一說起新入列的颯“福建艦”，大家最愛聊的福建當(dāng)屬電磁彈射，電磁彈射說白了，艦電就是磁彈在彈射過程中，用電磁力代替蒸汽的射視聲力量。

它聽起來有點(diǎn)像未來科幻電影里的頻刷屏場景，但從原理上來說卻并不稀奇——就是不易一臺“橫躺著”的巨大電動機(jī)。

圖片來自參考資料[1]

這種電動機(jī)與我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷娘S電動機(jī)不同，像電動車上的福建電動機(jī)，都是艦電旋轉(zhuǎn)的——通電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力。

而電磁彈射的磁彈原理，便是射視聲將旋轉(zhuǎn)電動機(jī)沿徑向切開并“展平”，讓原本繞圈轉(zhuǎn)的頻刷屏磁力，變成沿跑道方向的不易一股強(qiáng)大直線推力！

11月5日，颯我國第一艘電磁彈射型航空母艦福建艦入列授旗儀式在海南三亞某軍港舉行。新華社記者李剛攝

具體來說電磁彈射系統(tǒng)通過一條近百米的直線電機(jī)軌道，讓一個(gè)被稱為“動子滑塊”的裝置在甲板上運(yùn)動，像我們?nèi)映黾堬w機(jī)時(shí)那樣，牽引艦載機(jī)并幫它飛向天空，以極短的距離獲得起飛所需的速度。

盡管電磁彈射的原理聽上去簡單，但實(shí)踐起來卻難到極致，原因主要有以下這些：

能量強(qiáng)大難駕馭

在彈射器這條百米軌道里，隱藏的是幾十兆瓦能量在瞬息之間噴薄而出的恐怖能量。據(jù)公開資料推算，要讓一架三十多噸重的艦載機(jī)在短短三秒內(nèi)從靜止加速到 250 公里每小時(shí)，需要的總能量可達(dá) 120 兆焦（含損耗）。

圖片來自參考資料[1]

而一次彈射的瞬時(shí)峰值功率可達(dá)驚人的 60 兆瓦。而2025年7月7日16時(shí)55分，深圳電網(wǎng)用電負(fù)荷今年內(nèi)首次創(chuàng)歷史新高，達(dá)2371.86萬千瓦[3].

據(jù)此粗略估計(jì)的話，福建艦每彈射一架飛機(jī)，其瞬間功率，最高可相當(dāng)于一座深圳這樣的超大型城市 0.25%的電力負(fù)荷！

如果航母電網(wǎng)直接承受這樣的“能量洪流”，整個(gè)艦上的照明、雷達(dá)、火控系統(tǒng)都會瞬間“黑屏”，甚至可能導(dǎo)致災(zāi)難性的電網(wǎng)崩潰。所以，它不能直接從航母主電網(wǎng)取電，而必須啟用一個(gè)巧妙的“能量緩沖系統(tǒng)”。

這個(gè)能量緩沖系統(tǒng)，利用“零存整取”的方式，設(shè)計(jì)了儲能裝置，能以較小的功率長時(shí)間地從艦上電網(wǎng)中吸收和存儲能量，當(dāng)儲存的能量滿足發(fā)射所需后，一旦接到發(fā)射命令，立即向外釋放能量。[4]

而電磁彈射系統(tǒng)的工作方式類似——它會在幾十秒的彈射間隙里從航母電網(wǎng)中平穩(wěn)地“充電”，再在短短三秒內(nèi)將儲存的龐大能量一次性“放電”。

一些常見儲能方式性能對比  圖片來自參考資料[1]

作為電磁彈射技術(shù)的開創(chuàng)者，美國海軍的探索之路充滿艱辛與波折。

這項(xiàng)名為“電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng)”（EMALS, Electromagnetic Aircraft Launch System）的宏大計(jì)劃，早在上世紀(jì) 90 年代末便已啟動，其目標(biāo)是為新一代的“福特”級核動力航母配備革命性的彈射技術(shù)。

這也是本世紀(jì)初美國海軍決定停止蒸汽彈射器開發(fā)，在其新一代航母上采用電磁彈射系統(tǒng)的原因。

作為主承包商，美國通用原子公司選擇了一條在當(dāng)時(shí)看來最為穩(wěn)妥，但也最為復(fù)雜的“機(jī)械-電氣”混合技術(shù)路線。

其儲能系統(tǒng)的核心，是四組巨大的飛輪儲能器（FES）。每一組的核心是一個(gè)重達(dá)數(shù)噸的飛輪轉(zhuǎn)子，被封裝在真空罩內(nèi)，通過電力驅(qū)動加速到每分鐘 6400 轉(zhuǎn)的高速。

在短短 45 秒的充電時(shí)間內(nèi)，巨大的動能被存儲在飛輪中。當(dāng)彈射指令下達(dá)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪瞬間切換角色，變成一臺大功率發(fā)電機(jī)，與一個(gè)復(fù)雜的變頻器（Cycloconverter）協(xié)同工作，在3秒內(nèi)將儲存的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為高達(dá) 6400 安培的強(qiáng)電流，驅(qū)動甲板下方的直線電機(jī)。

這套方案實(shí)踐中卻暴露出一系列棘手的問題。

飛輪系統(tǒng)龐大又沉重，最初的設(shè)計(jì)嚴(yán)重超重超體積，雖然經(jīng)過多次改進(jìn)，但整個(gè)系統(tǒng)依然極為龐大，擠占了寶貴的艦內(nèi)空間。

而且，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶來了劇烈的振動、發(fā)熱和陀螺效應(yīng)，持續(xù)干擾航母的航行穩(wěn)定性，其軸承和潤滑系統(tǒng)也成為故障高發(fā)區(qū)。

為了解決體積超標(biāo)問題，設(shè)計(jì)師做出了一個(gè)妥協(xié)——讓四條彈射器共享電力電子變換模塊。

這導(dǎo)致了一個(gè)致命缺陷：任何一條彈射器出現(xiàn)故障需要檢修，必須將整個(gè) EMALS 系統(tǒng)全部斷電。這意味著在作戰(zhàn)期間，EMALS 無法像蒸汽彈射器那樣“壞一條，用三條”，一個(gè)部件的失靈可能導(dǎo)致整個(gè)航母戰(zhàn)斗力的癱瘓。

從 2010 年陸上試驗(yàn)時(shí)發(fā)生“往復(fù)車反向撞擊”的軟件事故，到裝艦后遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)的“平均無故障彈射次數(shù)”（MCBF），EMALS 的可靠性問題一直困擾著“福特”號。

根據(jù)美國國防部作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定局的報(bào)告，其早期可靠性僅為目標(biāo)值（4166 次）的十分之一左右，這意味著在高強(qiáng)度出動時(shí)，系統(tǒng)幾乎必然會發(fā)生故障。那中國又是怎么解決這個(gè)問題的呢？

電磁彈射突破，來自理念更新和技術(shù)融合

就在美國為 EMALS 的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)頭疼不已時(shí)，大洋彼岸的中國，正站在一個(gè)關(guān)鍵的十字路口。

當(dāng)中國的航母事業(yè)迎來曙光，一個(gè)決定未來方向的戰(zhàn)略選擇擺在了面前：是跟隨美國的技術(shù)路線，先模仿蒸汽彈射，再研發(fā)電磁彈射？還是抓住技術(shù)變革的機(jī)遇，直接跨越蒸汽時(shí)代，向電磁彈射發(fā)起沖擊？

2022年福建艦下水命名儀式現(xiàn)場。新華社記者 李剛 攝

選擇后者，關(guān)鍵人物是一位名叫馬偉明的海軍少將、中國工程院院士。他和他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，以驚人的遠(yuǎn)見和魄力，力排眾議，立下了“一定要搞出中國自己的電磁彈射”的軍令狀。

馬偉明院士的底氣，并非源于一時(shí)沖動，而是基于一項(xiàng)更深層次、更具顛覆性的技術(shù)突破——艦船中壓直流綜合電力系統(tǒng)。

根據(jù)這個(gè)思路，電磁彈射絕不應(yīng)是一個(gè)孤立的單元，而應(yīng)是未來艦船網(wǎng)絡(luò)的一部分。

這套綜合電力系統(tǒng)，就如同為航母構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定、高效、靈活的智能電網(wǎng)，而電磁彈射、電磁炮、高能激光等未來武器，都只是這個(gè)電網(wǎng)上的“高功率插件”。

圖片來自參考資料[2]

而在儲能方面，據(jù)推測，中國的工程師很可能繞開美國復(fù)雜的飛輪儲能方案，直接采用了一條更先進(jìn)、更可靠的全電子化路線，沒有高速旋轉(zhuǎn)部件，可靠性與安全性實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

2024年5月1日8時(shí)許，我國第三艘航空母艦福建艦從上海江南造船廠碼頭解纜啟航，赴相關(guān)海域開展首次航行試驗(yàn)。這是拖船正在將福建艦拖離碼頭（無人機(jī)照片）。新華社發(fā)（蒲海洋攝）

雖然電磁彈射有很多優(yōu)點(diǎn)，然而，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)以數(shù)十兆瓦的電功率釋放能量時(shí)，哪怕只有幾秒鐘，它也不再只是一臺將飛機(jī)彈射向天空的機(jī)器，更是一臺巨大的電磁脈沖發(fā)生器。

而電磁脈沖會帶來很大的問題，這個(gè)問題就是——電磁干擾（EMI）。

強(qiáng)烈的瞬變電流會激發(fā)狂暴的電磁波，這些無形的電磁噪聲，有點(diǎn)像生活中的噪音弄得我們心煩意亂那樣，影響周遭的電子設(shè)備工作。

而航母是什么？它是一個(gè)被無數(shù)電子設(shè)備武裝到牙齒的浮動堡壘：相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛行數(shù)據(jù)鏈……

這些設(shè)備對電磁環(huán)境的要求近乎苛刻。一旦彈射的瞬間發(fā)生嚴(yán)重干擾，雷達(dá)屏幕上的目標(biāo)可能會“瞬間消失”，通信鏈路可能短暫中斷，甚至連艦載機(jī)的無線電里都可能傳來刺耳的尖嘯。

為了馴服這電磁干擾，我們的工程技術(shù)人員設(shè)置了多層防護(hù)， 從結(jié)構(gòu)、材料到算法，提出了一整套復(fù)雜的電磁兼容（EMC）解決方案。而福建艦在海試中，也充分驗(yàn)證了電磁彈射與航母動力、艦載機(jī)等系統(tǒng)的適配性和兼容性。[5]

精細(xì)控制，未來可期

不過，電磁彈射的真正意義，遠(yuǎn)不止讓航母的運(yùn)作方式發(fā)生革命。電磁彈射可不是簡單的 “力大磚飛”，電磁彈射時(shí)刻處于精密控制下。

在整個(gè)彈射過程中，控制系統(tǒng)能精準(zhǔn)控制滑塊的加速度曲線。這個(gè)系統(tǒng)可以讓彈射起步階段迅猛而不狂暴，中后程則平滑穩(wěn)定地持續(xù)發(fā)力。

這樣一來，飛行員的體驗(yàn)從蒸汽彈射器那種“被狠踹一腳”的體驗(yàn)，變成了被一股強(qiáng)大而柔和的力量平穩(wěn)托起，而飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的疲勞損傷也大大降低。

更重要的是，電磁彈射控制系統(tǒng)是智能的。面對幾噸重的無人機(jī)或是三十多噸的重型戰(zhàn)斗機(jī)，系統(tǒng)都能自動匹配最佳的“彈射方案”，而這是蒸汽彈射器完全無法企及的智能化。而這其實(shí)代表的是一種可以對龐大能量進(jìn)行精準(zhǔn)時(shí)空分配的能力，而這種能力，可不止能用在航母上。

具體來說，同樣是直線電機(jī)，推的可以是艦載機(jī)，可以是高速列車，也可以是彈丸甚至航天器。

假設(shè)能在地面建設(shè)一條長達(dá)數(shù)公里的超長電磁軌道，將空天飛行器水平加速到 0.8 馬赫甚至更高，然后再點(diǎn)燃自身的火箭發(fā)動機(jī)，這樣就能節(jié)省很多火箭燃料，而省下的每一公斤燃料，都意味著可以多帶一公斤的有效載荷進(jìn)入軌道。

福建艦的電磁彈射，凝結(jié)了各行各業(yè)的最新成果，而未來這些技術(shù)的結(jié)合，也許除了能幫助艦載機(jī)翱翔在大海上，還能幫我們邁向星辰大海。

參考文獻(xiàn)

[1]馬偉明, 魯軍勇. 電磁發(fā)射技術(shù)的研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2023, 38(15): 3943-3959. 

[2]馬偉明, 肖飛, 馬凡. 艦船綜合電力系統(tǒng)研究進(jìn)展與應(yīng)用建議[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2024, 17: 6761-6774.

[3]https://www.xinhuanet.com/20250707/b9e90bb2cd914938b48811bf8763fbbd/c.html

[4]http://www.81.cn/jfjbmap/content/2020-11/20/content_276334.htm

[5]https://news.cnr.cn/native/gd/20251108/t20251108_527423502.shtml

策劃制作

作者丨魯坦  科普作者  軍事博主

審核丨孟健 原陸軍某部工程師

策劃丨張林林

責(zé)編丨丁崝

審校丨徐來、張林林