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比电磁干扰严重100倍!福特号电弹没那么废物但问题却更严重了

2024-07-18军情

福特号航母上的电磁弹射器是否像网上传言的那样不可靠。有人称其故障率极高,最大弹射吨位无法超过25吨,甚至E-2D和F-35C都没有成功过弹射。还有人声称F-35C无法服役是因为电磁弹射器干扰严重,甚至一些装备满弹满油的F/A-18E/F也无法成功弹射。这些说法是否属实?

经过对多方资料的查找,确认以上全部都是谣言。然而,却意外发现了一个更为严重的问题:储能系统仅有一套的传言被证实属实,而与之相关的高频电源系统也只有一套。这一问题的严重性不可小觑,追根溯源后发现,这个难题根植于源头,难以解决!

福特号电弹并不像大家说的那么废:它已经成功地完成了多次飞行。

朋友对美军的CVN-78「福特号」航母有没有弹射过E-2D预警机提出了质疑。E-2D预警机是福特号舰载固定翼预警机,但对方表示找不到网上有福特号弹射E-2D的视频,同时美军给出的资料也含糊其辞。因此他认为美军的福特号没有弹射过E-2D。

他解释称,福特号无法弹射E-2D的原因在于其电磁弹射系统最大载荷仅限于25吨的飞行器。除了轻载状态下的F/A-18E/F能够弹射外,重载状态下则无法实现弹射。而正是因为轻载状态下的飞机重量恰好低于25吨,导致了这一卡BUG的现象的存在。

F-35C无法上舰是个严重的问题,不仅是因为其满载重量超过了31吨而无法弹射,即使是轻载状态下也会因电磁干扰导致机载电子设备失灵。这一情况迫使计划推迟到2029年,以便有足够的时间解决电磁屏蔽的问题。

真的有那么废物吗,福特号电弹?

告诉那位朋友,如果福特号电弹的负荷实际上只有25吨的话,那么这个项目就是无用的。而这个信息却完全不在我的知识范围内,我之前从没听说过这件事!在网上搜索后,我发现了一些科普文章,确实提到了25吨的说法,其中有一位作者是「瀚海狼山」,另一位是名为「申鹏」的作者,但似乎「瀚海狼山」是最早提出这个说法的人,其他的都是在引用他的观点。

在英文页面搜索不到这所谓的25吨数据,于是种花家决定转而用磅作为衡量单位,根据55000磅找到了一些相关资料。很遗憾的是,这些资料是关于英国「伊丽莎白女王号」航母的电弹招标数据,显示电弹的弹射重量为55000磅(24.9吨),拦截重量为47000磅。最终,这艘航母放弃了改装电磁弹射器,因此不能根据这些数据来确认福特号航母的电弹重量是否为25吨!

关于福特号的一些传言已经被证实为不实,但有一个问题尚未得到解答,即福特号上是否真的没有使用电磁弹射器弹射过F-35C。在互联网上几乎找不到任何关于此事的视频,这似乎证实了电磁屏蔽措施未能有效实施,导致F-35C无法成功起飞。关于此问题,某位种花家的朋友和粉丝提供了一种解释。

由于CVN78上的储能组和功率转换子系统逆变器是共享的,机组人员在飞行操作期间无法轻松对EMALS组件进行电气隔离,这加剧了可靠性问题。

问题就在于,一些文科同学将电气隔离理解为电磁屏蔽,从字面上看似乎没有错,但在电气领域,电气隔离并非指这个意思,而是指让某个功能独立运行,一旦出现问题不会影响其它部分,简单来说就是独立运行操作。

因此,F-35C不能上舰并非因为电磁屏蔽问题,而是因为福特号航母从未针对F-35C进行过专门设计。

在国外的QUORA网站上,有人提出了一个问题:「为什么福特号航空母舰上没有部署F-35C型飞机?」对此,哈尔·贝伦森作出了回答。他指出,当福特号航母的技术路线确定时,F-35C型飞机尚未问世,因此航母上的维护系统并未针对F-35C进行设计,武器系统也没有为F-35C做好准备。

另一位回答者凯文·梅森称,飞机中级维护部门 (AIMD) 需要配备专用的测试台、试验台和设备,以及对维护人员进行培训。然而,福特号航母在建造时并未准备好这些设施,因此目前只支持F/A-18。虽然福特号可以进行改装,林肯号和卡尔文森号已经做到了,但到目前为止只有两个F-35C中队具备这样的能力。未来,要实现大规模上舰还需等待CVN-79之后,美军公开的资料中也提到,最快要等到2025年后才有可能实现,但根据下一艘航母的服役情况,这个时间可能会更久。

福特汽车的电动汽车电子系统问题比电磁干扰严重100倍,无法得到有效解决!

上文中留下了一个巨大的悬念,似乎福特号的电磁弹射问题已经解决,所有传闻都是假的!然而,事实却更加严重。仔细阅读上文的英文描述,这里再重复一下中文翻译:因为CVN78航母上的储能组和功率转换子系统逆变器具有共享性质,导致机组人员在飞行操作过程中无法方便地对EMALS组件进行电气隔离,从而加剧了可靠性问题。

大家有没有注意到一个问题?CVN-78(福特号)上的电磁弹射器的储能系统和功率转换系统是共用的,也就是说,福特号上的四条电磁弹射器只使用了一套储能设备和高频电源。这意味着什么呢?就是完全没有冗余,一旦储能设备或高频电源需要检修,四条电磁弹射器就会全部瘫痪。而且,由于使用频繁、维护时间短、故障率高,这也是2020年6月四条电磁弹射器全部瘫痪五天的主要原因。难怪当年特朗普想用蒸汽弹射器取代电磁弹射器,原因就在这里!

电磁弹射原理是众所周知的,简单来说就是一种摊平的电机,或者称为直线电机。更专业一些的说法是重接线圈电磁轨道发射装置,也可以用来作为电磁炮发射弹丸。不过这种结构特别适合用来发射重载低速物体,因此各国都不约而同地拿来制造发射战斗机的电磁弹射器。

这种发射设备需要在短短2~3秒内将一架40吨的重型战机加速到240千米时速的起飞速度。尽管耗电量不大,最多也只是25~32度左右,但功率却能高达几十兆瓦以上。考虑到航母难以安装大型发电机来为电磁弹射器提供电源,因此除了能够承受极高能量冲击的弹射器之外,还需要一种能够储存能量的装置,在每次弹射之间为其充电,并能够连续弹射多个飞机。

弹射器需要一个高频电源来进行弹射,并配备反馈与控制装置。该装置可以根据弹射器发送的信号实时调整电弹的输出功率,以确保弹射飞行器在加速过程中能够平稳达到240千米/小时的速度。同时,根据飞行器的性质、重量和速度等参数,调节每个信号以适应不同情况。

电磁弹射比蒸汽弹射更温和的原因之一是,它可以根据飞行器的重量进行调节。这意味着它可以弹射轻型无人机,也可以弹射重型舰载机,使得它的灵活性非常高。由于体积小且出勤率更高,飞行员的舒适度也会有所提高。然而,美军的电磁弹射器却存在着稳定性问题,原因是路线图的错误。

中压交流和中压直流两种电力传输路线,究竟哪一种才是更合适的选择?

所谓的中压交流和中压直流,其实涉及到电船的电源选择问题,根源在于舰载全电推进系统的选择。这种系统是指舰载主机发电后,通过电机带动推进轴转动来推动船只前进。它有很多优点,可以利用电气设备替代舰载各种机械动力需求,省去了为每个动力设备区域单独配置内燃机的麻烦。此外,还能减少推进大轴,减轻震动和噪音,使冗余动力配置更为简单。近年来,船舶全电系统的普及速度较快,中美、英国和法国等国家的进展也十分不错。

通常情况下,舰载全电系统有中压直流和中压交流两种。众所周知,在配电系统中,交流体制更为常见。例如,我国工业用电采用的是50HZ/380V三相系统,民用电为单相50HZ/220V。在高压部分,则有10KV、30KV、50KV、110KV、220KV、330KV、500KV、750KV和1000KV。

变配电非常便捷,因为变压器可轻松地升降交流电压,高压可传输高密度电能,到达目的地后通过变压器改变电压。美国在上个世纪末开始研发舰载全电系统时选择了交流体制,比如美军的DDG-1000上采用的标准为13.8KV,频率为60HZ。

舰载全电系统包括电磁弹射系统,其中电磁弹射系统是全电系统的一个组成部分。舰载全电系统通过交流或直流来供电,早期由于功率电子设备的不成熟,使用交流供电并没有问题。然而随着后期功率电子设备技术的进步,可以采用直流供电替代交流供电。近年来,随着SiC技术的成熟,功率电子设备体积大幅缩小,功率密度极大提高,因此在舰载全电系统中,采用直流体制相比交流体制具有更大优势。

为什么会这样?这是因为舰载设备中大部分最终都使用直流电。比如,舰载设备中常见的变频电机,首先会将交流电转换为直流电,然后再变成符合设备要求的变频电源。其他电子设备也是如此,无论是雷达还是舰载电子系统,最终使用的都是直流电。当然,电磁弹射系统使用的也是直流电,只是高频电源部分先整流成直流电,再变换成高频电源。在小功率电子设备中,这没什么问题,但在超大功率环境中,尤其是带有储能系统时,问题就显现出来了。

直流电可以被储存,但交流电则无法直接被存储。相比之下,电池和电容相对更适合存储直流电,并且可以轻松实现设备冗余和在线更换。然而,储存交流电则更具挑战性,虽然可以利用高速旋转的离心盘电机进行储能,但这种电机产生的电流仍为交流电。与电容和电池不同,这种离心电机体积庞大、重量较重,并且会带来陀螺效应,需要成对布置。比如,福特级航空母舰就安装了四台能提供121MJ能量的盘形离心电机,每台电机可以一次发射一架战斗机,但需要大约45秒的间隔来重新充电。

高频电源系统为直线电机提供电源,输出功率高达几十兆瓦。转换子系统将盘形电机释放的交流电转换成直流电,然后利用变频设备和换流器对特定时刻的定子线圈进行供电。由于速度不同,系统会输出不同频率的电流。为了应对系统复杂和大功率散热设计的需求,福特号的电弹将高频电源系统设计成了四条弹射器共用。

储能系统和电源转换子系统都采用了冗余设计,然而整套体系过于庞大复杂,无法实现完全电气隔离。这导致在特殊情况下必须全部停机才能进行维修,比如说离心储能电机释放能量需要停机几个小时。相比之下,采用电池和电容的中压直流舰载全电系统则完全避免了这种问题,甚至可以实现在线维护。此外,这种系统还无需各种电源端的整流设备,省略了中间环节,提高了电源效率。虽然福建舰的电弹结构目前尚不清楚,但至少不再需要担心来自交流电这个源自胎儿时代的问题。

福特号航空母舰的电磁弹射系统存在着多大的问题?

这篇文章并非做出虚构,只是简单地引用了WIKI英文版的资料。这些资料可以在美国军方公开的EMALS报告中找到,WIKI网站汇总了这些数据。

自2013年以来,我们能够发现,福特号电动汽车的可靠性并没有取得太大进步。在2022年的美国国家审计报告中指出,福特号电动汽车的可靠性居然要到2030年代才能达到要求!

很多网友在这里指出,美军福特号已经完成了上万次弹射,但这是否意味着就没有问题呢?2022年6月25日,福特号自装备以来已经执行了10000次弹射!然而,值得注意的是,弹射次数的多少并不代表其可靠性,设计上的问题是关键,即使弹射100万次,问题依然存在!

美军要解决这个问题并不困难,但挑战在于建立这种复杂体系需要时间,至少需要十年甚至更长。如今美军面临一个尴尬的局面,要么继续前行,故障率高可靠性低,要么回头改用中压直流,但这样会导致至少落后中国10年。现在要改变,也不改变,也不是一个简单的决定!#深度好文计划#