電磁彈射：中壓直流那么優秀，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CVN-78“福特”號航母正在大西洋海域進行獨立航行與飛行訓練、艦載機彈射起飛和作業測試，F/A-18艦載機被換換拖到艦首的彈射陣位，擋焰板已經豎起來了，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位上，飛行員正在扳動操縱桿檢查戰斗機的各個翼面是否正常。

當時已經是福特號服役的第三年，一直以來福特號航母的電彈就非常不穩定。各種艦載機以及不同載荷下的彈射曲線調整，因為系統不穩定的局部固件升級，還有因為臨時進行的測試搞得通用原子隨艦工程師焦頭爛額，這次訓練正是一段時間調整后的小規模測試，看看調整是否能產產生相應的正向結果。

甲板工作人員已經向控制室表明這次彈射的總質量，F/A-18的加力也已打開，飛行員準備OK的手勢信號已經發出，黃馬甲已經半蹲準備好彈射！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，彈射控制手已經見怪不怪了，這種事情已經經歷了很多次，彈射停止信號發出，F/A-18發動機熄火，一切歸于平靜.........

通用原子的多位隨艦工程師第一時間已經就位甲板下方的那臺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斗機噸位、種類設定彈射曲線、供給中高頻電源的大型中頻電源。很明顯這不是單獨的四路電源，而是使用了冗余設計的，能夠互為備份，凝結了通用原子十幾年心血的電磁彈射中頻電源。

這次報了一個從未見過的故障碼，按操作說明要求需要相應模塊局部重置之后即可解決！然而在重置完相關模塊后，故障碼變成了另一個范圍更大的代碼，按操作說明，必須重置整套系統才能恢復，這個事情就有點頭大了，因為這套系統同時為四條彈射器供電，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小時內無法彈射任何艦載機！

在請示當日訓練飛行指揮官“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入了重置流程，幾分鐘后這套系統在巨大散熱風扇轟鳴聲中突然沉寂下來，終于停機了！隨后就是各個子系統加電，逐一啟動，結果還沒啟動1/3就故障碼亂閃，大面積的模塊接連報錯。通用的工程師們的腦袋中閃過一個最可怕的傳說，終于在這次重啟中復現了！

傳聞就是這套系統在啟動后千萬不要復位重啟，否則能順利重啟的概率小于10%......原本只有一條彈射器故障，現在四條彈射器徹底癱瘓，目前的福特號航母就成了在大西洋上的活靶子，要是有戰斗機對福特號發起突襲，那么它除了幾枚防空導彈外沒有任何回擊手段。

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工程師們被緊急召集，先是抵達紐波特紐斯會合，然后乘坐直升機緊急趕往福特號！如你所想，高級工程師到位也沒用，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了一個核心故障碼，在啟動階段引導時直接繞開這個模塊，然后再啟動完成后再接入。

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

福特號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？

福特號的電彈問題已經全球聞名！據公開報道的數據，在早期試驗階段福特號電彈平均無故障彈射次數只有~181次，經過多年改善后的2022年，這個平均無故障周期達到了~614次，但美軍原先定下的目標是~4166次以上，大約只有目標的15%。

除了這個最致命問題外，福特號的電彈（EMALS）還有兩個一般致命的問題，比如在EMALS工作時的強大功率需求對航母的綜合電力系統沖擊很大，甚至會影響全艦電力調度和其他系統的正常運行；

還有一個問題是福特號的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的電磁輻射影響F-35C的機載電子系統工作，但無法彈射F-35C是真的。

除了這三個致命問題外，其他比如對維護技術人員要求高、對不同飛機要反復調試參數等等已經不算啥問題了，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”航母上稱已經簽署文件換回蒸汽彈射。

這個讓特朗普暴怒的四條電彈共用一套電源，這種天才的設計怎么會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計到底是怎么搞出來的？看完下文估計你也得同情通用原子的那些高級工程師！

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是一個中學生都能看明白的！

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，但在實際生產環境中會因為負載特性、電網結構、設備運行等多類因素產生諧波、頻率偏移、相位畸變等問題。

如果波動大了輕則是用電器損耗增加，產生不正常溫升燒毀電機和用電器，重則會引發并網失敗甚至電網崩潰。聊電磁彈射怎么突然說到正弦波交流電了？那是因為福特級航母用的就是中壓交流系統，并且福特級的電磁彈射就是從MVAC（艦載綜合中壓交流系統）母線中取電。

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

所以在福特號運營過程中出現的“EMALS工作時的強大功率需求對航母的綜合電力系統沖擊很大，甚至會影響全艦電力調度和其他系統的正常運行”的問題就是電彈的強大用電需求對交流電網造成的沖擊，就像某家公司的超大功率電機啟動時可能會導致整個供電區域的燈光變暗甚至部分設備可能會跳閘的道理是一樣的。

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

這樣一次轉換就足夠了嗎？答案是NO！需要轉換兩次，環節是在讓各位想不到的飛輪儲能環節，這是減緩電彈對MVAC電網沖擊的有效手段，使用高速旋轉的飛輪儲能，然后再艦載機彈射的瞬間釋放出來，但是問題來了，對旋轉飛輪的加速的轉速變化以及放電時減速過程造成的頻率與相位變化，需要將其轉換為直流變頻，然后再將發出來的交流電整流成直流，各位會發現需要：

核反應堆發電→中壓交流AC→整艦配電AC→變流DC→變頻AC→飛輪儲能→變流DC→EMALS變流→發射

這種AC-DC轉換多了就會出問題，每一次轉換都會引入控制延遲，新的故障點以及新的保護邏輯，所以就要求EMALS應用層軟件必須處理電網狀態感知、并網條件判斷、多源供電協同、頻率/相位擾動預測，所以這個交流就把通用原子的工程師給逼瘋了！

你們根本無法體會這種工程的復雜度，這就是為什么通用原子會把四條彈射器的電源設計成一套的原因，如果搞四套的話這個工程實在是太復雜了，還需要相互之間協調，簡直就是一個噩夢！并且這么多保護邏輯之后會導致一個EMALS應用層保護的怪異邏輯：“飛機沒問題，彈射器也沒壞，但系統判定就是不能用?！?/p>

“EMALS被框定在一個極其狹窄的工作狀窗口，容錯閾值非常低。”

這也是福特號電磁彈射故障率極高的原因，只要這個環節中有一個模塊有問題，那整套系統就得癱瘓，這是個無解的難題！當然要解決也不難，換成中壓直流即可！整個環節就會變成

路線一：發電→中壓直流DC→整艦配電DC→變頻AC→飛輪儲能→變流DC→EMALS變流→彈射

路線二：發電→中壓直流DC→整艦配電DC→超級電容儲能→變流DC→EMALS變流→彈射

路線三：發電→中壓直流DC→整艦配電DC→電池+超級電容儲能→變流DC→EMALS變流→彈射

環節少了好幾個，大功率用電對直流電網唯一的沖擊可能會引發電壓波動，但沒有頻率波動，也沒有相位漂移，因為直流電根本就沒這兩個指標，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。

中壓直流那么優秀，為什么美國不選中壓直流？

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

所以從美軍誕生航母的那天開始，艦載電力系統就是交流電，在1980年代~1990年代艦載綜合電力系統（發動機發電，通過輸電系統直接到船用推進電機，省掉了變速箱，傳動大軸等）發展后，美國很自然的就采用了交流體制。

那會沒有那么多幺蛾子的用電設備，主要還是船用電機、雷達以及艦載電子系統用電！其實當時也已經出現了激光、電磁武器的需求，但是很奇怪，美國的船用綜合電力系統并沒有考慮這些短時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的標配，尼米茲的后續艦采用的都是這個標準，再后來朱姆沃爾特級驅逐艦用的也是，后續設計的福特級也都一脈相承的延續了中壓交流體制，很自然的在電磁彈射的路數上也是采用了中壓交流體制。這個是沒辦法的事情，因為幾乎所有的艦載設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，當時的歐美采用的都是交流體制，直流沒有先例！另一個是直流輸變電不成熟，幾乎所有的設備都是交流體制，直流變換器、直流斷路器、能量管理系統等全部需要重新設計，難度實在太大！

當時的海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室主任、教授、中國工程院院士馬偉明已經敏銳的意識到，未來的艦載系統會包括激光、電磁能量武器甚至是電磁彈射和電磁炮都會上艦應用，在交流體制中會出現各自為政的情況，各個儲能用電都會成為架在中壓交流體系中的個個孤島！

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供電、分層儲能、模塊隔離的架構。發電、儲能、負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運行。這種設計思路與我國近年來強調的“體系生存力、抗毀性、快速恢復能力”高度一致，也更符合艦艇在戰損、電磁干擾等復雜環境下的使用需求。

之后則是中國在特高壓直流輸電、電力機車、軌道交通、新能源并網等領域的長期發展、長期大規模使用直流系統，高壓直流換流、模塊化功率器件、直流保護與隔離技術都經過了工程化反復驗證，中國采用中壓直流體制不是一蹴而就的，是馬偉明高瞻遠矚以及多項技術突破與中國產業體系結合發展相輔相成的結果。

不過有一點要說明，中國確實是采用了中壓直流體制，但電磁彈射卻完全是一個意外之喜！003航母福建艦在定型時選擇的是蒸汽彈射，船體結構也是為蒸汽彈射設計的，但是馬偉明主導設計的電磁彈射進度相當驚人，并且穩定性和性能雙雙遠超蒸汽彈射，最終改動船體結構，將蒸汽彈射換成了電磁彈射。

所以有個有趣的話題，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，但是要將兩者結合起來估計也會讓馬院士頭疼不已，但是沒有如果，中國在這種戰略方向的選擇上絕大多數時候都是選擇正確的。