福特级航母电磁弹射的致命缺陷？2020年曾发生4条弹射器全部故障

6月17日，我国第三艘航母福建舰下水，这是我国完全自主设计建造的首艘弹射型航空母舰，采用平直通长飞行甲板，配置电磁弹射和阻拦装置，满载排水量达8万余吨。

电磁弹射和蒸汽弹射，到底哪个更优秀？

估计很多朋友会一脸懵逼地看着这个标题，毕竟电磁弹射是最先进的，很明显就是电磁弹射更优秀不是吗？有这个想法的朋友估计没看过这样一条新闻：

2019年6月份，美国时任总统特朗普在美军驻日本横须贺海军基地发表讲话时表示他将颁布命令将航母上的电磁弹射器改为蒸汽弹射器。

是不是很让人惊讶？这个新闻是真的，因为特朗普嫌电磁弹射投入的资金实在是太庞大了，连总统都觉得这玩意儿是个黑洞，再多的资金也要被吃掉，所以才有了改回蒸汽弹射的想法。

但事实上美军对此也不是很满意，其原因除了花费巨大的成本以外，美军频繁使用电磁弹射后发现比蒸汽弹射还不可靠，海军曾表示，一旦在战斗中出现一个弹射器无法使用，有可能需要关闭全部4个弹射器才能进行维修，这在战时不是要人命的事情吗？

电弹真的不如蒸弹？

答案其实非常肯定，电弹一定优于蒸弹，因为与蒸弹的缺点实在是太明显了，2019年6月4日，中国军网上曾有一篇报道对比了蒸汽弹射与电磁弹射的优缺点，种花家总结了下，大约有如下几点：

1、蒸汽弹射器体积和重量实在太大，美军最新的蒸汽弹射器全套体积达1100立方米，全重接近500吨；
2、蒸汽弹射器工作时要消耗大量蒸汽，假如以最高速度弹射（每分钟2架），16分钟后便会因为蒸汽压力过低而无法继续弹射，而且会消耗锅炉20%的蒸汽导致航母的航速降低。
3、蒸汽弹射的弹射力量调节范围太小，无法弹射较轻的无人机。瞬间爆发的推力太大，让舰载机飞行员体验非常差。

与之相比，电磁弹射则要优秀得多：

1、电磁弹射系统体积与重量可以大幅降低；
2、电弹可以随着飞机大小以及起飞要求大范围调节速度（50~200节），满足2吨~70吨飞机弹射要求；
3、电弹加速平缓，对飞行员以及飞机冲击都比较小，能大幅提升战斗机机身寿命；

尽管传闻美军的电磁弹射有些问题，但仍然要捏着鼻子用，毕竟积累经验改进以生产改进型必须要有大量的数据，也许福特级航母的目的就在于此。

福特级航母的问题有多严重？

2020年6月8日，USNI News（美国海军研究学会新闻网）报道称，福特号航母的电磁弹射系统出现严重故障，导致航母在5天内无法弹射飞机，据海军发言人丹尼·埃尔南德斯（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，船员发现连接船舶发电涡轮机和EMALS电力系统的电力处理系统出现故障。
“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”
在飞行操作前手动重置系统期间，动力处理系统出现了故障，目前仍在调查故障的根本原因。

在USNI发表新闻之前的6月7日，福特号航母的技术人员已解决了问题，已经恢复飞行。美军的电磁弹射从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（在试验阶段已经有2000多次无人弹射试验），遭遇了10次严重故障，暴露了不少问题，可靠性还不如蒸汽弹射，特朗普声称要换掉电磁弹射器就是这个原因。

美军的电磁弹射到底是有什么问题？

电磁弹射器的存在也是将飞机加速到起飞速度，但它的原理和蒸汽弹射完全不一样，两者没有继承性，一般有如下5大机构组成：

• 1、超高功率的直线电机；
• 2、超高功率的强迫储能与输出发电系统；
• 3、弹射导轨及其冷却系统；
• 4、超高功率的变频器与控制系统；
• 5、电磁干扰屏蔽系统；

电磁弹射的原理就是一台直线电机，只是它工作时需要将一架30多吨的飞机在2-3秒内加速到起飞速度，因此所需要的功率极大，福特号航母的4个弹射器的功率在30兆瓦/台左右，但在弹射时峰值功率超过130MW。

如此变态的功率的要求无法使用航母的微型电网，它需要一个强大的储能与发电装置来实现，福特号航母的储能装置是飞轮储能装置，它的结构很简单，一台盘式发电机+一个巨大的飞轮，高速旋转时将拥有强大的动能。

福特航母的每个弹射器都有3套总容量720兆焦的飞轮储能系统，整个供电与储能系统用的是中压交流供电系统，在输变电系统中交流电是一种很容易控制的电源，但在航母的全电推进系统中却有一个难以弥补的问题，飞轮储能可以发出交流电，但结构太复杂，机械能转换损失能量大，超级电容储能比较简单，但电容储存的是直流电，放电时需要转换交流电！

据说美军打算在后续的电弹系统中换成超级电容，但这样一改，整个体系中就需要一道AC-DC-AC（充电时交流转直流，放电时直流转交流）的转换，而我国技术路线则是直流系统，完全没有这样的麻烦事情。

据传闻，美军电磁弹射系统的部分问题也来自于这个中压交流系统，问题集中在储能和转换系统上，令人费解的是其储能和转换系统还是四套弹射器共用，无法实现单台电磁弹射系统的电气隔离，这就是美军在媒体上抱怨的要检修就得四套同时停工才能维修的原因。

另一个问题则来自于变频器与控制系统，这个超高功率额变频器工作范围很大，难度之高甚至超出了直线电机和飞轮储能系统，它的工作时间仅有10~15秒，但热功率耗散高达528千瓦，美军对其的保密程度之高也是前所未有，比如像电机和储能美军都是大大方方有照片展示给媒体，而这套变频控制系统却没有任何资料提供。

这套系统在美军的电磁弹射系统中被称为FADEC（全权限数字控制系统），根据弹射测试过程取得的数据，就各项条件做出判断与控制的系统是其核心中的核心，据传闻也有一部分问题来自于此。

当然还有一个问题则是重量与体积严重超标，因为散热控制以及电磁屏蔽，因为弹射过程中多个结构都需要快速散热，比如电机工作时的高温以及导轨加速产生的巨大热量，还有电机工作时极端电磁场，相当于一枚小型EMP（电磁脉冲弹）爆炸，需要将其屏蔽在甲板下，避免其影响战斗机航电系统。

福特号航母在增加了这些散热结构和电磁屏蔽系统，以及储能与转换与控制系统后，电磁弹射系统的体积居然达到了1061.4立方米，和蒸汽弹射的1100立方米相差无几，而重量则超过了630吨，已经秒杀蒸汽弹射。

不过更麻烦的是福特号一次上了电磁弹射、电磁拦阻以及电磁升降装置，太多的先进设备组合可能并不是一件好事，而它迟迟未能部署正是说明了这个问题。2017年7月22日福特号就已经入役美国海军大西洋舰队！

但一直到2022年4月5日，福特号航空母舰的项目经理梅特卡夫上校才在马里兰州国家港举行的海军联盟海空空间大会上宣布了这艘航母达到初始作战能力，几乎就用将近5年的时间，这和过去其他航母1-2年即形成战斗力形成了鲜明的差别，表示福特号真存在相当大的问题，尽管可能勉勉强强解决，但更有可能的捏着鼻子在用。

延伸阅读：弹射起飞一架战斗机，究竟要消耗多少能量？

估计很多朋友都非常好奇，003型航母的电磁弹射一架战斗机到底需要用掉多少电能，与蒸弹相比，能量究竟相差几何？我们可以简单计算一下，比如将36吨重的飞机加速到最高140节（259.28千米/小时），其消耗的能量通过动能公式计算可以得到为：

93312000焦耳，约为：25.92千瓦·时

假设通过储能、转换以及直线电机变成推动飞机的机械能，效率为50~60计算，发射一架战斗机的成本约为52度电。

假设给提供弹射器供电的是燃气轮机，使用的燃料是柴油，按柴油热值3.3*10^7J/L、联合循环的燃气轮机热效率在52-60%之间，按50%算，那么弹射一架战斗机需要用掉柴油为11.31升，按6月18日0#柴油9.03元/升计算，大约100块钱左右，当然是仅计算了燃料费用。

那么蒸汽弹射需要多少呢？

弹射器的蒸汽转换为机械能的效率只有5~6%，锅炉的热效率比较高我们忽略不计，那么弹射一架战斗机总的消耗约为60升柴油不到点，计540元，大约为电弹消耗的5.4倍。

两者差距主要集中在蒸汽弹射的超长气缸的效率转换实在是太低了，当然蒸汽弹射的维护难度也相当高，上文中蒸弹与电弹的优势已经一一说明，这里就不再赘述了。

延伸阅读：003用的是哪种弹射系统？

当然电磁弹射喽，这官方资料不是公布了吗？不过大家显然想了解的不是这个，而是用的是哪种技术路线，这个官方并没有说明，但从过去公布的资料来分析，我国的003型福建舰使用了马伟明团队研发的高压直流电磁弹射系统。

上文已经说明了中压直流比中压交流系统要更优秀，没有储能中那么多次转换的麻烦，福特号航母存在的一次检修停四台的情况不存在，而且使用超级电容储能的话还能分散布置，各个临近需要大功率瞬间供电的电磁炮以及激光武器都可以轻松分配，非常灵活。

而据传闻称我国的电磁弹射系统用的是高压直流，功率密度要比美国的大很多（坊间传闻是2倍，领先美军15年以上，这个数据没有来源，仅供各位参考），早在2015年3月9日，环球网就曾报道中国电磁弹射技术，马伟明表示中国掌握的技术已经不输美国，甚至更为先进。（完）

参考：

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