电磁弹射：中压直流那么优秀，为什么美国一开始就选了中压交流？

2020年6月2日，美军福特级CVN-78“福特”号航母正在大西洋海域进行独立航行与飞行训练、舰载机弹射起飞和作业测试，F/A-18舰载机被换换拖到舰首的弹射阵位，挡焰板已经竖起来了，加班操作人员正在将弹射杆与起落架连在一起，剪切销也挂到了止动位上，飞行员正在扳动操纵杆检查战斗机的各个翼面是否正常。

当时已经是福特号服役的第三年，一直以来福特号航母的电弹就非常不稳定。各种舰载机以及不同载荷下的弹射曲线调整，因为系统不稳定的局部固件升级，还有因为临时进行的测试搞得通用原子随舰工程师焦头烂额，这次训练正是一段时间调整后的小规模测试，看看调整是否能产产生相应的正向结果。

甲板工作人员已经向控制室表明这次弹射的总质量，F/A-18的加力也已打开，飞行员准备OK的手势信号已经发出，黄马甲已经半蹲准备好弹射！就在弹射按钮按下的瞬间，控制室里的弹射器故障灯突然疯狂的闪烁起来，弹射控制手已经见怪不怪了，这种事情已经经历了很多次，弹射停止信号发出，F/A-18发动机熄火，一切归于平静.........

通用原子的多位随舰工程师第一时间已经就位甲板下方的那台庞大的电弹中频电源控制室里，这是为四条弹射器按控制室传过来的战斗机吨位、种类设定弹射曲线、供给中高频电源的大型中频电源。很明显这不是单独的四路电源，而是使用了冗余设计的，能够互为备份，凝结了通用原子十几年心血的电磁弹射中频电源。

这次报了一个从未见过的故障码，按操作说明要求需要相应模块局部重置之后即可解决！然而在重置完相关模块后，故障码变成了另一个范围更大的代码，按操作说明，必须重置整套系统才能恢复，这个事情就有点头大了，因为这套系统同时为四条弹射器供电，重启一次至少十几分钟，这就意味着至少在未来差不多半个小时内无法弹射任何舰载机！

在请示当日训练飞行指挥官“Air Boss”以及舰长等一系列流程后，通用原子的随舰工程师终于进入了重置流程，几分钟后这套系统在巨大散热风扇轰鸣声中突然沉寂下来，终于停机了！随后就是各个子系统加电，逐一启动，结果还没启动1/3就故障码乱闪，大面积的模块接连报错。通用的工程师们的脑袋中闪过一个最可怕的传说，终于在这次重启中复现了！

传闻就是这套系统在启动后千万不要复位重启，否则能顺利重启的概率小于10%......原本只有一条弹射器故障，现在四条弹射器彻底瘫痪，目前的福特号航母就成了在大西洋上的活靶子，要是有战斗机对福特号发起突袭，那么它除了几枚防空导弹外没有任何回击手段。

在几十名通用随舰工程师都无法解决后，通用原子电磁弹射的高级工程师们被紧急召集，先是抵达纽波特纽斯会合，然后乘坐直升机紧急赶往福特号！如你所想，高级工程师到位也没用，故障码乱闪，完全无法解决！不过这帮工程师中还是有高人，在众多故障码中确认了一个核心故障码，在启动阶段引导时直接绕开这个模块，然后再启动完成后再接入。

问题终于解决，但时间已经来到了6月7日！整整6天，美军福特号航母没有一条弹射器可以使用！在场的技术人员被再三警告，这套系统绝对不允许随意重置复位！之后有没有重启复位咱不知道，但6天没有弹射器可用这种天下奇闻在之后确实没有听说了！

福特号的电弹到底是什么问题：为什么要四条弹射器共用一套电源？

福特号的电弹问题已经全球闻名！据公开报道的数据，在早期试验阶段福特号电弹平均无故障弹射次数只有~181次，经过多年改善后的2022年，这个平均无故障周期达到了~614次，但美军原先定下的目标是~4166次以上，大约只有目标的15%。

除了这个最致命问题外，福特号的电弹（EMALS）还有两个一般致命的问题，比如在EMALS工作时的强大功率需求对航母的综合电力系统冲击很大，甚至会影响全舰电力调度和其他系统的正常运行；

还有一个问题是福特号的EMALS无法弹射F-35C，目前无法确定究竟是F-35C的重量超出电磁弹射的极限还是电弹工作时的电磁辐射影响F-35C的机载电子系统工作，但无法弹射F-35C是真的。

除了这三个致命问题外，其他比如对维护技术人员要求高、对不同飞机要反复调试参数等等已经不算啥问题了，这些问题都是可以克服的！特朗普三番五次要求换回蒸汽弹射，最近一次是去年10月28日在日本横须贺的“乔治华盛顿号”航母上称已经签署文件换回蒸汽弹射。

这个让特朗普暴怒的四条电弹共用一套电源，这种天才的设计怎么会出自通用原子的工程师之手？这种在军用装备中近乎智障的设计到底是怎么搞出来的？看完下文估计你也得同情通用原子的那些高级工程师！

通用原子也是迫不得已：那是中压交流的痼疾

问题最终还是指向了福特号电弹选择的中压交流路线，与中国电磁弹射选择的中压直流路线不一样，交流的问题之大在电磁弹射方向的缺陷其实是一个中学生都能看明白的！

一般意义上的交流电指的就是正弦波，舰载中压交流比如福特级航母用的是4160V三相正弦波交流电，60Hz。教科书上的交流电都是理想的正弦波，但在实际生产环境中会因为负载特性、电网结构、设备运行等多类因素产生谐波、频率偏移、相位畸变等问题。

如果波动大了轻则是用电器损耗增加，产生不正常温升烧毁电机和用电器，重则会引发并网失败甚至电网崩溃。聊电磁弹射怎么突然说到正弦波交流电了？那是因为福特级航母用的就是中压交流系统，并且福特级的电磁弹射就是从MVAC（舰载综合中压交流系统）母线中取电。

电磁弹射的特性是在2-3秒内将一架将近30吨重的舰载机从零加速到240公里/小时的起飞速度，功率可达几十兆瓦，MVAC电网在遭遇这种超级功率的用电面前，谐波、频率偏移、相位畸变等各种奇葩问题全都出来了。

所以在福特号运营过程中出现的“EMALS工作时的强大功率需求对航母的综合电力系统冲击很大，甚至会影响全舰电力调度和其他系统的正常运行”的问题就是电弹的强大用电需求对交流电网造成的冲击，就像某家公司的超大功率电机启动时可能会导致整个供电区域的灯光变暗甚至部分设备可能会跳闸的道理是一样的。

另一个问题更有趣，可以说是一个恶性循环！电磁弹射用的是中高频脉冲电源，从另一个意义上来说也是交流电，但这种交流电是通过IGBT设备转换后受控的交流电，从舰载交流电到“受控交流电”中间需要有一个直流转换环节。

这样一次转换就足够了吗？答案是NO！需要转换两次，环节是在让各位想不到的飞轮储能环节，这是减缓电弹对MVAC电网冲击的有效手段，使用高速旋转的飞轮储能，然后再舰载机弹射的瞬间释放出来，但是问题来了，对旋转飞轮的加速的转速变化以及放电时减速过程造成的频率与相位变化，需要将其转换为直流变频，然后再将发出来的交流电整流成直流，各位会发现需要：

核反应堆发电→中压交流AC→整舰配电AC→变流DC→变频AC→飞轮储能→变流DC→EMALS变流→发射

这种AC-DC转换多了就会出问题，每一次转换都会引入控制延迟，新的故障点以及新的保护逻辑，所以就要求EMALS应用层软件必须处理电网状态感知、并网条件判断、多源供电协同、频率/相位扰动预测，所以这个交流就把通用原子的工程师给逼疯了！

你们根本无法体会这种工程的复杂度，这就是为什么通用原子会把四条弹射器的电源设计成一套的原因，如果搞四套的话这个工程实在是太复杂了，还需要相互之间协调，简直就是一个噩梦！并且这么多保护逻辑之后会导致一个EMALS应用层保护的怪异逻辑：“飞机没问题，弹射器也没坏，但系统判定就是不能用。”

“EMALS被框定在一个极其狭窄的工作状窗口，容错阈值非常低。”

这也是福特号电磁弹射故障率极高的原因，只要这个环节中有一个模块有问题，那整套系统就得瘫痪，这是个无解的难题！当然要解决也不难，换成中压直流即可！整个环节就会变成

路线一：发电→中压直流DC→整舰配电DC→变频AC→飞轮储能→变流DC→EMALS变流→弹射

路线二：发电→中压直流DC→整舰配电DC→超级电容储能→变流DC→EMALS变流→弹射

路线三：发电→中压直流DC→整舰配电DC→电池+超级电容储能→变流DC→EMALS变流→弹射

环节少了好几个，大功率用电对直流电网唯一的冲击可能会引发电压波动，但没有频率波动，也没有相位漂移，因为直流电根本就没这两个指标，更没有AC-DC换来换去的各种问题！简直就是为舰载综合电力网量身定做的电源类型，电磁弹射选择直流尽管难题依然很多，但那些从娘胎里带来的问题都没了，专心解决电磁弹射的问题即可。

中压直流那么优秀，为什么美国不选中压直流？

这个问题其实大家都知道了，交直流那种体制用得最普遍？这个答案其实在爱迪生和特斯拉的交直流大战时就明确了，交流电非常合适，可以升压远距离输电，要用电随时可以用变压器降到合适电压，要直流电一套换流设备即可，桥式整理稳压成本低到几毛钱一个。

所以从美军诞生航母的那天开始，舰载电力系统就是交流电，在1980年代~1990年代舰载综合电力系统（发动机发电，通过输电系统直接到船用推进电机，省掉了变速箱，传动大轴等）发展后，美国很自然的就采用了交流体制。

那会没有那么多幺蛾子的用电设备，主要还是船用电机、雷达以及舰载电子系统用电！其实当时也已经出现了激光、电磁武器的需求，但是很奇怪，美国的船用综合电力系统并没有考虑这些短时间极高功率的能量武器用电需求。

之后大家都知道了，中压交流美军舰载综合电力系统的标配，尼米兹的后续舰采用的都是这个标准，再后来朱姆沃尔特级驱逐舰用的也是，后续设计的福特级也都一脉相承的延续了中压交流体制，很自然的在电磁弹射的路数上也是采用了中压交流体制。这个是没办法的事情，因为几乎所有的舰载设备都是中压交流体制，如果突然有天要改成中压直流，那是不是所有设备都得推倒重来？

中国又是什么走上中压直流体制的呢？

中国刚开始选择的也是中压交流路线，原因很简单，当时的欧美采用的都是交流体制，直流没有先例！另一个是直流输变电不成熟，几乎所有的设备都是交流体制，直流变换器、直流断路器、能量管理系统等全部需要重新设计，难度实在太大！

当时的海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室主任、教授、中国工程院院士马伟明已经敏锐的意识到，未来的舰载系统会包括激光、电磁能量武器甚至是电磁弹射和电磁炮都会上舰应用，在交流体制中会出现各自为政的情况，各个储能用电都会成为架在中压交流体系中的个个孤岛！

如果采用中压直流就完全不一样了，中压直流体制天然适合做成分区供电、分层储能、模块隔离的架构。发电、储能、负载之间通过电力电子接口解耦，某一模块出问题，可以快速隔离而不影响全系统运行。这种设计思路与我国近年来强调的“体系生存力、抗毁性、快速恢复能力”高度一致，也更符合舰艇在战损、电磁干扰等复杂环境下的使用需求。

之后则是中国在特高压直流输电、电力机车、轨道交通、新能源并网等领域的长期发展、长期大规模使用直流系统，高压直流换流、模块化功率器件、直流保护与隔离技术都经过了工程化反复验证，中国采用中压直流体制不是一蹴而就的，是马伟明高瞻远瞩以及多项技术突破与中国产业体系结合发展相辅相成的结果。

不过有一点要说明，中国确实是采用了中压直流体制，但电磁弹射却完全是一个意外之喜！003航母福建舰在定型时选择的是蒸汽弹射，船体结构也是为蒸汽弹射设计的，但是马伟明主导设计的电磁弹射进度相当惊人，并且稳定性和性能双双远超蒸汽弹射，最终改动船体结构，将蒸汽弹射换成了电磁弹射。

所以有个有趣的话题，要是中国也选了中压交流体系，就算马伟明搞出了高性能中压直流体系的电磁弹射，但是要将两者结合起来估计也会让马院士头疼不已，但是没有如果，中国在这种战略方向的选择上绝大多数时候都是选择正确的。