我们欠003航母一张绿牌

什么新技术对海军最重要？

答案是：能源技术。

相比起陆军空军火箭军，海军可能是最迫切需要能源技术的兵种。毕竟，99A主战坦克只有55吨，An-225的最大起飞重量也才640吨，而海军舰队里最小只的护卫舰，排水量也在2000吨以上。

实际上，自从人类的战场从陆地转移到了水面，能源和动力就成了天字第一号问题——不论什么时代，不论哪个国家，海军都掌握着当时最强大的动力——古代是风帆，近代是蒸汽机，现代则是核反应堆。而在这个“新能源”成为大趋势的时代，海军舰艇上也必然会出现一些“新能源”的东西。

美国海军密苏里号战列舰，蒸汽动力时代的代表

6月17日，人民海军的“福建号”航空母舰下水，与此同时，国产电磁弹射装置首次在官方媒体上得到了确认。

OK，家人们，稳了，003航母，八成是要上绿牌了。

今天，我们就来仔细盘一盘003航母的电磁弹射以及它背后的综合电力系统。

读懂电磁弹射

为什么中国军迷们一看到003的电磁弹射就立刻面色潮红、情绪激动、陷入高潮？

因为在现代海战中，弹射器技术是妥妥儿的“神器”。

众所周知，航母的精华在于舰载机。“辽宁号”和“山东号”虽然也能搭载强悍的J-15重型舰载战斗机，但她们俩船都采用的是常规的“滑跃起飞”模式。这种模式的好处是简单易行，飞行员一脚油门就能上天。但缺点也非常明显：滑跃起飞模式下的舰载机只能靠自己的力量达到起飞速度，想在短短一百米的跑道上冲刺到起飞速度，就只能尽可能减轻机身重量——滑跃起飞模式下的J-15，是没有办法加满燃料、挂满导弹的——滑跃起飞的航母，没办法让J-15发挥出它真正的实力。

想让J-15完全发挥出自己的实力，就必须用到弹射器。

为了更好理解电磁弹射的牛逼之处，我们需要先了解一下它的前辈——蒸汽弹射器。看懂了蒸汽弹射的落后，我们才能了解电磁弹射的先进。

蒸汽弹射技术在50年代就已经出现了。但今天完整掌握蒸汽弹射器研发、制造、使用技术且还在实际应用的，只有美国一家。法国戴高乐航母的蒸汽弹射器也是从美利坚进口的。美国在蒸汽弹射器技术上已经耕耘了几十年，C-13型蒸汽弹射器是美国海军不折不扣的“传家宝”，从艾森豪威尔一直用到拜登。

蒸汽弹射技术的原理简单粗暴——通过猛然释放高温高压的蒸汽，将蒸汽的压力转为飞机的推力。美国C-13蒸汽弹射器能在两秒钟之内把满载状态34吨的F-14战斗机加速到330km/h的起飞速。

虽然原理异常简单，但蒸汽弹射器的加工制造却是“老大难”问题。举个例子来说，蒸汽弹射器由20多个气缸串联而成，每一个气缸长度约4米左右。在弹射飞机的时候，由于每一个气缸都要承受高温高压蒸汽的摧残，因而每一个气缸都会发生一定程度的形变——研发制造蒸汽弹射器的难点就在于：你要怎么样才能保证这二十多个气缸在剧烈运动之后还能保持一致？

美国蒸汽弹射器的气缸

如此精密的东西，在战斗中的生存能力也是堪忧的——万一有个不长眼的弹片恰好打到了气缸上，整个弹射器就废了。

抛开难度和成本不谈，蒸汽弹射的性能也多多少少有些尴尬：

首先，蒸汽弹射器的操作太笨了——因为动力来源于高压蒸汽的猛烈释放，所以人们很难去调节弹射器的出力大小，有些时候根本不需要那么大的推力，但蒸汽弹射器不管那么多，照样全力以赴——如此猛烈推力带来的巨大加速度对于飞机结构和飞行员身体都有很严重的损害。

第二，蒸汽弹射器的效率太低了——堪称是“酝酿十小时，激情八分钟”——蒸汽弹射器每弹射一架飞机就需要消耗625公斤蒸汽和1吨多的淡水。在紧急状态下，如果以一分钟一架的频率进行弹射，8架之后，航母锅炉的压力就会丧失20%，航母自己的动力就会大打折扣。而且，蒸汽弹射器在使用前需要准备十几个小时，很容易贻误战机。

第三，蒸汽弹射器又大又重又费事儿——蒸汽弹射器系统需要各种大型蒸汽储存罐和管道，总体积1000立方米以上，重量500吨，同时还需要570人的团队随船伺候它——这意味着：你不仅要在航母上给蒸汽弹射器留足够的空间，还得安排它背后这570个人的生活空间和吃喝拉撒。航母再大，空间也不是无限的，要是能把这些空间省出来多装点飞机或者导弹，战斗力会更高。

相比起蒸汽弹射，电磁弹射则完全不同。

福特号航母的电磁弹射装置正在安装

电磁弹射器的原理也很简单粗暴——本质上来说，电磁弹射器就是一个电动机。只不过我们平常见到的电动机是绕着轴心转圈圈，电磁弹射器则是把电动机“展平”，把“转圈圈”改成直线运动——工厂里的直线电机和电磁弹射器在原理上是一样的。

蒸汽弹射器的每一个弱势项目都是电磁弹射器的优势领域：

首先，电磁弹射器的操作非常灵巧，可以很轻松地控制弹射器出力大小——根据公式，电磁驱动力和电流的平方成正比。需要较大的力量就加大电流，需要较小的力量就降低电流，非常好操作。因此，电磁弹射器不仅能弹射几十吨重的满载战斗机，还能弹射几十公斤的无人机。并且，电磁弹射还可以根据飞机的重量设定最佳出力，从而减少对机体结构和飞行员身体的损害。

其次，电磁弹射效率极高——从启动到开始弹射只需要十几分钟的时间。以美国“福特号”航母的电磁弹射装置为例，极限状态下，一天可以出动300架次舰载机——平均每5分钟就能起飞一架。

第三，电磁弹射器又小又轻还省事儿——电磁弹射系统由直线电机、弹射轨道、电力电子系统、储能装置、弹射控制系统构成——而其中直线电机和弹射轨道都在甲板上，埋在船舱里的只有电力电子系统、储能装置和弹射控制系统。整套系统的体积不过600立方米，重量只有250吨左右，服务人员只需要150人。

原理很简单，性能也很好，那为什么除了中国和美国，英法俄这些国家都没有搞电磁弹射呢？是不想吗？

新能源，但是在海军

电磁弹射器，全球海军都在面临的难题，目前只有中美两国给出了答案。而电磁弹射器，只是海军“高能武器”家族里最基础的一环——电磁炮、激光武器、电磁装甲等等未来科技才是大方向。

实际上，如果我们把视角从海军抽出、拔高，我们会发现：电磁弹射器在内的“高能武器”只是新能源革命传导进国防工业的产物——电磁弹射也好，电磁炮也好，高能激光炮也好，驱动它们的底层力量是电力相关的技术。

举个例子来说吧，电磁弹射的优势就在于它可以快速响应，从冷铁状态到开始弹射只需要十几分钟的时间。之所以能这么快，就是因为电磁弹射用的是“飞轮储能”而不是蒸汽压力罐。

中间白色的转轮就是转子

飞轮储能装置简单来说就是在一个真空容器里放入一个碳纤维和树脂制成的、结构超强的转子，通过磁悬浮轴承使其“漂浮”在真空室内，最大限度杜绝了摩擦和阻力。储能的时候，就给它加电，让它变成一个电动机，把电能转化成转子的动能，最高可以达到每分钟50000转。需要放电的时候，就让它变成发电机，再把动能转化成电能——这套系统在几十毫秒的时间里释放出120亿焦耳的能量且再次充放电的准备时间只需要45秒钟。

从这里我们就能看出来问题所在：想要电磁弹射，就要先有储能系统；想要储能系统，就要先有磁悬浮轴承。而想要有磁悬浮轴承，需要什么呢？答案是：高温超导技术。

以前虽然也有磁悬浮轴承，但那都是只有在实验室超低温度下才能做出来的样机，根本没办法实用化。直到最近二十年，人类攻克了高温超导材料，磁悬浮轴承才进入了实用化阶段。

而有意思的是，中国的高温超导技术在全球范围内数一数二，第二代高温超导材料已经实现了产业化运作。

中国的飞轮储能系统也早就已经进入了民用阶段——河北邯郸到山西长治的铁路线上就装备了自主研发的民用级飞轮储能装置。马伟明院士的得意门生、35岁破格成为教授的王东就曾经拿过一项专利“一种立式混合磁悬浮飞轮储能系统”——根据公开的资料显示：该技术乃是电磁弹射的核心技术。

2014年之前，海军工程大学就已经搞定了50MW级别的飞轮储能装置。至于另外一种通过“超级电容”进行储能的技术路线，中国的进展也很好，目前也已经是世界一流水准。

除了储能，电磁弹射所依赖的另一个技术就是对直线电机的控制——如何精确、实时地控制电流大小从而使得弹射器获得恰到好处的出力。

这个技术是不是听上去有点熟悉？

这不就是新能源汽车么！

新能源汽车的“三大件”里面就包括了“电机控制”。而且目前国内的电机控制器市场也基本都是国内厂商的天下——比亚迪是老大，占了四分之一的份额；北汽新能源亚军，占了9.2%的份额。还有一个叫“大洋电机”的公司，本来是做空调之类的家电电机的，现在转做电机控制器，出口产品已经拿下了北美60%的市场，福特、大众、沃尔沃都从他家买东西。

这说明什么？这说明电机控制领域中国也很强，至少在民用市场上，电机控制系统的“国产替代”已经不是问题了。

对了，别忘了，高铁实际上也是电动车——一个比亚迪造电动汽车，一个中国中车造电力机车，两家同时也是中国IGBT的龙头企业——IGBT恰恰就是电机控制器里的核心零部件。

有了储能装置，有了电机控制系统，再配上一些辅助系统和电力电子系统，我们就距离属于自己的电磁弹射器不远了。

综合电力系统

储能装置、电机控制我们都搞定了，电磁弹射系统也就呼之欲出了。但众所周知，电磁弹射系统是个用电大户而航母上需要用电的地方很多，所以，新的问题又出现了：如何在航母上“一碗水端平”，既能满足电磁弹射的电力需要，又能保证其他部分正常运行？

于是，马伟明院士的“中压直流综合电力系统”闪亮登场。

根据国家知识产权局2013年12月18日的一份专利申请书显示：海军工程大学马伟明院士团队开发了一个名为“中压直流区域配电系统”的东西，它可以合理地分配电能，以保证全船电力负荷得到规定品质的电力供应，还能确保电网故障的时候维持最大范围的供电连续性，在各种紧急状态下，向保证船舶安全所需要的重要电气设备供电。

美军当年走的就是这条技术路线：1994年美军提出了综合电力系统的构想，1995年美军就和洛克希德马丁公司签署了合同，重点投资了永磁电机、电力电子逆变器和区域配电系统。

只不过，美国人吃了“先发”的亏。90年代全球整体的技术实力和最近十年都不可同日而语，美军当时受限于技术因素，只能选择中压交流电制。这玩意儿天生就有缺点：交流电的变换损失大，传输效率也低、稳定性也不高、体积也大——美军现在正在努力从交流电转换成直流电。

我们则不同，由于中国起步较晚，所以吃到了时代红利——我们可以直接从交流电方案开始做。马伟明院士团队经过反复的研判，最终提出了“中压直流”技术路线，然后用了10年时间解决了这个技术难题。全球同行们于是纷纷转向，大家都开始搞中压直流。

如果我们梳理相关的新闻，我们会发现中国人真的是在一步一个脚印地拿下综合电力系统：

2014年2月28日，航天九院推出的“全光纤直流电流测量装置”顺利通过了海军舰船综合电力系统直流断路器系统联调。

2017年6月28日，055大型驱逐舰下水，一代半混合综合电力系统得到了实际列装。

同样是在2017年，央视《深度国际》栏目中说到：中国海军的某种新型核潜艇采用了综合电力系统进行推进，采用了无轴泵推技术，特别适合大洋高速航行作战。

实际上，马伟明院士不仅在军用领域做出了贡献，在民用领域也有优秀的表现——马伟明团队成功研制出了大功率的风力发电变流器，性能优于国外同行的产品。风力发电变流器国产化成功的消息一放出来，国外厂商立刻开始跳水大甩卖——原来230万元一套的设备，现在立减60%，只要90万元。

今天，我们都已经熟悉了马伟明院士的那句名言：领先就领先美国，美国也是从这条路线上走的。

网上有句话说得好：不管什么高级技术，只要中国人学会了，就能把它做成白菜价。

美国海军和洛克希德公司率先发起的“综合电力系统”听上去好像极其高端，感觉光这个题材就值几十亿美元。但中国搞定中压直流综合电力系统之后，直接就开始大规模军民两用部署：今年1月8日，湖南湘电集团旗下的湘电动力公司推出了“DIPS-4型直流综合电力系统”，搭载这个系统的是一艘123.8m长的沿海自卸砂船。

这已经不是第一艘了。

2021年9月14日，704所的直流综合电力推进系统也投入实用了——在山东青岛外海，采用704所直流综合电力推进系统的“智飞”号运输货船成功海试，有效验证了直流综合电力系统的稳定性和可靠性。

值得注意的是，“智飞号”是上海704所的产品，而武汉712所的全名就是“武汉船用电力推进装置研究所”，拥有船舶综合电力技术国家科技重点实验室，也是搞综合电力系统的。

这说明啥？

这说明“综合电力系统”已经在国内开枝散叶了，科技成果已经进入井喷期了——湖南、武汉、上海——大家都在搞综合电力系统。

尾声

在查找资料的过程中，我发现了一条很神奇的消息：国家电网旗下的国网智能电网研究院的网站上，刊登了“先进输电技术国家重点实验室学术技术委员会”的成员名单——主任委员正是马伟明院士。

从这个意义上来说，我非常看好中国在未来“碳中和”计划里的前景——马伟明院士和国家电网，一个是军用电力系统的头号人物，一个是民用电力系统里的全球冠军，如今已经强强联手，进行学术合作了。

之前很多人说电磁弹射器不成熟、不可靠、成本高，站在当时的角度来说，或许真的是这样——毕竟，二十多年前的电动汽车也很贵很不可靠——但随着电池技术的进步，电动汽车的价格立刻跌落尘埃，五菱Mini只要三万就能开走。

电池成本降低使得电车价格逐渐低于油车

十年前搞电磁弹射的确有些冒进，但今天搞电磁弹射却正当其时。马伟明院士以及其他科学家的强大之处就在于此——二十年前，他们就已经看到了未来技术的发展方向，就已经料定了电磁弹射、综合电力系统的大势所趋。

局长始终坚信：一切成功，都有原因。

或许从国家电网开始引领世界电力发展开始，

或许从各种国产品牌开始做新能源汽车开始，

或许从中国发电量位居世界第一的那天开始，

中国未来各种先进装备的诞生，就已经进入了倒计时。