中国舰船综合电力系统与电磁弹射技术的协同突破及工程应用（上）_风闻

本文为专题文章，已刊发于国内某军事期刊2025 年第 10 期，因篇幅较长，为便于阅读，特分上下两篇发表。

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**前言：**本文以中国福建舰为研究对象，系统梳理航母弹射技术的发展演进脉络，重点剖析中压直流综合电力系统的核心技术突破及储能系统的创新设计思路，通过与美国福特级航母中压交流技术的横向对比，系统论证中国中压直流与电磁弹射系统的性能优势。中国通过构建差异化技术路线，成功实现从蒸汽弹射到电磁弹射的技术跨越；当前该技术体系已衍生应用于两栖攻击舰动力、潜艇综合电力、电磁武器供能等领域，为中国海军战略转型与国防科技自主创新提供关键技术支撑。

图1 J-35在福建舰弹射起飞

舰船综合电力系统（IPS）是现代化舰艇的核心技术，它通过整合发电、配电与推进系统，将舰船一次能源统一转化为电能并进行集中分配，依托一体化电力网络为船舶推进、通信导航、探测、武器、作业设施及日用设备等全船负载供电，实现全船能源的高效综合利用，技术路线主要分为中压直流（MVDC）与中压交流（MVAC）两类。IPS 具备传统机械推进系统的技术优势，可提升舰船机动性、操控性与声隐身性，优化机舱布局、降低全生命周期成本，更成为舰船搭载高能武器的唯一技术路径，而航母电磁弹射系统（如电磁飞机弹射系统 EMALS）正是其高功率应用的典型，能大幅提升舰船战斗力并催生全新海上作战样式。

航母作为远洋作战核心，舰载机出动效率直接决定海战效能，弹射技术则是制约该效率的核心。传统蒸汽弹射技术因能源效率低、运维成本高、作战适应性弱，已难以满足现代海战对舰载机高频率、高可靠性投放的需求。中国福建舰作为全球首艘搭载中压直流（MVDC）电磁弹射系统的常规动力航母，跳过蒸汽弹射阶段实现电磁弹射技术工程化应用。这一突破不仅颠覆传统航母技术认知，更标志中国在舰船动力（IPS）与电磁发射（含 EMALS）领域迈入领先行列，二者的协同突破及工程应用，为我国航母发展开辟新路径，推动舰船科技迈向世界前沿，为海洋强国建设提供关键技术支撑。

图2 福建舰俯视图

一、综合电力系统相关概述（一）综合电力系统概述舰船综合电力系统打破传统舰船机械推进系统与电力系统相互独立的格局，实现二者深度融合。该系统以全电能供给为核心模式，为舰船推进、通信导航、特种作业及日常设备等各类关键负载提供统一能量支撑，推动舰船动力形态从机械化全面迈向电气化。这一转型不仅能实现对全船能量的精确调配与高效管控，更能为舰船信息化、智能化水平的提升筑牢关键基础，已然成为现代舰船发展的核心趋势，在舰船整体系统架构中占据举足轻重的战略地位。

舰船综合电力系统由发电、输配电、变配电、推进、储能、能量管理六大分系统构成，按各分系统标志性技术特征可划分为第 1 代与第 2 代：第 1 代电网结构多为中压交流或高频交流，第 2 代则以中压直流为主，具备更高功率密度与运行灵活性，代表当前舰船综合电力系统的主流发展方向。

图3 舰船综合电力系统的组成框图

（二）综合电力系统分类与特点

按照主网电制与电压等级的差异，综合电力系统可分为低压交流、中压交流、低压直流、中压直流四类，各类别的适用场景与技术特征如表 1 所示。主网电压等级的选择取决于系统装机容量，装机容量 10MW 以下的系统可选择低压，10MW 以上的系统宜选择中压；主网电制的选择取决于电源特性，由相同类型电源供电的系统可选择交流电制，由不同类型电源供电的系统宜选择直流电制。

表 1 四类综合电力系统的适用场景与技术特征

中压交流与中压直流舰船电力系统的核心差异，首要体现在多电源并联并网的技术约束层面。中压交流系统受交流电周期性变化（电压、电流随时间正弦波动）的物理特性制约，多台电源并网时必须严格满足 “频率、电压、相位、相序完全一致” 的刚性匹配要求，而这一约束使其天然存在发电机组协同难度大（需精准同步调控）、储能装置并网流程复杂（需额外变频适配设备）等原理性缺陷，还会造成系统体积与重量偏大（因同步控制组件占用空间），制约舰船空间利用率与载荷适配灵活性，同时对原动机调速精度要求更为严苛（需维持稳定转速以保证频率恒定），在高负荷切换、极端海况等复杂工况下易出现运行失稳问题。

中压直流系统则因直流电不存在频率、相位的周期性波动特性，本质上无需应对此类刚性匹配限制，仅需通过精准电压匹配即可实现多电源或储能装置的灵活并网；这一特性与该系统通过消除 “转速 - 频率耦合关系” 规避核心技术矛盾的技术逻辑高度一致：传统中压交流系统中，原动机转速直接决定电网频率，而直流系统解除这一耦合后，原动机可脱离频率约束独立运行。二者的这一本质差异，不仅直接决定了两类系统后续的性能表现分野，更已通过美英舰船公开故障案例（如英国 45 型驱逐舰并联失稳、美国福特级航母电力系统故障）与中国公开技术参数（如中船 704 所发布的发电机性能数据）得到充分验证。

图4 45型勇敢号驱逐舰

中压直流系统消除 “转速 - 频率耦合关系” 后，直流电网无需考虑频率与相位匹配问题，原动机可直接驱动发电机运行，使得发电机转速突破传统 3600r/min 的限制。据中船 704 所官网披露及行业展会公开信息显示，该所研发的 20MW 级中压整流发电机额定转速达 4500r/min，功率密度较同级别中压交流发电机提升 20%；与此同时，转速约束的解除还能显著降低舰船低频噪声，这类噪声在水下传播衰减慢、距离远，且易被敌方声纳系统探测捕捉，《船舶工程》等期刊刊发的舰船降噪技术研究论文分析指出，该设计可使航母水下隐蔽性提升 15%~20%，进一步增强舰船战场生存能力。

图5 直流推进电机

在储能系统接入便利性与运行可靠性方面，直流电网架构下的储能装置无需配置复杂变频设备即可直接接入，且系统设计中高度重视多子系统的独立运行能力与备份机制建设。中国国防部 2023 年 12 月例行记者会已通报福建舰完成电磁弹射试验，2025 年 9 月亦通过新闻媒体公开了三型舰载机弹射成功的信息；该舰储能系统依托功能冗余设计构建风险隔离机制，若单一子系统发生故障，其余子系统可迅速补位，不会导致整体系统瘫痪，仅可能对瞬时最大功率输出造成小幅波动。相较于美国海军公开的福特级航母所采用的单一飞轮储能与集中式控制方案，福建舰搭载的中压直流系统在冗余度设计上具备显著优势。

二者在电力利用效率与动态响应性能上的差异同样显著。美国海军协会（USNI）2021 年发布的福特级电力系统评估报告指出，该级舰采用的中压交流系统因需经过整流、变频等多环节能量转换，电力利用率仅为 65%；而《船舶工程》2023 年刊发的技术论文数据显示，中国中压直流系统通过精简能量转换链路，电力利用率已提升至 85% 以上，且动态响应速度达到 10 毫秒级，可快速适配作战场景中雷达、弹射器等负载的瞬时功率波动，为系统稳定运行提供坚实保障。

（三）中压交流技术国外应用现状

国外舰船综合电力系统长期以中压交流技术为核心路线，已应用于英国 45 型驱逐舰、“伊丽莎白女王” 号航母及美国 DDG-1000 驱逐舰，但受技术原理限制，该系统存在固有短板，且缺陷已多次验证：英国 45 型驱逐舰搭载的 WR-21 燃气轮机发电机（额定转速3600r/min）与柴油发电机（额定转速1500r/min）转速差异显著，在热带海域高温高负荷环境下频繁出现并联失效，进而导致功率分配失衡，据《简氏防务周刊》报道，曾有 7 艘该型舰集体停摆；美国福特级航母为支撑电磁弹射，配备 12 套总容量 720MJ 的飞轮储能系统，但交流电需经多环节转换适配弹射直线电机，且 4 条弹射器共用 1 套无冗余核心电力电子控制单元（兼具变频转换与运行协调功能），2020 年美国海军协会（USNI）披露，该单元失效曾致福特号所有弹射器瘫痪，中断舰载机起降。

二、中国中压直流综合电力系统的核心突破（一）系统技术内涵与作战价值

舰船中压直流系统是舰船综合电力系统的核心组成部分及关键技术升级方向。综合电力系统负责整合全舰发电、输电、配电及用电环节，实现能源的统一调控；中压直流系统作为其核心技术分支，能够突破传统中压交流系统的频率、相位约束，更高效适配电磁弹射、高能雷达等负载，将电力利用率从交流系统的 65% 提升至 85% 以上，还通过分散式冗余设计增强可靠性，目前已在福建舰等装备上实现工程应用，成为舰船综合电力系统实现性能跃升的关键支撑。

舰船综合电力系统的核心价值在于 “能量的高效调度与精准分配”，针对电磁弹射这类 “瞬时大功率负载”，系统可通过储能装置实现错峰储能、脉冲放电，避免对航母电网造成冲击，保障全舰设备稳定运行。军舰综合电力系统与民船的核心区别体现在 “动态响应能力” 与 “故障容错能力” 上：民船负载稳定，比如货轮总功率虽高，但推进、导航系统功率波动小于 5%，对供电稳定性要求较低；军舰需应对大功率设备的瞬时启停，比如 AN/SPY-1 雷达功率达 15MW，电磁炮单次发射消耗 10 至 20MW，功率波动常超 10%，且需在战斗损伤（如电缆破损、设备故障）时快速重构电力网络，确保关键系统（如弹射器、防空导弹）不中断运行，因此对系统的动态响应速度（要求毫秒级）与故障容错能力（需支持 “N-1” 冗余）要求远高于民船。

图6 舰船综合电力推进系统结构图

船舶中压直流综合电力系统（Medium-Voltage DC Integrated Power System, MVDC IPS）具有高功率密度、高运行效率、高操作灵活性、高运行可靠性的特点，代表船舶综合电力系统的发展方向，是我国实施海洋强国战略的重要基础，也是电磁弹射技术的 “动力心脏”，核心功能是将航母一次能源（如燃油）转化为电能，并实现全舰电力的精准分配与稳定供应。中国通过攻克直流断路器、中压整流发电机、推进变频器等关键设备，构建起自主可控的中压直流技术体系，有效克服美国中压交流系统的固有缺陷。

（二）关键设备的国产化突破

我国舰船综合电力系统研究始于 20 世纪 90 年代，技术路线突破国外路径依赖，以中压直流为核心方向，呈现 “跨越式突破” 的特征。2003 年，海军工程大学在国际上首创舰船中压直流系统技术，成功打破国外垄断；2003 年至 2010 年，构建起覆盖设计、仿真、测试的理论方法体系，同步突破超导限流、高速整流发电等关键技术，解决应用瓶颈；“十二五” 期间（2011 年至 2015 年），成功研制世界首个大容量舰船中压直流综合电力系统，实现从理论到工程应用的落地。通过突破中压直流断路器、中压整流发电机、推进变频器等曾受技术封锁的 “卡脖子” 核心设备，成功构建起全链条国产化的舰船中压直流技术体系，为该系统的稳定运行与性能领先奠定关键支撑，相关突破已通过科研论文、行业展会及权威媒体报道等渠道公开披露。

直流断路器：作为中压直流系统的 “安全阀门”，直流断路器承担故障防护核心职责。据公开技术资料显示，其需在短路故障（短路电流可达额定电流 10 至 20 倍，一般混合式直流断路器动作时间为 3ms）时快速切断电流，而直流电无自然过零点的特性，长期以来是制约其快速分断的行业共性难题。针对这一痛点，国内科研团队（如中科院电工研究所、舰船研究院相关团队）公开成果显示，中国创新采用 “超导限流 + 直流断路器” 组合方案：正常工况下，超导材料以零电阻状态保障电力高效传输，无额外能耗；故障发生瞬间，超导材料迅速失超（电阻急剧上升），将短路电流快速限制在安全阈值内，避免设备过载损坏；配套的直流断路器则依托 “磁吹灭弧” 技术，据舰船电力领域公开论文及展会信息披露，可在 5ms 内稳定切断 100kA 短路电流，有效攻克直流电灭弧难题，为中压直流系统构建起可靠的安全防护屏障。

中压整流发电机：中船 704 所研发的 20MW 级中压整流发电机，是中压直流系统的 “核心动力源”，其技术创新聚焦性能优化与场景适配。通过 “分布式磁路法” 提升电机磁路设计精度 15%，规避磁饱和引发的功率损耗；创新 “转子小齿轴镜像混合通风” 结构，结合三维流场与温度场仿真优化散热，将大容量电机转子温升控制在 80K 以内，解决过热难题；提出 “双机并联励磁控制策略”，无需依赖原动机调速精度即可满足不同转速发电机（如燃气轮机、柴油发电机）的并联需求；研发 “耐冲击转子绝缘结构”，适配舰船横摇 ±30°、纵摇 ±15° 的摇摆与振动环境，保障高转速下的运行可靠性。

推进变频器：推进变频器作为控制推进电机功率的 “核心部件”，其核心元件绝缘栅双极晶体管（IGBT）曾长期被西方技术封锁。中国依托高铁、新能源汽车产业的技术积累，实现 IGBT 全链条国产化：研发的 1700V/4500A IGBT 模块功率密度达 2.5kW/cm²，完全满足推进变频器性能需求；构建 “芯片设计 - 模块封装 - 系统集成” 完整产业链，不仅使成本降低 40%，还将交付周期缩短至 3 个月，彻底打破西方垄断，为推进变频器批量生产与工程应用提供支撑。

三、航母弹射技术演进（一）航母弹射技术的发展演进

弹射技术自二战时期应用于航母以来，已历经 “液压弹射 - 蒸汽弹射 - 电磁弹射” 三代迭代。其中，蒸汽弹射技术长期占据主流，但随着舰载机向重型化、多用途化发展，其技术局限日益凸显；电磁弹射技术凭借功率灵活、效率高、可靠性强等优势，成为现代航母的核心技术方向。

图7 蒸汽弹射系统弹射飞机示意图

蒸汽弹射技术的原理与局限：蒸汽弹射技术基于 “往复式蒸汽机” 原理，借助高压蒸汽推动机械结构实现舰载机加速，虽技术成熟度高，但其固有缺陷制约了作战效能的提升。蒸汽弹射系统主要由储气罐、发射阀、气缸、活塞及往复车组成，工作过程分为五个环节：一是储存蒸汽，舰用蒸汽锅炉产生的高压蒸汽（压力约 8 至 10MPa）储存于储气罐，等待弹射指令下达；二是飞机固定，舰载机就位后，连接拖索并张紧固定，确保与弹射装置稳定联结；三是弹射阀门释放，接到弹射指令后，蓄压罐内的高压蒸汽通过弹射阀门进入开口汽缸，推动缸内活塞带动往复车；四是弹射加速，打开发射阀后，蒸汽进入气缸推动活塞高速运动，活塞通过往复车牵引舰载机沿弹射轨道滑行，在约 100 米距离内将舰载机加速至离舰速度（约 300km/h）；五是排气复位，舰载机弹射起飞后，系统通过制动缸等部件使往复车制动并复位，为下一次弹射做好准备。

图8 蒸汽弹射气缸

目前全球唯一现役蒸汽弹射系统为美国 C-13 型（装备尼米兹级航母），其最大弹射重量 30 吨，单次弹射耗时 30 至 120 秒，系统体积达 1100m立方、全重近 500 吨，是美国海军 “滚动攻击” 战术的核心支撑设备。但该系统存在三方面核心局限：一是能源效率极低，能量利用率仅约 6%，每次弹射需消耗 625公斤蒸汽与 1吨缓冲淡水，且蒸汽直接排入大气无法回收，连续弹射 8 架舰载机后，航母锅炉蒸汽压力下降 20%，动力输出降低 32%，航速减少 8 节，严重影响航母机动能力；二是运维成本高昂，C-13 型系统需 500 名专职人员维护，设备损耗快，每天最大弹射次数不超过 70 次，每弹射 500 次需停机检修 1 至 2 天，2500 次需回港大修 1 个月，6000 次需返厂拆解大修半年，大幅降低航母在航率；三是环境适应性弱，低温环境下蒸汽易凝结，导致弹射功率下降，无法在高纬度海域（如北极圈）稳定工作，限制航母部署范围。

图9 蒸汽弹射器（左）和电磁弹射器（右）推力变化比较

（二）电磁发射技术原理与系统构成

电磁发射技术是一种将电磁能直接转化为发射负载所需瞬时动能的能量转换技术，其系统主要由脉冲储能系统、脉冲电能变换系统、脉冲直线电机及控制系统四部分构成。发射前，脉冲储能系统先在较长时间内完成能量的稳定蓄积；发射时，脉冲电能变换系统将蓄积的能量精准调节为瞬时超大功率电能并输送至脉冲直线电机，电机通过产生电磁力驱动负载达到预定发射速度；与此同时，控制系统依托信息流对整个能量的存储、转换与传输过程实施全程精准管控，确保系统稳定运行。

图10 电磁发射系统组成

公开数据定量对比显示，我国中压直流系统核心性能指标显著优于美英中压交流系统：功率密度提升 20% 以上，优化舰船空间利用率；能源利用效率从 65% 升至 85% 以上，降低能耗；复杂工况下可规避并联失稳，适应高温高负荷环境；故障保护与系统重构响应时间达 10ms 级，提升容错能力。这些优势为我国舰船后续适配电磁弹射、高能武器提供坚实电力支撑，标志我国在该领域跻身国际领先行列。

电磁弹射技术的原理与优势：电磁发射技术是继机械能、化学能发射后的发射领域革命性突破，核心是利用电磁力（或电磁能）驱动物体达到高速乃至超高速的先进技术。它通过将电磁能精准转化为发射载荷所需瞬时动能，可在短距离内将几十吨载荷加速至高速，突破传统发射的速度与能量极限，既是未来发射技术的核心发展方向，更是现代航母电气化、信息化发展的关键支撑。

图11 电磁弹射结构

电磁弹射器作为舰载机高效起飞的核心装备，主要由储能系统、电力电子系统、直线电机、控制系统、冷却系统、预加动力装置及减速缓冲与刹车装置构成，其运行需各系统紧密协同：先由储能系统在一定时间内从航母配电系统获取电能并储存，随后在 2-3 秒弹射期内以脉冲形式释放能量；电力电子系统通过控制该脉冲放电过程调节直线电机动子速度，推动舰载机达到起飞速度，而控制系统则全程监控，确保弹射严格按规定参数完成。

作为舰载机高效起飞的关键技术，电磁弹射器基于 “电磁感应” 原理，依靠直线电机产生的电磁力驱动舰载机加速，无需复杂机械结构，其系统核心构成及功能如表 2 所示。凭借电磁力精准控制载荷加速的特性，它还具备系统效率高、弹射范围广、准备时间短、适装性优、控制精度高及维护成本低等优势：不仅能有效降低舰载机起降对跑道长度的依赖，提升航母舰载机快速投送能力与综合作战效能；还可延伸应用于隐蔽短跑道快速起飞场景，增强地面飞机生存力，现已成为衡量现代航母技术水平的核心标志性技术之一。

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表 2 电磁弹射系统构成，数据来源：电磁发射技术，马伟明

图12 电磁弹射器工作原理图

相较于传统蒸汽弹射技术，电磁弹射（EMALS）的技术优势呈现多元性与显著性，核心差异可通过多维度量化验证：从功率适配性来看，公开技术参数显示电磁弹射系统可根据舰载机典型机型（如预警机、重型战斗机、察打一体无人机）的起飞需求实现弹射功率精准调控，起飞重量覆盖范围达 2-70 吨、末端速度可在 50-200 节区间内灵活设定，而传统蒸汽弹射（以美国 C-13 型为例）采用固定功率输出模式，无法根据载荷动态调整能量供给，易造成能源浪费，该特性已通过中美两国电磁弹射陆基测试与海试数据印证；在作战效率层面，美国海军协会（USNI）2024 年发布的《航母舰载机出动效率评估报告》指出，采用蒸汽弹射的尼米兹级航母在 24 小时高烈度作战场景下舰载机最大出动架次为 240 架次，2025 年 2 月，在“福特” 号在合成训练演习（COMPTUEX）中，8.5 小时内完成 175 架次起飞及 170 架次回收，央视军事 2025 年 11 月 7 日的官方报道，中国首艘电磁弹射航母福建舰的单日最大弹射架次达到250 架次，体现出电磁弹射技术在连续作战效能上的优势；运维成本与可靠性方面，美国海军 2024 年 1 月《福特级航母作战试验数据摘要》披露，传统蒸汽弹射（C-13 型）平均无故障弹射次数约 400 次、需 500 名专职运维人员，福特级电磁弹射系统平均无故障弹射次数为 614 次（未达 4166 次设计值）、运维人员数量减少 30%，2023 年-2025年福建舰海试信息则显示，中压直流电磁弹射系统因取消蒸汽弹射的活塞、管道等易损机械部件，全寿命周期费用较蒸汽弹射降低 20%、平均无故障弹射次数超 2000 次，运维人员配置进一步优化；环境适应性上，公开环境适应性测试数据表明电磁弹射系统无需依赖蒸汽介质，不存在低温凝结问题，可在 - 40℃至 60℃极端温度区间稳定运行，适配高纬度（如北极海域）、高温高湿（如热带海域）等复杂部署环境，而传统蒸汽弹射在环境温度低于 0℃时需额外配置蒸汽保温装置，否则易因管道凝结导致弹射功率衰减，部署场景受限。

图13 歼-35从福建舰弹射起飞

未完待续