電磁彈射：中壓直流那么優(yōu)秀，為什么美國一開始就選了中壓交流？

2020年6月2日，美軍福特級(jí)CVN-78“福特”號(hào)航母正在大西洋海域進(jìn)行獨(dú)立航行與飛行訓(xùn)練、艦載機(jī)彈射起飛和作業(yè)測試，F(xiàn)/A-18艦載機(jī)被換換拖到艦首的彈射陣位，擋焰板已經(jīng)豎起來了，加班操作人員正在將彈射桿與起落架連在一起，剪切銷也掛到了止動(dòng)位上，飛行員正在扳動(dòng)操縱桿檢查戰(zhàn)斗機(jī)的各個(gè)翼面是否正常。

當(dāng)時(shí)已經(jīng)是福特號(hào)服役的第三年，一直以來福特號(hào)航母的電彈就非常不穩(wěn)定。各種艦載機(jī)以及不同載荷下的彈射曲線調(diào)整，因?yàn)橄到y(tǒng)不穩(wěn)定的局部固件升級(jí)，還有因?yàn)榕R時(shí)進(jìn)行的測試搞得通用原子隨艦工程師焦頭爛額，這次訓(xùn)練正是一段時(shí)間調(diào)整后的小規(guī)模測試，看看調(diào)整是否能產(chǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的正向結(jié)果。

甲板工作人員已經(jīng)向控制室表明這次彈射的總質(zhì)量，F(xiàn)/A-18的加力也已打開，飛行員準(zhǔn)備OK的手勢信號(hào)已經(jīng)發(fā)出，黃馬甲已經(jīng)半蹲準(zhǔn)備好彈射！就在彈射按鈕按下的瞬間，控制室里的彈射器故障燈突然瘋狂的閃爍起來，彈射控制手已經(jīng)見怪不怪了，這種事情已經(jīng)經(jīng)歷了很多次，彈射停止信號(hào)發(fā)出，F(xiàn)/A-18發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，一切歸于平靜.........

通用原子的多位隨艦工程師第一時(shí)間已經(jīng)就位甲板下方的那臺(tái)龐大的電彈中頻電源控制室里，這是為四條彈射器按控制室傳過來的戰(zhàn)斗機(jī)噸位、種類設(shè)定彈射曲線、供給中高頻電源的大型中頻電源。很明顯這不是單獨(dú)的四路電源，而是使用了冗余設(shè)計(jì)的，能夠互為備份，凝結(jié)了通用原子十幾年心血的電磁彈射中頻電源。

這次報(bào)了一個(gè)從未見過的故障碼，按操作說明要求需要相應(yīng)模塊局部重置之后即可解決！然而在重置完相關(guān)模塊后，故障碼變成了另一個(gè)范圍更大的代碼，按操作說明，必須重置整套系統(tǒng)才能恢復(fù)，這個(gè)事情就有點(diǎn)頭大了，因?yàn)檫@套系統(tǒng)同時(shí)為四條彈射器供電，重啟一次至少十幾分鐘，這就意味著至少在未來差不多半個(gè)小時(shí)內(nèi)無法彈射任何艦載機(jī)！

在請示當(dāng)日訓(xùn)練飛行指揮官“Air Boss”以及艦長等一系列流程后，通用原子的隨艦工程師終于進(jìn)入了重置流程，幾分鐘后這套系統(tǒng)在巨大散熱風(fēng)扇轟鳴聲中突然沉寂下來，終于停機(jī)了！隨后就是各個(gè)子系統(tǒng)加電，逐一啟動(dòng)，結(jié)果還沒啟動(dòng)1/3就故障碼亂閃，大面積的模塊接連報(bào)錯(cuò)。通用的工程師們的腦袋中閃過一個(gè)最可怕的傳說，終于在這次重啟中復(fù)現(xiàn)了！

傳聞就是這套系統(tǒng)在啟動(dòng)后千萬不要復(fù)位重啟，否則能順利重啟的概率小于10%......原本只有一條彈射器故障，現(xiàn)在四條彈射器徹底癱瘓，目前的福特號(hào)航母就成了在大西洋上的活靶子，要是有戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)福特號(hào)發(fā)起突襲，那么它除了幾枚防空導(dǎo)彈外沒有任何回?fù)羰侄巍?/p>

在幾十名通用隨艦工程師都無法解決后，通用原子電磁彈射的高級(jí)工程師們被緊急召集，先是抵達(dá)紐波特紐斯會(huì)合，然后乘坐直升機(jī)緊急趕往福特號(hào)！如你所想，高級(jí)工程師到位也沒用，故障碼亂閃，完全無法解決！不過這幫工程師中還是有高人，在眾多故障碼中確認(rèn)了一個(gè)核心故障碼，在啟動(dòng)階段引導(dǎo)時(shí)直接繞開這個(gè)模塊，然后再啟動(dòng)完成后再接入。

問題終于解決，但時(shí)間已經(jīng)來到了6月7日！整整6天，美軍福特號(hào)航母沒有一條彈射器可以使用！在場的技術(shù)人員被再三警告，這套系統(tǒng)絕對(duì)不允許隨意重置復(fù)位！之后有沒有重啟復(fù)位咱不知道，但6天沒有彈射器可用這種天下奇聞在之后確實(shí)沒有聽說了！

福特號(hào)的電彈到底是什么問題：為什么要四條彈射器共用一套電源？

福特號(hào)的電彈問題已經(jīng)全球聞名！據(jù)公開報(bào)道的數(shù)據(jù)，在早期試驗(yàn)階段福特號(hào)電彈平均無故障彈射次數(shù)只有~181次，經(jīng)過多年改善后的2022年，這個(gè)平均無故障周期達(dá)到了~614次，但美軍原先定下的目標(biāo)是~4166次以上，大約只有目標(biāo)的15%。

除了這個(gè)最致命問題外，福特號(hào)的電彈（EMALS）還有兩個(gè)一般致命的問題，比如在EMALS工作時(shí)的強(qiáng)大功率需求對(duì)航母的綜合電力系統(tǒng)沖擊很大，甚至?xí)绊懭炿娏φ{(diào)度和其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行；

還有一個(gè)問題是福特號(hào)的EMALS無法彈射F-35C，目前無法確定究竟是F-35C的重量超出電磁彈射的極限還是電彈工作時(shí)的電磁輻射影響F-35C的機(jī)載電子系統(tǒng)工作，但無法彈射F-35C是真的。

除了這三個(gè)致命問題外，其他比如對(duì)維護(hù)技術(shù)人員要求高、對(duì)不同飛機(jī)要反復(fù)調(diào)試參數(shù)等等已經(jīng)不算啥問題了，這些問題都是可以克服的！特朗普三番五次要求換回蒸汽彈射，最近一次是去年10月28日在日本橫須賀的“喬治華盛頓號(hào)”航母上稱已經(jīng)簽署文件換回蒸汽彈射。

這個(gè)讓特朗普暴怒的四條電彈共用一套電源，這種天才的設(shè)計(jì)怎么會(huì)出自通用原子的工程師之手？這種在軍用裝備中近乎智障的設(shè)計(jì)到底是怎么搞出來的？看完下文估計(jì)你也得同情通用原子的那些高級(jí)工程師！

通用原子也是迫不得已：那是中壓交流的痼疾

問題最終還是指向了福特號(hào)電彈選擇的中壓交流路線，與中國電磁彈射選擇的中壓直流路線不一樣，交流的問題之大在電磁彈射方向的缺陷其實(shí)是一個(gè)中學(xué)生都能看明白的！

一般意義上的交流電指的就是正弦波，艦載中壓交流比如福特級(jí)航母用的是4160V三相正弦波交流電，60Hz。教科書上的交流電都是理想的正弦波，但在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中會(huì)因?yàn)樨?fù)載特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備運(yùn)行等多類因素產(chǎn)生諧波、頻率偏移、相位畸變等問題。

如果波動(dòng)大了輕則是用電器損耗增加，產(chǎn)生不正常溫升燒毀電機(jī)和用電器，重則會(huì)引發(fā)并網(wǎng)失敗甚至電網(wǎng)崩潰。聊電磁彈射怎么突然說到正弦波交流電了？那是因?yàn)楦Ｌ丶?jí)航母用的就是中壓交流系統(tǒng)，并且福特級(jí)的電磁彈射就是從MVAC（艦載綜合中壓交流系統(tǒng)）母線中取電。

電磁彈射的特性是在2-3秒內(nèi)將一架將近30噸重的艦載機(jī)從零加速到240公里/小時(shí)的起飛速度，功率可達(dá)幾十兆瓦，MVAC電網(wǎng)在遭遇這種超級(jí)功率的用電面前，諧波、頻率偏移、相位畸變等各種奇葩問題全都出來了。

所以在福特號(hào)運(yùn)營過程中出現(xiàn)的“EMALS工作時(shí)的強(qiáng)大功率需求對(duì)航母的綜合電力系統(tǒng)沖擊很大，甚至?xí)绊懭炿娏φ{(diào)度和其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行”的問題就是電彈的強(qiáng)大用電需求對(duì)交流電網(wǎng)造成的沖擊，就像某家公司的超大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)供電區(qū)域的燈光變暗甚至部分設(shè)備可能會(huì)跳閘的道理是一樣的。

另一個(gè)問題更有趣，可以說是一個(gè)惡性循環(huán)！電磁彈射用的是中高頻脈沖電源，從另一個(gè)意義上來說也是交流電，但這種交流電是通過IGBT設(shè)備轉(zhuǎn)換后受控的交流電，從艦載交流電到“受控交流電”中間需要有一個(gè)直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

這樣一次轉(zhuǎn)換就足夠了嗎？答案是NO！需要轉(zhuǎn)換兩次，環(huán)節(jié)是在讓各位想不到的飛輪儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，這是減緩電彈對(duì)MVAC電網(wǎng)沖擊的有效手段，使用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪儲(chǔ)能，然后再艦載機(jī)彈射的瞬間釋放出來，但是問題來了，對(duì)旋轉(zhuǎn)飛輪的加速的轉(zhuǎn)速變化以及放電時(shí)減速過程造成的頻率與相位變化，需要將其轉(zhuǎn)換為直流變頻，然后再將發(fā)出來的交流電整流成直流，各位會(huì)發(fā)現(xiàn)需要：

核反應(yīng)堆發(fā)電→中壓交流AC→整艦配電AC→變流DC→變頻AC→飛輪儲(chǔ)能→變流DC→EMALS變流→發(fā)射

這種AC-DC轉(zhuǎn)換多了就會(huì)出問題，每一次轉(zhuǎn)換都會(huì)引入控制延遲，新的故障點(diǎn)以及新的保護(hù)邏輯，所以就要求EMALS應(yīng)用層軟件必須處理電網(wǎng)狀態(tài)感知、并網(wǎng)條件判斷、多源供電協(xié)同、頻率/相位擾動(dòng)預(yù)測，所以這個(gè)交流就把通用原子的工程師給逼瘋了！

你們根本無法體會(huì)這種工程的復(fù)雜度，這就是為什么通用原子會(huì)把四條彈射器的電源設(shè)計(jì)成一套的原因，如果搞四套的話這個(gè)工程實(shí)在是太復(fù)雜了，還需要相互之間協(xié)調(diào)，簡直就是一個(gè)噩夢！并且這么多保護(hù)邏輯之后會(huì)導(dǎo)致一個(gè)EMALS應(yīng)用層保護(hù)的怪異邏輯：“飛機(jī)沒問題，彈射器也沒壞，但系統(tǒng)判定就是不能用?！?/p>

“EMALS被框定在一個(gè)極其狹窄的工作狀窗口，容錯(cuò)閾值非常低?！?/strong>

這也是福特號(hào)電磁彈射故障率極高的原因，只要這個(gè)環(huán)節(jié)中有一個(gè)模塊有問題，那整套系統(tǒng)就得癱瘓，這是個(gè)無解的難題！當(dāng)然要解決也不難，換成中壓直流即可！整個(gè)環(huán)節(jié)就會(huì)變成

路線一：發(fā)電→中壓直流DC→整艦配電DC→變頻AC→飛輪儲(chǔ)能→變流DC→EMALS變流→彈射

路線二：發(fā)電→中壓直流DC→整艦配電DC→超級(jí)電容儲(chǔ)能→變流DC→EMALS變流→彈射

路線三：發(fā)電→中壓直流DC→整艦配電DC→電池+超級(jí)電容儲(chǔ)能→變流DC→EMALS變流→彈射

環(huán)節(jié)少了好幾個(gè)，大功率用電對(duì)直流電網(wǎng)唯一的沖擊可能會(huì)引發(fā)電壓波動(dòng)，但沒有頻率波動(dòng)，也沒有相位漂移，因?yàn)橹绷麟姼揪蜎]這兩個(gè)指標(biāo)，更沒有AC-DC換來換去的各種問題！簡直就是為艦載綜合電力網(wǎng)量身定做的電源類型，電磁彈射選擇直流盡管難題依然很多，但那些從娘胎里帶來的問題都沒了，專心解決電磁彈射的問題即可。

中壓直流那么優(yōu)秀，為什么美國不選中壓直流？

這個(gè)問題其實(shí)大家都知道了，交直流那種體制用得最普遍？這個(gè)答案其實(shí)在愛迪生和特斯拉的交直流大戰(zhàn)時(shí)就明確了，交流電非常合適，可以升壓遠(yuǎn)距離輸電，要用電隨時(shí)可以用變壓器降到合適電壓，要直流電一套換流設(shè)備即可，橋式整理穩(wěn)壓成本低到幾毛錢一個(gè)。

所以從美軍誕生航母的那天開始，艦載電力系統(tǒng)就是交流電，在1980年代~1990年代艦載綜合電力系統(tǒng)（發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，通過輸電系統(tǒng)直接到船用推進(jìn)電機(jī)，省掉了變速箱，傳動(dòng)大軸等）發(fā)展后，美國很自然的就采用了交流體制。

那會(huì)沒有那么多幺蛾子的用電設(shè)備，主要還是船用電機(jī)、雷達(dá)以及艦載電子系統(tǒng)用電！其實(shí)當(dāng)時(shí)也已經(jīng)出現(xiàn)了激光、電磁武器的需求，但是很奇怪，美國的船用綜合電力系統(tǒng)并沒有考慮這些短時(shí)間極高功率的能量武器用電需求。

之后大家都知道了，中壓交流美軍艦載綜合電力系統(tǒng)的標(biāo)配，尼米茲的后續(xù)艦采用的都是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，再后來朱姆沃爾特級(jí)驅(qū)逐艦用的也是，后續(xù)設(shè)計(jì)的福特級(jí)也都一脈相承的延續(xù)了中壓交流體制，很自然的在電磁彈射的路數(shù)上也是采用了中壓交流體制。這個(gè)是沒辦法的事情，因?yàn)閹缀跛械呐炤d設(shè)備都是中壓交流體制，如果突然有天要改成中壓直流，那是不是所有設(shè)備都得推倒重來？

中國又是什么走上中壓直流體制的呢？

中國剛開始選擇的也是中壓交流路線，原因很簡單，當(dāng)時(shí)的歐美采用的都是交流體制，直流沒有先例！另一個(gè)是直流輸變電不成熟，幾乎所有的設(shè)備都是交流體制，直流變換器、直流斷路器、能量管理系統(tǒng)等全部需要重新設(shè)計(jì)，難度實(shí)在太大！

當(dāng)時(shí)的海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、教授、中國工程院院士馬偉明已經(jīng)敏銳的意識(shí)到，未來的艦載系統(tǒng)會(huì)包括激光、電磁能量武器甚至是電磁彈射和電磁炮都會(huì)上艦應(yīng)用，在交流體制中會(huì)出現(xiàn)各自為政的情況，各個(gè)儲(chǔ)能用電都會(huì)成為架在中壓交流體系中的個(gè)個(gè)孤島！

如果采用中壓直流就完全不一樣了，中壓直流體制天然適合做成分區(qū)供電、分層儲(chǔ)能、模塊隔離的架構(gòu)。發(fā)電、儲(chǔ)能、負(fù)載之間通過電力電子接口解耦，某一模塊出問題，可以快速隔離而不影響全系統(tǒng)運(yùn)行。這種設(shè)計(jì)思路與我國近年來強(qiáng)調(diào)的“體系生存力、抗毀性、快速恢復(fù)能力”高度一致，也更符合艦艇在戰(zhàn)損、電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下的使用需求。

之后則是中國在特高壓直流輸電、電力機(jī)車、軌道交通、新能源并網(wǎng)等領(lǐng)域的長期發(fā)展、長期大規(guī)模使用直流系統(tǒng)，高壓直流換流、模塊化功率器件、直流保護(hù)與隔離技術(shù)都經(jīng)過了工程化反復(fù)驗(yàn)證，中國采用中壓直流體制不是一蹴而就的，是馬偉明高瞻遠(yuǎn)矚以及多項(xiàng)技術(shù)突破與中國產(chǎn)業(yè)體系結(jié)合發(fā)展相輔相成的結(jié)果。

不過有一點(diǎn)要說明，中國確實(shí)是采用了中壓直流體制，但電磁彈射卻完全是一個(gè)意外之喜！003航母福建艦在定型時(shí)選擇的是蒸汽彈射，船體結(jié)構(gòu)也是為蒸汽彈射設(shè)計(jì)的，但是馬偉明主導(dǎo)設(shè)計(jì)的電磁彈射進(jìn)度相當(dāng)驚人，并且穩(wěn)定性和性能雙雙遠(yuǎn)超蒸汽彈射，最終改動(dòng)船體結(jié)構(gòu)，將蒸汽彈射換成了電磁彈射。

所以有個(gè)有趣的話題，要是中國也選了中壓交流體系，就算馬偉明搞出了高性能中壓直流體系的電磁彈射，但是要將兩者結(jié)合起來估計(jì)也會(huì)讓馬院士頭疼不已，但是沒有如果，中國在這種戰(zhàn)略方向的選擇上絕大多數(shù)時(shí)候都是選擇正確的。