在關於電磁軌道炮和電磁彈射器的熱烈討論中，經常可以看到一些似是而非又相互矛盾的觀點。其中的誤解，很多都來自於對電磁發射系統能源需求的不了解，從早前的“只有核動力航母才能使用電磁彈射器”到最近的“中國的電磁炮不需要電池組，可以直接發射”等等。這些說法，很大程度上是來自於不理解電磁發射系統的能源需求。本文將對電磁彈射器和電磁軌道炮兩種典型電磁發射系統的能源需求進行分析，並簡單介紹一下其背後的能源管理問題。

　　在本文中所引用的信息，未特別標明的都來自於以下論文：1、⻢偉明院士領銜署名，發表於2016年12月的《電磁發射技術》；2、同樣由馬院士為第一作者，發布於2016年10月的《電磁發射系統中電力電子技術的應用與發展》；3、來自⻢院士團隊，發表於2013年10月的《飛機電磁彈射系統發展綜述》；4、同樣來自馬院士團隊，發表於2017年6月的《電磁發射用多級混合儲能充電策略優化》。

　　在開始進一步的分析前首先說明：為了便於估算，在本文中假設認為電磁發射過程是一個勻加速直線運動，並將使用對應的公式加以測算。這一點對於電磁彈射相當準確（其平均加速度變動範圍在5%以內），對於電磁軌道炮則有一定誤差，因為現有的某些電磁軌道炮實驗中其加速度變化範圍相對較大（在MD的實驗中從20000g+到60000g+），但在這裡對於能量和功率的量級估算影響不大。

　　1、有限的能量：電磁發射需要的總能量不算高　　單單觀察電磁發射過程的能量需求，會發現其數量有限而能源效率極高。先看電磁彈射器，以MD現有型號指標來計算：其最大彈射能量為122MJ（兆焦），大約就是把質量25噸的飛機以100m/s速度彈射出去時的能量；再考慮到電磁彈射器大約60%的能源效率，則其一次彈射所需的總能量大約是203MJ；轉化成我們熟悉的千瓦時KW.H（也就是一度電），大約不到57度電，以現有居民電價計算，價格不到50元人民幣。

　　再看電磁軌道炮：以MD目前開發的32MJ的電磁軌道炮為例，這大約相當於將10Kg的彈丸以2500m/s的速度打出去，理論上其最大射程可達250公里以上；由於發射能量為最大32MJ，即便考慮到現有電磁軌道炮悲催的百分之十多一些的能量效率（為便於計算取15%），其發射所需要的總能量也不過是213MJ，換算成kwh大約是59度電多一點。換回人民幣50多一點。可以大幅度降低打擊成本，這也是md海軍立項時忽悠元老院的重要依據。

　　綜合起來看，電磁發射技術的一大優勢就是其能量效率很高，而需要的總能量並不算高。以電磁彈射器對比傳統蒸汽彈射器為例，每次彈射的能量轉化效率只有4-6%，更不用說由於其準備時間需要24小時以上，以至於其必須在執行任務時始終處於準備運行狀態而帶來的巨大能量消耗。綜合起來，電磁彈射不但能量轉化效率高達60%左右，更由於其準備時間只需要15分鐘左右，在準備狀態下的能耗也極低（不用一直燒幾噸開水），其整體能效至少高過傳統蒸汽彈射兩到三個數量級！

　　2、海量的功率：對供電系統功率的驚人需求

　　雖然電磁彈射和電磁軌道炮每次發射的總能量並不算高，但一旦討論到其對供電系統功率的需求時，則完全是另外一回事了。因為這裡加入了一個極其關鍵的變量：時間。

　　以電磁彈射系統為例，基於上面的例子，在90米左右的軌道上實現100m/s的發射速度，總的彈射時間約為2s。也就是說，上述203MJ的能量必須由供電系統在2s之內提供完成；2s換算一下大約為1800分之一小時，則在彈射期間供電系統的平均功率需要達到約100MW。這個功率需求，大約相當於四台原版的LM2500燃氣輪機（每台發電功率24MW）。也就是說112、113兩條艦艇停住不動，其上的燃氣輪機全都用來發電，大約可以勉強滿足一條電磁彈射器的電源功率要求。

　　如果說電磁彈射器的需求儘管極高，但還在可想象的範圍內。一旦講到電磁軌道炮，那就是嚇死人的數值了。原因很簡單，把電磁炮彈在10m的軌道內從0加速到2500m/s所需的時間，大約是0.008s！以上面32MJ的例子換算一下，在電磁炮發射期間所需的供電系統的平均功率，大約為26.6GW（26600MW）。為便於理解這個值有多大，咱們對比一下：三峽水電站作為中國也是世界上最大的單一發電廠，其發電滿功率是約21GW！也就是說，整個三峽的發電功率，帶不動一門發射能量為32MJ的電磁軌道炮！

　　所以，如果從對電源系統的功率要求角度來看，所有的電磁發射系統的需求都是海量。如果說理論上來說，核動力航母可以直接發電驅動電磁彈射器（比如尼米茲級的最大發電量據說可達190MW），這算是電磁彈射器只能搭配核動力航母這一說法的靠譜點的理由了。但在實際使用時，考慮到輸變配電系統的一系列潛在問題，福特級上面的電磁彈射器也並非直連推動，也還是採用了基於儲能的功率變換系統。而對於電磁軌道炮來說，除非能有殲星艦級別的黑科技，不可能有任何艦艇動力和電源系統可以直接與其適配。

　　3、儲能放大：電磁發射系統的能源實現原理

　　既然直接由艦艇動力和電源系統直連驅動的路走不通，為了滿足各類電磁推進系統對電源系統的超高要求，就需要有的放矢的針對其需求特點進行改進。其解決問題的基本思路，我個人總結為“儲能放大”。首先，請看一下馬院士論文中給出的結構圖：

　　由上圖中可以看出，任何一種電磁發射裝置都有四個大模塊構成。在其中：“儲能系統”直接和艦艇提供的電網連接，可以從外部電網中獲取持續但功率有限的電源，而後將其儲存於自身的儲能裝置中；而後一旦需要開始發射過程，“功率變換系統”可以將儲能系統中的長時間儲備的電能，在極短的時間內轉換為超大的瞬時功率輸出給對應的脈衝發射裝置；而後，由“脈衝發射裝置”使用獲取的巨大瞬時功率，根據其不同的發射原理（電磁彈射器的直線電機、電磁軌道炮的軌道電樞）實施相應的發射動作；而所謂“控制系統”負責實現對這個過程的精確控制。

　　從本質上來說，用來解決電源系統功率問題的就是儲能系統和功率變換系統。其相互協同，負責將從外部電網較長時間充電獲取的電能，在短時間以極高功率/電流的方式釋放出來。在某種程度上說，這是外部電源功率在時間軸上的壓縮放大過程。舉例來說，外部網絡的充電功率可能只有1MW，可如果持續充能10分鐘，而後將存儲的電能在2s內釋放出來。那麼在不考慮儲能和功率轉換系統變換損失的情況下，其在2s內可以釋放出來的短時間功率達到了600s/2s=300倍，也就是300MW的超高水平，足夠驅動3條電磁彈射器同時完成一次彈射。

　　當然這只是理論上的基本原理，在實際運用過程中，不但儲能和功率轉換系統會有一定程度的損耗，而且需要合理選擇相應的技術路線，並克服一系列的技術難題。對此馬院士在論文中總結為：電磁發射本質上是能量的變換， 為實現這一能量變換過程，需要使用大量的電力電子裝置及相適應的控制技術，對電力電子裝置的總體設計、拓撲結構選擇、控制系統設計以及輔助系統的設計方面提出了很高的要求。

　　4、電磁發射系統的儲能方式

　　用馬院士的原話來說：由於電磁發射磁裝置瞬時功率極大（100MW級至GW級），按能量的存儲形式，現行的儲能方式主要有三種：①化學儲能， 蓄電池、超級電容器和脈衝電容器等；② 機械能儲能，如飛輪儲能；⑧ 超導儲能。其中，超導儲能雖然具有能量密度大、效率高、響應速度快的優點，但由於運行環境要求苛刻、影響超導帶材失超的因素較多、體積重量較大等原因，暫時還處在機理研究及實驗樣機研製階段。

　　也就是說，考慮到電磁發射系統工程化和可靠性等方面的要求，超導儲能還處在實驗室階段，實際可使用的就是基於飛輪的電機慣性儲能和基於超級電容器與鋰電池組合的複合儲能方式。而從相關論文透露出的信息來看，可以判斷出我國的電磁彈射器當前採用了基於飛輪的慣性儲能方式，而電磁炮則採用了基於鋰電池和超級電容組合的複合儲能方式。下面分別結合其應用場景加以簡單介紹。

　　5、電機慣性儲能：電磁彈射的穩妥之選

　　基於飛輪的慣性儲能，並不算一個很新的技術，wiki上面的定義如下：飛輪能量儲存（英語：Flywheel energy storage，縮寫：FES）系統是一種能量儲存方式，它通過加速轉子（飛輪）至極高速度的方式，用以將能量以旋轉動能的形式儲存於系統中。當釋放能量時，根據能量守恆原理，飛輪的旋轉速度會降低；而向系統中貯存能量時，飛輪的旋轉速度則會相應地升高。其典型的結構請參見下圖：

　　飛輪儲能的最大優點是其能量密度和功率密度（相關定義見下一節）都非常不錯，並且具有高可靠性、高可維護性和超長使用壽命的特點。自20世紀90年代以來，飛輪儲能已經廣泛的應用於很多工業領域。在近年來，通過採用高強度碳素纖維複合材料、磁懸浮和真空技術以及充分利用電子電力技術的新進展，飛輪儲能的性能更有了更大的提高。

　　在飛輪儲能方面，國內有諸多廠商和研究機構已經有相應的產品。而馬院士領導的團隊在這一領域做了很多的工作，其論文中的原話是，“突破了高能量密度、長脈寬和長壽命的慣性儲能技術，創造性地提出了將拖動機、勵磁機、旋轉整流器及主發電機共軸集成，並將飛輪與轉子合二為一的儲能電機方案，提高了裝置的功率密度和能量密度，解決了脈衝功率裝置與不同容量電力系統適配的難題。”對此的一句話解讀：我們已經搞定了飛輪儲能方式，並解決其與電磁彈射、電磁炮這一類系統的兼容性。

　　從相關論文中的我們還可以判讀出，馬院士團隊實際上是將慣性儲能和發電機融為一體，做成了所謂的儲能電機。在連接外部電網充電時表現為一個慣性儲能裝置，在工作時表現為一個大功率發電機。而後多個這樣的儲能電機發出的能量，經過相應的功率轉換裝置，變為可以用來驅動電磁發射裝置的巨大能量。受制於儲能電機的輸出功率等級，相比於需要GW級別瞬時輸出功率的電磁軌道炮，電磁彈射器大約百兆級別的瞬時功率需求更為匹配。實際上，MD的福特級航母上的電磁彈射器也採用了飛輪儲能模式。

　　在討論電磁彈射系統的論文中，馬院士團隊大篇幅的討論了和儲能電機相關的一系列技術問題，特別是其在很短時間內大幅度提高輸出功率時相關的穩定性和勵磁調節快速性問題。這種應用模式和電磁彈射器的需求非常吻合，基本可以判定為電磁彈射器的配套儲能裝置。

　　6、複合儲能：電磁軌道炮的必然之選

　　相比於電磁彈射器，電磁軌道炮對於瞬時功率的要求要劇烈的多。馬院士論文中對此的描述是：以32MJ動能導軌式電磁發射為例，其單次輸出能量達百兆焦、瞬時輸出功率達數十吉瓦。在需要連續快速發射的場合，單一儲能難以滿足該要求。海軍工程大學提出了導軌式電磁發射裝置應採用混合儲能方式供電。。。。。

　　從這一段話里，我們可以讀出兩個關鍵信息：其一，電磁軌道炮的瞬時功率要求的確達到了幾十吉瓦（GW）級別，這與我們前面的測算一致；其二，已有的任何一種單一能量存儲模式，不管是超級電容、慣性儲能甚至超導儲能，都無法滿足電磁軌道炮的能源需求。對此的解決之道，是採用所謂的混合儲能方式，而這也一定是936上面那門大炮背後的工作方式。

　　那什麼是混合儲能方式？在這裡指的是採用大容量鋰電池和超級電容器組合的儲能方式。那為什麼要這麼做？混合儲能的優勢何在？我們首先要了解評估所有儲能設備最為關鍵的兩個參數，即能量密度、功率密度的定義：

　　觀察現有的儲能模式，慣性儲能的能量密度和功率密度都相當不錯，但可惜距離電磁軌道炮所需要的GW級別的瞬時功率需求距離還挺遠，並且受限於其物理結構，進一步提高的空間不大；大容量電池的能量密度很高，但可惜其功率密度不行，無法在極短時間內釋放出電磁軌道炮所需要的大電流和高功率；超級電容器的功率密度極大，幾乎是唯一可以跟得上電磁軌道炮功率需求的儲能方式，但可惜其能量密度不高，基本是一次一充。

　　所謂的混合儲能（也稱複合儲能）其實就是將鋰電池和超級電容器組合起來使用：由鋰電池負責從外網中吸收存儲電能，發揮其能量密度高，電能存儲多的優點；由超級電容器負責向發射軌道供電，發揮其功率密度大，可以支持軌道炮所需的瞬時大電流、高功率的優點；而後由鋰電池負責向釋放後的超級電容器快速充電（如45s內），以支持電磁軌道炮快速、多次發射的需求。通過這兩種儲能方式的組合，實現電磁軌道炮所需的高效能源支持。

　　當然，談起來容易，做起來難。如何解決兩種儲能方式的相互連接，如何保證其工程可靠性、如何降低其成本、提高其密度都是一連串的問題。比較值得一提的是，在多篇論文中都提到了馬院士團隊原創的所謂台階升壓式充電方式，用於實現電池對脈衝電容器的快速充電。台階升壓式充電結構簡單，具有近似恆流的輸出特性，且開關頻率低、損耗小。根據其論文數據，可以降低接近30%的成本，並實現高的工作可靠性和效率。

　　結語：高效能量管理是電磁發射系統的重要基礎

　　綜上所述，電磁發射系統有着廣闊的軍民用前景。但相對而言，也對能源管理提出了新的要求。不管是要安裝高效的電磁彈射器，還是要想把連一座三峽電站的功率都無法直接支持的電磁軌道炮上艦，都需要其背後的高效能源管理系統，特別是儲能和功率變換系統的支持。具體到海軍艦艇應用領域，實際上還需要全艦能源管理系統（也就是所謂“綜合全電”）的支持。值得欣慰的是，在這新一輪海軍裝備革命之中，我國是走在世界最前沿的。讓我們一起期待，屬於中國人的“星辰大海”。