中國艦船綜合電力系統與電磁彈射技術的協同突破及工程應用（上）_風聞

本文為專題文章，已刊發於國內某軍事期刊2025 年第 10 期，因篇幅較長，為便於閲讀，特分上下兩篇發表。

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**前言：**本文以中國福建艦為研究對象，系統梳理航母彈射技術的發展演進脈絡，重點剖析中壓直流綜合電力系統的核心技術突破及儲能系統的創新設計思路，通過與美國福特級航母中壓交流技術的橫向對比，系統論證中國中壓直流與電磁彈射系統的性能優勢。中國通過構建差異化技術路線，成功實現從蒸汽彈射到電磁彈射的技術跨越；當前該技術體系已衍生應用於兩棲攻擊艦動力、潛艇綜合電力、電磁武器供能等領域，為中國海軍戰略轉型與國防科技自主創新提供關鍵技術支撐。

圖1 J-35在福建艦彈射起飛

艦船綜合電力系統（IPS）是現代化艦艇的核心技術，它通過整合發電、配電與推進系統，將艦船一次能源統一轉化為電能並進行集中分配，依託一體化電力網絡為船舶推進、通信導航、探測、武器、作業設施及日用設備等全船負載供電，實現全船能源的高效綜合利用，技術路線主要分為中壓直流（MVDC）與中壓交流（MVAC）兩類。IPS 具備傳統機械推進系統的技術優勢，可提升艦船機動性、操控性與聲隱身性，優化機艙佈局、降低全生命週期成本，更成為艦船搭載高能武器的唯一技術路徑，而航母電磁彈射系統（如電磁飛機彈射系統 EMALS）正是其高功率應用的典型，能大幅提升艦船戰鬥力並催生全新海上作戰樣式。

航母作為遠洋作戰核心，艦載機出動效率直接決定海戰效能，彈射技術則是制約該效率的核心。傳統蒸汽彈射技術因能源效率低、運維成本高、作戰適應性弱，已難以滿足現代海戰對艦載機高頻率、高可靠性投放的需求。中國福建艦作為全球首艘搭載中壓直流（MVDC）電磁彈射系統的常規動力航母，跳過蒸汽彈射階段實現電磁彈射技術工程化應用。這一突破不僅顛覆傳統航母技術認知，更標誌中國在艦船動力（IPS）與電磁發射（含 EMALS）領域邁入領先行列，二者的協同突破及工程應用，為我國航母發展開闢新路徑，推動艦船科技邁向世界前沿，為海洋強國建設提供關鍵技術支撐。

圖2 福建艦俯視圖

一、綜合電力系統相關概述（一）綜合電力系統概述艦船綜合電力系統打破傳統艦船機械推進系統與電力系統相互獨立的格局，實現二者深度融合。該系統以全電能供給為核心模式，為艦船推進、通信導航、特種作業及日常設備等各類關鍵負載提供統一能量支撐，推動艦船動力形態從機械化全面邁向電氣化。這一轉型不僅能實現對全船能量的精確調配與高效管控，更能為艦船信息化、智能化水平的提升築牢關鍵基礎，已然成為現代艦船發展的核心趨勢，在艦船整體系統架構中佔據舉足輕重的戰略地位。

艦船綜合電力系統由發電、輸配電、變配電、推進、儲能、能量管理六大分系統構成，按各分系統標誌性技術特徵可劃分為第 1 代與第 2 代：第 1 代電網結構多為中壓交流或高頻交流，第 2 代則以中壓直流為主，具備更高功率密度與運行靈活性，代表當前艦船綜合電力系統的主流發展方向。

圖3 艦船綜合電力系統的組成框圖

（二）綜合電力系統分類與特點

按照主網電制與電壓等級的差異，綜合電力系統可分為低壓交流、中壓交流、低壓直流、中壓直流四類，各類別的適用場景與技術特徵如表 1 所示。主網電壓等級的選擇取決於系統裝機容量，裝機容量 10MW 以下的系統可選擇低壓，10MW 以上的系統宜選擇中壓；主網電制的選擇取決於電源特性，由相同類型電源供電的系統可選擇交流電制，由不同類型電源供電的系統宜選擇直流電制。

表 1 四類綜合電力系統的適用場景與技術特徵

中壓交流與中壓直流艦船電力系統的核心差異，首要體現在多電源並聯併網的技術約束層面。中壓交流系統受交流電週期性變化（電壓、電流隨時間正弦波動）的物理特性制約，多台電源併網時必須嚴格滿足 “頻率、電壓、相位、相序完全一致” 的剛性匹配要求，而這一約束使其天然存在發電機組協同難度大（需精準同步調控）、儲能裝置併網流程複雜（需額外變頻適配設備）等原理性缺陷，還會造成系統體積與重量偏大（因同步控制組件佔用空間），制約艦船空間利用率與載荷適配靈活性，同時對原動機調速精度要求更為嚴苛（需維持穩定轉速以保證頻率恆定），在高負荷切換、極端海況等複雜工況下易出現運行失穩問題。

中壓直流系統則因直流電不存在頻率、相位的週期性波動特性，本質上無需應對此類剛性匹配限制，僅需通過精準電壓匹配即可實現多電源或儲能裝置的靈活併網；這一特性與該系統通過消除 “轉速 - 頻率耦合關係” 規避核心技術矛盾的技術邏輯高度一致：傳統中壓交流系統中，原動機轉速直接決定電網頻率，而直流系統解除這一耦合後，原動機可脱離頻率約束獨立運行。二者的這一本質差異，不僅直接決定了兩類系統後續的性能表現分野，更已通過美英艦船公開故障案例（如英國 45 型驅逐艦並聯失穩、美國福特級航母電力系統故障）與中國公開技術參數（如中船 704 所發佈的發電機性能數據）得到充分驗證。

圖4 45型勇敢號驅逐艦

中壓直流系統消除 “轉速 - 頻率耦合關係” 後，直流電網無需考慮頻率與相位匹配問題，原動機可直接驅動發電機運行，使得發電機轉速突破傳統 3600r/min 的限制。據中船 704 所官網披露及行業展會公開信息顯示，該所研發的 20MW 級中壓整流發電機額定轉速達 4500r/min，功率密度較同級別中壓交流發電機提升 20%；與此同時，轉速約束的解除還能顯著降低艦船低頻噪聲，這類噪聲在水下傳播衰減慢、距離遠，且易被敵方聲納系統探測捕捉，《船舶工程》等期刊刊發的艦船降噪技術研究論文分析指出，該設計可使航母水下隱蔽性提升 15%~20%，進一步增強艦船戰場生存能力。

圖5 直流推進電機

在儲能系統接入便利性與運行可靠性方面，直流電網架構下的儲能裝置無需配置複雜變頻設備即可直接接入，且系統設計中高度重視多子系統的獨立運行能力與備份機制建設。中國國防部 2023 年 12 月例行記者會已通報福建艦完成電磁彈射試驗，2025 年 9 月亦通過新聞媒體公開了三型艦載機彈射成功的信息；該艦儲能系統依託功能冗餘設計構建風險隔離機制，若單一子系統發生故障，其餘子系統可迅速補位，不會導致整體系統癱瘓，僅可能對瞬時最大功率輸出造成小幅波動。相較於美國海軍公開的福特級航母所採用的單一飛輪儲能與集中式控制方案，福建艦搭載的中壓直流系統在冗餘度設計上具備顯著優勢。

二者在電力利用效率與動態響應性能上的差異同樣顯著。美國海軍協會（USNI）2021 年發佈的福特級電力系統評估報告指出，該級艦採用的中壓交流系統因需經過整流、變頻等多環節能量轉換，電力利用率僅為 65%；而《船舶工程》2023 年刊發的技術論文數據顯示，中國中壓直流系統通過精簡能量轉換鏈路，電力利用率已提升至 85% 以上，且動態響應速度達到 10 毫秒級，可快速適配作戰場景中雷達、彈射器等負載的瞬時功率波動，為系統穩定運行提供堅實保障。

（三）中壓交流技術國外應用現狀

國外艦船綜合電力系統長期以中壓交流技術為核心路線，已應用於英國 45 型驅逐艦、“伊麗莎白女王” 號航母及美國 DDG-1000 驅逐艦，但受技術原理限制，該系統存在固有短板，且缺陷已多次驗證：英國 45 型驅逐艦搭載的 WR-21 燃氣輪機發電機（額定轉速3600r/min）與柴油發電機（額定轉速1500r/min）轉速差異顯著，在熱帶海域高温高負荷環境下頻繁出現並聯失效，進而導致功率分配失衡，據《簡氏防務週刊》報道，曾有 7 艘該型艦集體停擺；美國福特級航母為支撐電磁彈射，配備 12 套總容量 720MJ 的飛輪儲能系統，但交流電需經多環節轉換適配彈射直線電機，且 4 條彈射器共用 1 套無冗餘核心電力電子控制單元（兼具變頻轉換與運行協調功能），2020 年美國海軍協會（USNI）披露，該單元失效曾致福特號所有彈射器癱瘓，中斷艦載機起降。

二、中國中壓直流綜合電力系統的核心突破（一）系統技術內涵與作戰價值

艦船中壓直流系統是艦船綜合電力系統的核心組成部分及關鍵技術升級方向。綜合電力系統負責整合全艦發電、輸電、配電及用電環節，實現能源的統一調控；中壓直流系統作為其核心技術分支，能夠突破傳統中壓交流系統的頻率、相位約束，更高效適配電磁彈射、高能雷達等負載，將電力利用率從交流系統的 65% 提升至 85% 以上，還通過分散式冗餘設計增強可靠性，目前已在福建艦等裝備上實現工程應用，成為艦船綜合電力系統實現性能躍升的關鍵支撐。

艦船綜合電力系統的核心價值在於 “能量的高效調度與精準分配”，針對電磁彈射這類 “瞬時大功率負載”，系統可通過儲能裝置實現錯峯儲能、脈衝放電，避免對航母電網造成衝擊，保障全艦設備穩定運行。軍艦綜合電力系統與民船的核心區別體現在 “動態響應能力” 與 “故障容錯能力” 上：民船負載穩定，比如貨輪總功率雖高，但推進、導航系統功率波動小於 5%，對供電穩定性要求較低；軍艦需應對大功率設備的瞬時啓停，比如 AN/SPY-1 雷達功率達 15MW，電磁炮單次發射消耗 10 至 20MW，功率波動常超 10%，且需在戰鬥損傷（如電纜破損、設備故障）時快速重構電力網絡，確保關鍵系統（如彈射器、防空導彈）不中斷運行，因此對系統的動態響應速度（要求毫秒級）與故障容錯能力（需支持 “N-1” 冗餘）要求遠高於民船。

圖6 艦船綜合電力推進系統結構圖

船舶中壓直流綜合電力系統（Medium-Voltage DC Integrated Power System, MVDC IPS）具有高功率密度、高運行效率、高操作靈活性、高運行可靠性的特點，代表船舶綜合電力系統的發展方向，是我國實施海洋強國戰略的重要基礎，也是電磁彈射技術的 “動力心臟”，核心功能是將航母一次能源（如燃油）轉化為電能，並實現全艦電力的精準分配與穩定供應。中國通過攻克直流斷路器、中壓整流發電機、推進變頻器等關鍵設備，構建起自主可控的中壓直流技術體系，有效克服美國中壓交流系統的固有缺陷。

（二）關鍵設備的國產化突破

我國艦船綜合電力系統研究始於 20 世紀 90 年代，技術路線突破國外路徑依賴，以中壓直流為核心方向，呈現 “跨越式突破” 的特徵。2003 年，海軍工程大學在國際上首創艦船中壓直流系統技術，成功打破國外壟斷；2003 年至 2010 年，構建起覆蓋設計、仿真、測試的理論方法體系，同步突破超導限流、高速整流發電等關鍵技術，解決應用瓶頸；“十二五” 期間（2011 年至 2015 年），成功研製世界首個大容量艦船中壓直流綜合電力系統，實現從理論到工程應用的落地。通過突破中壓直流斷路器、中壓整流發電機、推進變頻器等曾受技術封鎖的 “卡脖子” 核心設備，成功構建起全鏈條國產化的艦船中壓直流技術體系，為該系統的穩定運行與性能領先奠定關鍵支撐，相關突破已通過科研論文、行業展會及權威媒體報道等渠道公開披露。

直流斷路器：作為中壓直流系統的 “安全閥門”，直流斷路器承擔故障防護核心職責。據公開技術資料顯示，其需在短路故障（短路電流可達額定電流 10 至 20 倍，一般混合式直流斷路器動作時間為 3ms）時快速切斷電流，而直流電無自然過零點的特性，長期以來是制約其快速分斷的行業共性難題。針對這一痛點，國內科研團隊（如中科院電工研究所、艦船研究院相關團隊）公開成果顯示，中國創新採用 “超導限流 + 直流斷路器” 組合方案：正常工況下，超導材料以零電阻狀態保障電力高效傳輸，無額外能耗；故障發生瞬間，超導材料迅速失超（電阻急劇上升），將短路電流快速限制在安全閾值內，避免設備過載損壞；配套的直流斷路器則依託 “磁吹滅弧” 技術，據艦船電力領域公開論文及展會信息披露，可在 5ms 內穩定切斷 100kA 短路電流，有效攻克直流電滅弧難題，為中壓直流系統構建起可靠的安全防護屏障。

中壓整流發電機：中船 704 所研發的 20MW 級中壓整流發電機，是中壓直流系統的 “核心動力源”，其技術創新聚焦性能優化與場景適配。通過 “分佈式磁路法” 提升電機磁路設計精度 15%，規避磁飽和引發的功率損耗；創新 “轉子小齒軸鏡像混合通風” 結構，結合三維流場與温度場仿真優化散熱，將大容量電機轉子温升控制在 80K 以內，解決過熱難題；提出 “雙機並聯勵磁控制策略”，無需依賴原動機調速精度即可滿足不同轉速發電機（如燃氣輪機、柴油發電機）的並聯需求；研發 “耐衝擊轉子絕緣結構”，適配艦船橫搖 ±30°、縱搖 ±15° 的搖擺與振動環境，保障高轉速下的運行可靠性。

推進變頻器：推進變頻器作為控制推進電機功率的 “核心部件”，其核心元件絕緣柵雙極晶體管（IGBT）曾長期被西方技術封鎖。中國依託高鐵、新能源汽車產業的技術積累，實現 IGBT 全鏈條國產化：研發的 1700V/4500A IGBT 模塊功率密度達 2.5kW/cm²，完全滿足推進變頻器性能需求；構建 “芯片設計 - 模塊封裝 - 系統集成” 完整產業鏈，不僅使成本降低 40%，還將交付週期縮短至 3 個月，徹底打破西方壟斷，為推進變頻器批量生產與工程應用提供支撐。

三、航母彈射技術演進（一）航母彈射技術的發展演進

彈射技術自二戰時期應用於航母以來，已歷經 “液壓彈射 - 蒸汽彈射 - 電磁彈射” 三代迭代。其中，蒸汽彈射技術長期佔據主流，但隨着艦載機向重型化、多用途化發展，其技術侷限日益凸顯；電磁彈射技術憑藉功率靈活、效率高、可靠性強等優勢，成為現代航母的核心技術方向。

圖7 蒸汽彈射系統彈射飛機示意圖

蒸汽彈射技術的原理與侷限：蒸汽彈射技術基於 “往復式蒸汽機” 原理，藉助高壓蒸汽推動機械結構實現艦載機加速，雖技術成熟度高，但其固有缺陷制約了作戰效能的提升。蒸汽彈射系統主要由儲氣罐、發射閥、氣缸、活塞及往復車組成，工作過程分為五個環節：一是儲存蒸汽，艦用蒸汽鍋爐產生的高壓蒸汽（壓力約 8 至 10MPa）儲存於儲氣罐，等待彈射指令下達；二是飛機固定，艦載機就位後，連接拖索並張緊固定，確保與彈射裝置穩定聯結；三是彈射閥門釋放，接到彈射指令後，蓄壓罐內的高壓蒸汽通過彈射閥門進入開口汽缸，推動缸內活塞帶動往復車；四是彈射加速，打開發射閥後，蒸汽進入氣缸推動活塞高速運動，活塞通過往復車牽引艦載機沿彈射軌道滑行，在約 100 米距離內將艦載機加速至離艦速度（約 300km/h）；五是排氣復位，艦載機彈射起飛後，系統通過制動缸等部件使往復車制動並復位，為下一次彈射做好準備。

圖8 蒸汽彈射氣缸

目前全球唯一現役蒸汽彈射系統為美國 C-13 型（裝備尼米茲級航母），其最大彈射重量 30 噸，單次彈射耗時 30 至 120 秒，系統體積達 1100m立方、全重近 500 噸，是美國海軍 “滾動攻擊” 戰術的核心支撐設備。但該系統存在三方面核心侷限：一是能源效率極低，能量利用率僅約 6%，每次彈射需消耗 625公斤蒸汽與 1噸緩衝淡水，且蒸汽直接排入大氣無法回收，連續彈射 8 架艦載機後，航母鍋爐蒸汽壓力下降 20%，動力輸出降低 32%，航速減少 8 節，嚴重影響航母機動能力；二是運維成本高昂，C-13 型系統需 500 名專職人員維護，設備損耗快，每天最大彈射次數不超過 70 次，每彈射 500 次需停機檢修 1 至 2 天，2500 次需回港大修 1 個月，6000 次需返廠拆解大修半年，大幅降低航母在航率；三是環境適應性弱，低温環境下蒸汽易凝結，導致彈射功率下降，無法在高緯度海域（如北極圈）穩定工作，限制航母部署範圍。

圖9 蒸汽彈射器（左）和電磁彈射器（右）推力變化比較

（二）電磁發射技術原理與系統構成

電磁發射技術是一種將電磁能直接轉化為發射負載所需瞬時動能的能量轉換技術，其系統主要由脈衝儲能系統、脈衝電能變換系統、脈衝直線電機及控制系統四部分構成。發射前，脈衝儲能系統先在較長時間內完成能量的穩定蓄積；發射時，脈衝電能變換系統將蓄積的能量精準調節為瞬時超大功率電能並輸送至脈衝直線電機，電機通過產生電磁力驅動負載達到預定發射速度；與此同時，控制系統依託信息流對整個能量的存儲、轉換與傳輸過程實施全程精準管控，確保系統穩定運行。

圖10 電磁發射系統組成

公開數據定量對比顯示，我國中壓直流系統核心性能指標顯著優於美英中壓交流系統：功率密度提升 20% 以上，優化艦船空間利用率；能源利用效率從 65% 升至 85% 以上，降低能耗；複雜工況下可規避並聯失穩，適應高温高負荷環境；故障保護與系統重構響應時間達 10ms 級，提升容錯能力。這些優勢為我國艦船後續適配電磁彈射、高能武器提供堅實電力支撐，標誌我國在該領域躋身國際領先行列。

電磁彈射技術的原理與優勢：電磁發射技術是繼機械能、化學能發射後的發射領域革命性突破，核心是利用電磁力（或電磁能）驅動物體達到高速乃至超高速的先進技術。它通過將電磁能精準轉化為發射載荷所需瞬時動能，可在短距離內將幾十噸載荷加速至高速，突破傳統發射的速度與能量極限，既是未來發射技術的核心發展方向，更是現代航母電氣化、信息化發展的關鍵支撐。

圖11 電磁彈射結構

電磁彈射器作為艦載機高效起飛的核心裝備，主要由儲能系統、電力電子系統、直線電機、控制系統、冷卻系統、預加動力裝置及減速緩衝與剎車裝置構成，其運行需各系統緊密協同：先由儲能系統在一定時間內從航母配電系統獲取電能並儲存，隨後在 2-3 秒彈射期內以脈衝形式釋放能量；電力電子系統通過控制該脈衝放電過程調節直線電機動子速度，推動艦載機達到起飛速度，而控制系統則全程監控，確保彈射嚴格按規定參數完成。

作為艦載機高效起飛的關鍵技術，電磁彈射器基於 “電磁感應” 原理，依靠直線電機產生的電磁力驅動艦載機加速，無需複雜機械結構，其系統核心構成及功能如表 2 所示。憑藉電磁力精準控制載荷加速的特性，它還具備系統效率高、彈射範圍廣、準備時間短、適裝性優、控制精度高及維護成本低等優勢：不僅能有效降低艦載機起降對跑道長度的依賴，提升航母艦載機快速投送能力與綜合作戰效能；還可延伸應用於隱蔽短跑道快速起飛場景，增強地面飛機生存力，現已成為衡量現代航母技術水平的核心標誌性技術之一。

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表 2 電磁彈射系統構成，數據來源：電磁發射技術，馬偉明

圖12 電磁彈射器工作原理圖

相較於傳統蒸汽彈射技術，電磁彈射（EMALS）的技術優勢呈現多元性與顯著性，核心差異可通過多維度量化驗證：從功率適配性來看，公開技術參數顯示電磁彈射系統可根據艦載機典型機型（如預警機、重型戰鬥機、察打一體無人機）的起飛需求實現彈射功率精準調控，起飛重量覆蓋範圍達 2-70 噸、末端速度可在 50-200 節區間內靈活設定，而傳統蒸汽彈射（以美國 C-13 型為例）採用固定功率輸出模式，無法根據載荷動態調整能量供給，易造成能源浪費，該特性已通過中美兩國電磁彈射陸基測試與海試數據印證；在作戰效率層面，美國海軍協會（USNI）2024 年發佈的《航母艦載機出動效率評估報告》指出，採用蒸汽彈射的尼米茲級航母在 24 小時高烈度作戰場景下艦載機最大出動架次為 240 架次，2025 年 2 月，在“福特” 號在合成訓練演習（COMPTUEX）中，8.5 小時內完成 175 架次起飛及 170 架次回收，央視軍事 2025 年 11 月 7 日的官方報道，中國首艘電磁彈射航母福建艦的單日最大彈射架次達到250 架次，體現出電磁彈射技術在連續作戰效能上的優勢；運維成本與可靠性方面，美國海軍 2024 年 1 月《福特級航母作戰試驗數據摘要》披露，傳統蒸汽彈射（C-13 型）平均無故障彈射次數約 400 次、需 500 名專職運維人員，福特級電磁彈射系統平均無故障彈射次數為 614 次（未達 4166 次設計值）、運維人員數量減少 30%，2023 年-2025年福建艦海試信息則顯示，中壓直流電磁彈射系統因取消蒸汽彈射的活塞、管道等易損機械部件，全壽命週期費用較蒸汽彈射降低 20%、平均無故障彈射次數超 2000 次，運維人員配置進一步優化；環境適應性上，公開環境適應性測試數據表明電磁彈射系統無需依賴蒸汽介質，不存在低温凝結問題，可在 - 40℃至 60℃極端温度區間穩定運行，適配高緯度（如北極海域）、高温高濕（如熱帶海域）等複雜部署環境，而傳統蒸汽彈射在環境温度低於 0℃時需額外配置蒸汽保温裝置，否則易因管道凝結導致彈射功率衰減，部署場景受限。

圖13 殲-35從福建艦彈射起飛

未完待續