍調節速度(50~200節),滿足2噸~70噸飛機彈射要求;

3、電彈加速平緩,對飛行員以及飛機沖擊都比較小,能大幅提升戰鬥機機身壽命;

盡管傳聞美軍的電磁彈射有些問題,但仍然要捏著鼻子用,畢竟積累經驗改進以生產改進型必須要有大量的數據,也許福特級航母的目的就在於此。

福特級航母的問題有多嚴重?

2020年6月8日,USNI News(美國海軍研究學會新聞網)報道稱,福特號航母的電磁彈射系統出現嚴重故障,導致航母在5天內無法彈射飛機,據海軍發言人丹尼·埃爾南德斯(Danny Hernandez)上尉表示:

“On June 2, the crew discovered a fault in the power handling system that connects the ship’s energy-generating turbines to the EMALS power system.”

6月2日,船員發現連接船舶發電渦輪機和EMALS電力系統的電力處理系統出現故障。

“The root cause of the initial fault is still being reviewed to determine the causal factors. The fault appeared in the power handling system during a manual reset of the system before flight operations”

在飛行操作前手動重置系統期間,動力處理系統出現瞭故障,目前仍在調查故障的根本原因。

在USNI發表新聞之前的6月7日,福特號航母的技術人員已解決瞭問題,已經恢復飛行。美軍的電磁彈射從2010年起成功彈射F/A-18E開始到2018年,總共進行瞭700多次戰鬥機的正式彈射(在試驗階段已經有2000多次無人彈射試驗),遭遇瞭10次嚴重故障,暴露瞭不少問題,可靠性還不如蒸汽彈射,特朗普聲稱要換掉電磁彈射器就是這個原因。

美軍的電磁彈射到底是有什麼問題?

電磁彈射器的存在也是將飛機加速到起飛速度,但它的原理和蒸汽彈射完全不一樣,兩者沒有繼承性,一般有如下5大機構組成:

1、超高功率的直線電機;2、超高功率的強迫儲能與輸出發電系統;3、彈射導軌及其冷卻系統;4、超高功率的變頻器與控制系統;5、電磁幹擾屏蔽系統;

電磁彈射的原理就是一臺直線電機,隻是它工作時需要將一架30多噸的飛機在2-3秒內加速到起飛速度,因此所需要的功率極大,福特號航母的4個彈射器的功率在30兆瓦/臺左右,但在彈射時峰值功率超過130MW。

如此變態的功率的要求無法使用航母的微型電網,它需要一個強大的儲能與發電裝置來實現,福特號航母的儲能裝置是飛輪儲能裝置,它的結構很簡單,一臺盤式發電機+一個巨大的飛輪,高速旋轉時將擁有強大的動能。

福特航母的每個彈射器都有3套總容量720兆焦的飛輪儲能系統,整個供電與儲能系統用的是中壓交流供電系統,在輸變電系統中交流電是一種很容易控制的電源,但在航母的全電推進系統中卻有一個難以彌補的問題,飛輪儲能可以發出交流電,但結構太復雜,機械能轉換損失能量大,超級電容儲能比較簡單,但電容儲存的是直流電,放電時需要轉換交流電!

據說美軍打算在後續的電彈系統中換成超級電容,但這樣一改,整個體系中就需要一道AC-DC-AC(充電時交流轉直流,放電時直流轉交流)的轉換,而我國技術路線則是直流系統,完全沒有這樣的麻煩事情。

據傳聞,美軍電磁彈射系統的部分問題也來自於這個中壓交流系統,問題集中在儲能和轉換系統上,令人費解的是其儲能和轉換系統還是四套彈射器共用,無法實現單臺電磁彈射系統的電氣隔離,這就是美軍在媒體上抱怨的要檢修就得四套同時停工才能維修的原因。

另一個問題則來自於變頻器與控制系統,這個超高功率額變頻器工作范圍很大,難度之高甚至超出瞭直線電機和飛輪儲能系統,它的工作時間僅有10~15秒,但熱功率耗散高達528千瓦,美軍對其的保密程度之高也是前所未有,比如像電機和儲能美軍都是大大方方有照片展示給媒體,而這套變頻控制系統卻沒有任何資料提供。

這套系統在美軍的電磁彈射系統中被稱為FADEC(全權限數字控制系統),根據彈射測試過程取得的數據,就各項條件做出判斷與控制的系統是其核心中的核心,據傳聞也有一部分問題來自於此。

當然還有一個問題則是重量與體積嚴重超標,因為散熱控制以及電磁屏蔽,因為彈射過程中多個結構都需要快速散熱,比如電機工作時的高溫以及導軌加速產生的巨大熱量,還有電機工作時極端電磁場,相當於一枚小型EMP(電磁脈沖彈)爆炸,需要將其屏蔽在甲板下,避免其影響戰鬥機航電系統。

福特號航母在增加瞭這些散熱結構和電磁屏蔽系統,以及儲能與轉換與控制系統後,電磁彈射系統的體積居然達到瞭1061.4立方米,和蒸汽彈射的1100立方米相差無幾,而重量則超過瞭630噸,已經秒殺蒸汽彈射。

不過更麻煩的是福特號一次上瞭電磁彈射、電磁攔阻以及電磁升降裝置,太多的先進設備組合可能並不是一件好事,而它遲遲未能部署正是說明瞭這個問題。2017年7月22日福特號就已經入役美國海軍大西洋艦隊!

但一直到2022年4月5日,福特號航空母艦的項目經理梅特卡夫上校才在馬裡蘭州國傢港舉行的海軍聯盟海空空間大會上宣佈瞭這艘航母達到初始作戰能力,幾乎就用將近5年的時間,這和過去其他航母1-2年即形成戰鬥力形成瞭鮮明的差別,表示福特號真存在相當大的問題,盡管可能勉勉強強解決,但更有可能的捏著鼻子在用。

延伸閱讀:彈射起飛一架戰鬥機,究竟要消耗多少能量?

估計很多朋友都非常好奇,003型航母的電磁彈射一架戰鬥機到底需要用掉多少電能,與蒸彈相比,能量究竟相差幾何?我們可以簡單計算一下,比如將36噸重的飛機加速到最高140節(259.28千米/小時),其消耗的能量通過動能公式計算可以得到為:

93312000焦耳,約為:25.92千瓦·時

假設通過儲能、轉換以及直線電機變成推動飛機的機械能,效率為50~60計算,發射一架戰鬥機的成本約為52度電。

假設給提供彈射器供電的是燃氣輪機,使用的燃料是柴油,按柴油熱值3.3*10^7J/L、聯合循環的燃氣輪機熱效率在52-60%之間,按50%算,那麼彈射一架戰鬥機需要用掉柴油為11.31升,按6月18日0#柴油9.03元/升計算,大約100塊錢左右,當然是僅計算瞭燃料費用。

那麼蒸汽彈射需要多少呢?

彈射器的蒸汽轉換為機械能的效率隻有5~6%,鍋爐的熱效率比較高我們忽略不計,那麼彈射一架戰鬥機總的消耗約為60升柴油不到點,計540元,大約為電彈消耗的5.4倍。

兩者差距主要集中在蒸汽彈射的超長氣缸的效率轉換實在是太低瞭,當然蒸汽彈射的維護難度也相當高,上文中蒸彈與電彈的優勢已經一一說明,這裡就不再贅述瞭。

延伸閱讀:003用的是哪種彈射系統?

當然電磁彈射嘍,這官方資料不是公佈瞭嗎?不過大傢顯然想瞭解的不是這個,而是用的是哪種技術路線,這個官方並沒有說明,但從過去公佈的資料來分析,我國的003型福建艦使用瞭馬偉明團隊研發的高壓直流電磁彈射系統。

上文已經說明瞭中壓直流比中壓交流系統要更優秀,沒有儲能中那麼多次轉換的麻煩,福特號航母存在的一次檢修停四臺的情況不存在,而且使用超級電容儲能的話還能分散佈置,各個臨近需要大功率瞬間供電的電磁炮以及激光武器都可以輕松分配,非常靈活。

而據傳聞稱我國的電磁彈射系統用的是高壓直流,功率密度要比美國的大很多(坊間傳聞是2倍,領先美軍15年以上,這個數據沒有來源,僅供各位參考),早在2015年3月9日,環球網就曾報道中國電磁彈射技術,馬偉明表示中國掌握的技術已經不輸美國,甚至更為先進。(完)

參考:

https://news.usni.org/2020/06/08/uss-gerald-ford-emals-launching-system-suffers-fault-during-testing-period

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  • 本文由 发表于 2022年6月19日
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