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003航母港池暴力弹射,一次耗电多少?3秒释放,40座工厂电功率

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地球东半球诞生的第一艘电磁弹射型航母003型航母在下水一年半之后终于迎来了一次里程碑意义的测试任务,一位网友在一架民航客机中,通过舷窗拍到了该舰举世瞩目的惊天一弹,一个重型物体在航母前方不远处的水面激起了冲天巨浪,画面看起来相当暴力,激起的水柱目测有十几米高,这是在进行电磁弹射器的静载荷测试,此类测试物体通常是带有轮式机构的小车。



放眼世界,能在航母平台上基于电磁弹射器实现这一壮举的,在我们之前也只有美国,福特号航母的首次静载荷测试时间是8年前。


福特号静载荷测试用的小红车

有网友说,这说明我们还落后美国整整8年时间……

8年?从落后百年,到所谓的只落后8年,这是何等夸张的发展加速度?

曾几何时,几乎所有外国人,还有我们自己人,都认为我们根本没有自主研发蒸汽弹射器的工业能力,更不用说电磁弹射器。


尼米兹级航母蒸汽弹射

他们认为当年苏联军工那么强大,都没能造出蒸汽弹射器(实际上是造出来了,只是天不假年,否则计划配置弹射器的乌里扬诺夫斯克号航母当年也不会开工),何况是我们。

在他们看来,蒸汽弹射器是一种非常高端的设备,尤其需要掌握复杂的制备工艺,大多数国家都难以跨越它的技术门槛,对于中国来说也不例外。


尼米兹级CVN-72航母的蒸汽弹射器

类似观点,其实不只限于蒸汽弹射器,就连当年辽宁舰上的舰载机着舰用的阻拦索,他们也认为中国没有能力研制,再往前推,他们还认为我们造不出航母用的高强度高屈服度的特种钢……

然而,他们还是失算了,中国的存在就是可以持续打破这一个又一个的不可能

如今,都知道003型航母用的是技术难度更高弹射效率更高的电磁弹射器,不过,我们并不喜欢做选择题,在此之前,蒸汽弹射器同样研发成功,而且将两条不同类型的弹射器放在同一条跑道上进行竞赛式测试,最终通过实践选择了成绩最优的电磁弹射器。



落后8年?从绝对时间来看,好像是这么回事,但要考虑到福特级航母所用的电磁弹射器存在难以逾越的设计缺陷,再结合技术方案更加先进的我国产舰用电磁弹射器的实际表现,就知道,我们将用最短的时间周期彻底抹平时间差,并在实战实训中实现全面反超,什么是跨越式发展,这就是!

电磁弹射器通常由储能系统、脉冲变流系列、脉冲直线电机、控制系统组成。

弹射器如果靠舰上正常供电,那不论是核动力,还是常规动力,都无法满足作战需求,所以需要“储能系统”,将舰上剩余电能储存起来,再在短时间内快速释放,从而将电能转换为助力舰载机起飞的机械能。


电磁弹射

福特号航母使用的储能系统是3组12台飞轮装置,舰上供电使飞轮达到额定的高转速,需要用电时,这些飞轮再带动盘式发电机快速放电。

福特号航母最受诟病的就是储能系统,看起来该舰有12台飞轮装置,按理说任何一台故障,都不应影响其它飞轮的运作,甚至几台故障都不应产生多大的影响,毕竟可以互为备份,但是他们的设计团队在储能系统的电气隔离设计上考虑欠周全,只要有1台飞轮故障,就会让整套飞轮储能系统停摆。如果出现这样的故障,就只能回收舰载机,再进行维修,在此期间,这艘10万吨级的庞然大物将丧失作为海上机场的战斗力。


福特号航母

储能系统的电流会通过配电系统将电能传输至脉冲变流系统,脉冲变流系统的作用就是根据不同起飞重量的舰载机转换成不同电能的电流波形,这就是电磁弹射器相较于蒸汽弹射器的核心优势之一,脉冲变流系统可以在很宽的范围内调节输出能量。

以福特号的电磁弹射器为例,其弹射的舰载机重量覆盖200公斤至35吨,能量变比在1比175,而蒸汽弹射器的能量变比最多就是1比100,蒸汽弹射器可以弹射重量较大的舰载机,但如果是轻质量的无人机,就很难弹射,有的即便可以弹射,在调节弹射器弹射能量时,还有繁琐的阀门调节过程,弹射周期延长,直接削弱战斗力。


卡尔文森号航母蒸汽弹射器控制室


斯坦尼斯号航母的蒸汽弹射器液压系统

电磁弹射器的脉冲变流系统直接将电能传输至脉冲直线电机,脉冲直线电机就是从航母外观上可以直接看到的弹射轨道,它可以将电能转化为弹射舰载机的机械能。

那么问题来了,003型航母一次弹射究竟需要耗电多少?

虽然太平洋两岸的电磁弹射器设计方案不同,但是作战需求却是一致的,因此对弹射器能力需求也基本一致。

比如福特号航母电磁弹射器的最大弹射飞机重量是35吨(歼-15T最大起飞重量也是35吨左右),此时弹射器的最大能量容量要求是122兆焦。


福特号航母上的弹射滑块

122兆焦换算成电量,约等于34度,看上去好像也不怎么多,但要知道这34度电要在3秒钟内快速释放,功率就很惊人了,所谓功率指的是,单位时间内能量的转移速率,根据电功率换算公式可得,3秒内释放122兆焦的功率约为40666.667KW,一座中小型工厂的电功率是1000KW,这就相当于40座工厂的功率。

当然了,这只是电弹的最大功率表现形式,实际上还要考虑到舰载机在弹射进行时自身还会将发动机推力调整至最大模式(加力推力),还有甲板风的助力。不过,对于003型航母的静载荷测试任务而言,弹射的小车物体是没有动力的。









电磁弹射器在完成一次弹射后,有一个弹射周期,在这个周期里有一系列的动作要完成:弹射滑块回收归位、甲板偏流板放下、下一架舰载机滑行至起飞位、偏流板再次升起、状态确认……


偏流板放下

整个周期约45秒,这个周期恰好也是弹射器的储能系统再次充满电的用时。

003型航母则不同,首先我们是中压直流综合电力系统,不需要逆变器进行交流变流,因此有更大的设计空间进行电气隔离设计。

储能系统就像是一个大型的充电宝,其性能优劣直接影响电磁弹射器的作战效率,福特号是中压交流综合电力系统,这也决定了该舰只能使用飞轮储能系统,仍然属于机械储能范畴。





我国003型航母则不同,其应用的是领先国外至少十年的中压直流综合电力系统,既可以用飞轮储能,同时也可以用技术更加先进的新型储能系统——超级电容。

超级电容的起源虽然说与航母无关,但可以说它的能力优势就是为航母而生,充放电极快、寿命很长。

福特号如果使用超级电容会比较麻烦,因为它是交流电路,如果非要使用超级电容,还需要配置整流器变成直流供电。

超级电容不同于传统电池,后者需要化学能转化,前者并不涉及化学反应,电荷存储在超级电容内的特制多孔纳米材料的表面,超级电容相较于飞轮储能的充放电速度是成倍提升。







更快的充放电速度,意味着舰载机放飞架次仅取决于甲板调度的快慢,超级电容还可以实现全寿命周期不会衰减充放电性能,反应快就是指有更大的充放电功率。

近年来,我国新能源技术的迅猛发展有目共睹,在锂电池、钠离子电池、氢燃料电池、液流电池、超级电容等多条技术路线齐头并进,其中超级电容器在全球市场份额占比中也做到了最大,此类装备已经不再是实验室的实验品,而是已经大规模投入应用。比如我国某城市已经有十几年的超级电容公交车的运营历史,经过多轮技术迭代,目前已经无需中途停靠站点充电。


超级电容公交车快速充电

不过,目前主要是坊间讨论003型舰可能用上了超级电容,要考虑到,军用装备通常不会选择最先进的设备,而会选用最可靠的设备,比如003型舰最初也是基于蒸汽弹射器设计,只不过在后来的实践中认识到了国产电磁弹射器的高可靠性与先进性,这才最终选择后者。所以该舰究竟是飞轮储能,还是超级电容有待观察后续动态。

虽然003型舰不一定现在就用上超级电容,但有一点是可以肯定的,那就是人类最有条件诞生第一艘应用超级电容的电磁弹射航母必然是我们。

十多年前,辽宁舰的入列拉开了中国海军走向深蓝的序幕,但其作战能力并不足以让我们称雄大洋,十多年后,003型舰的惊天一弹,意味着过去帝国主义在西太平洋随便摆几艘弹射型航母就耀武扬威的日子将一去不复返。







套用歼-20总师杨伟的一首诗就是,东方一隅的惊天一弹,引领在这头,震慑在那头!

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