飛輪,彈射器和激光武器

這次中國展示的福建號航母電磁彈射三款艦載機的視頻,震驚全球,尤其是在眾所周知的美國航母電磁彈射工作不理想的背景下,顯示了中國軍工的創新能力。

中國在93閱兵中,也展示了不少激光武器。但無論是電磁彈射器,還是激光武器,抑或是正在研發中的電磁炮,有個關鍵技術問題,就是瞬間爆發的巨大能量需求如何滿足?

電機的做功公式 W=UIt, 一架J-15T 有近30噸重,起飛速度至少200公裏每小時,起飛時動能W=1/2MV^2, 那是個非常大的數,要在幾秒鍾的時間內實現,I=W/Ut(電流)的數量將是天文數字。沒有任何發電機能在瞬間提供如此大的爆發電量,儲電是必須的。

但儲電的化學電池的瞬間放電能力是有限的,具有巨大瞬間放電能力,目前隻有飛輪和電容兩種技術可行。電容的放電速度雖然非常快,但其儲電隻在表麵,能量密度不足,放電的持續時間也不長。航母彈射後彈射器減速歸位,以及飛機降落時攔阻索減速,需要能量回收從而節省能源,這就像電動車刹車時回充電一樣。這對飛輪很容易,對電容則不容易。因此,飛輪應該是電磁彈射的第一選擇,美國福特號是如此的,中國的航母也應該如此。

飛輪儲能係統的工作原理是:利用電能驅動一個高速旋轉的轉子(即飛輪),將電能轉化為動能儲存起來。當需要能量時,飛輪會減速並將動能通過發電機反向轉化為電能釋放出來。

飛輪的優點包括:飛輪可以在極短的時間內釋放出大量的儲存能量,輸出功率可以達到兆瓦級 (Megawatt) 甚至更高;飛輪的充放電循環次數可以達到數十萬次,遠超傳統電池,飛輪從放電到再次回充的速度很快,使其非常適合需要頻繁使用和快速充電的戰術武器係統;飛輪對溫度變化的敏感度遠低於化學電池,在極冷或極熱的戰場環境下,性能衰減較小;飛輪儲存的是機械動能,不涉及危險化學反應,安全性高,維護也相對簡單。

印象上飛輪很重,而眾所周知的能量公式,W=1/2MV^2, 速度(v)是指數級提高能量,現代高能飛輪係統正是通過犧牲質量來換取更重要的優勢——更高的轉速。轉速越高,飛輪儲存的能量就越多。但是,轉速受到材料強度極限的限製。當飛輪高速旋轉時,會產生巨大的離心力,如果轉速過高,材料就會崩裂。傳統鋼材強度較低,必須限製在較低的轉速,因此必須依靠更大的質量來儲存能量。而碳纖維複合材料具有極高的比強度(強度/密度比),比鋼材輕得多,但能承受高出數倍的轉速。通過將轉速提高一倍,儲存的能量就可以增加四倍 (22),這遠遠抵消了其質量減輕帶來的動能損失。

當飛輪失效(崩裂)時,輕質的碳纖維轉子產生的碎片能量和破壞力,遠小於重型鋼製轉子,從而更容易被防護罩容納,提高了係統的安全性。因此,現代飛輪多數由碳纖維複合材料製成,並有真空防護罩和磁懸浮軸承。

相比電磁彈射,激光武器麵臨的挑戰更大。要產生足以在實戰中快速摧毀目標(如導彈或無人機)的兆瓦級高能激光束,需要巨大的電源係統和高效的散熱係統。將這些龐大、沉重的設備集成到軍用車輛、艦船或飛機等受限平台上(即著名的 SWaP: Size, Weight, and Power/尺寸、重量和功率 問題)是一個巨大的工程挑戰。飛輪應該是大型激光武器必備的電源供給裝置,尤其是需要反複射擊的應用。

電磁彈射的能量效率還是挺高的,在70%以上,而現有高能激光器的電光轉換效率通常不高(可能隻有30%~50%),這意味著大部分輸入的電能都轉化成了廢熱。處理和消散這些巨大的熱量需要複雜的冷卻係統,進一步增加了係統的尺寸和重量。

激光束在稠密大氣中傳輸時,會被空氣中的水蒸氣、煙塵、霧霾等吸收和散射,導致能量大幅衰減。更嚴重的是“熱暈效應”,即激光加熱了大氣,使得光束路徑上的空氣密度不均勻,進而扭曲和擴散激光束,嚴重降低了聚焦在目標上的功率密度。

激光毀傷主要依靠燒蝕效應積累熱量。要瞬間“秒殺”目標非常困難,通常需要持續輻照一段時間才能達到目標的毀傷閾值。如果目標具備高反射率塗層或快速旋轉,會進一步延長毀傷時間,限製了激光武器的實戰應用效率和有效射程。

目前,麵對低價無人機在戰場上的興起,如何“經濟”地消滅他們成為一個難題,麵對廉價、大量、甚至成群結隊(蜂群)的無人機,發射一枚價值數十萬到數百萬美元的防空導彈去擊落一架價值幾千美元以下的無人機,經濟上是不可持續的。激光武器的“每次發射成本”極低(通常隻需幾美元的電費),隻要能源供應充足,就可以進行幾乎無限次的射擊,完美解決了反無人機作戰的效費比問題。

另外,也可以防禦短程的火箭彈、炮彈和迫擊炮彈,如以色列的“鐵束”(Iron Beam)就是一個高能激光防禦係統,旨在補充其著名的“鐵穹”導彈係統,用於攔截近距離的火箭彈和迫擊炮彈。

但是,兆瓦級激光武器目前大多仍處於研究和原型階段,93閱兵中那個有個大燈泡的所謂艦載激光武器,應該就屬於這一級別,目前國際上還沒有先例。但用於短程防禦和反無人機的數十到百餘千瓦級的戰術激光武器,已經度過了純粹的實驗階段,開始走向實戰部署和服役。

而科幻電影中那種便攜式的可無限射擊的激光槍,目前還未能實現。主要技術挑戰,還是能量提供問題,要產生足以瞬間燒毀目標的激光束,需要巨大的功率和持續的供電。將高性能電池和冷卻係統濃縮到步槍大小的尺寸內,是最大的技術瓶頸。目前隻有低功率激光(例如幾百瓦)用來致盲人眼或光學設備的便攜式激光武器。

 

 

 

 




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美國福特號的問題之所以眾所周知是因為信息的透明。福建號彈射三款戰機隻是證明“能彈”,有沒有問題?天知道 -Uusequery- 給 Uusequery 發送悄悄話 (0 bytes) () 10/02/2025 postreply 10:35:34

抄來抄去,抄成小米汽車。 -hellomm- 給 hellomm 發送悄悄話 hellomm 的博客首頁 (0 bytes) () 10/02/2025 postreply 10:36:37

福建艦用的是超級電容,完全不同於福特艦用的飛輪。 -panlm_- 給 panlm_ 發送悄悄話 panlm_ 的博客首頁 (0 bytes) () 10/02/2025 postreply 10:49:47

飛輪400噸 -又當爹來又當媽- 給 又當爹來又當媽 發送悄悄話 又當爹來又當媽 的博客首頁 (185 bytes) () 10/02/2025 postreply 11:36:02

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