中国电磁弹射是“超级电容+飞轮”储能，不是只用超级电容，很科学地混合，完胜美国只

中国电磁弹射是“超级电容+飞轮”储能，不是只用超级电容，很科学地混合，完胜美国只靠飞轮的废物系统。学习下超级电容和飞轮的优缺点

我原本以为福建号是主打超级电容的电弹，美国电弹用飞轮不行死球了，超级电容完胜飞轮，扯了这么一个技术逻辑。实际上，超级电容和飞轮，各有优缺点，两者混合才是完美的系统。更合理的逻辑是，中国“超级电容+飞轮”完胜美国“飞轮”，还是得学习进步才明白，单用超级电容也不行。

我原来还以为超级电容是器件上电子和空穴分离聚集，这样的方式储能，放电的时候就电子和空穴结合。实际似是而非，超级电容是靠极化液体中离子的物理迁移，在导电电极与电解质界面形成厚度仅纳米级的电荷层（双电层），本质上是一种静电+电化学的界面储能。图一，单个电容就是“电极(多孔碳) ── 电解质(含正负离子) ── 电极(多孔碳)”的纳米材料结构。充电时，外电压把正负离子分别拉到两电极表面，不到1nm的界面内形成“双电层”，电荷分离距离等于溶剂分子直径；储能时，这个纳米级电荷层就是“电容”的介电层，容量正比于电极比表面积；放电时，离子快速离开表面，电流瞬间放出；没有化学反应，几乎不破坏结构，可以百万次循环。

这里的核心机密，是那个“双电层”，正电荷与负电荷就挨着，它怎么不对消呢？双电层”之所以能稳定存在，关键在于电荷分处不同相：电子在固态电极里，离子在液态电解质里。两者被一层“电化学界面”隔开，厚度仅 0.3–1 nm！这个界面还绝缘到足以承受几伏电压，中间隔的是取向排列的溶剂分子（水、乙腈）或离子液体层，导电性极低。图中有两个双电层，放电时对消，是走外接电路（就是弹射战机的能量来源），液体里的正负离子又混合游走。

约1.2万个超级电容组成矩阵，100串、每串120只，先串后并。串联是因为单个电容受不了多大电压，也就2.7V，而工作电压是300V，必须串联分解压力。并联就是增强功率。这个矩阵有35MJ能量，100MW的脉冲功率。2秒释放，战机上天，通过直线电机带动滑块（连到战机腿上）。充电就要2分钟，把每个电容里的双电层弄出来。

但是，如果只用超级电容储能释能，这个方案还是有问题，四个大缺点。第一个是，2秒释放35MJ能量，然后快速充电，接着弹射，连续运作对整个航母的电力系统是很大的冲击。上万个电容硬抽电网充电，母线电压骤降10–15%，弄不好电网就“闪崩”了。

第二大缺点，航母电网总能量不够。一共就250MJ电能可用，超级电容一次用掉35MJ，发射几次就不行了，之后要“边补边打”。虽然燃油发电机组可以补能，但是有个能量爬坡过程，无法快速补能，跟不上超级电容的快速释能节奏。只用超级电容，就会发现用得快充得慢，发射节奏上不去。

第三大缺点，能源浪费、麻烦。弹射结束后，战机解锁跑了，大滑块在高速运动，有很高的能量，需要电机制动。纯电容方案，制动的电能就加热电阻栅，烧掉了，每次弹射浪费半吨航空煤油。还要用200–300kW冷却功率给电阻栅，麻烦。

第四大缺点，只用超级电容，就会频繁深度充放电，连续大电流抽电，减少薄膜电容寿命。

这些缺点，全部都可以用飞轮来补！飞轮来“能量回收”，超级电容2秒让战机起飞，滑块制动时让飞轮储能；接下来20多秒，飞轮能量又给回超级电容，就可以做到持续快速弹射了，45秒一个飞机。超级电容工作深度从90%降低到60%，比纯电容方案寿命大增2-3倍。飞轮回收大部分能量，燃油电机补能从从容容不费劲。有飞轮补能，超级电容从电网抽能需求大降，电网压力大降。飞轮还有个作用，在超级电容快速释能的2秒内，一起给直线电机供能，减轻电容压力。

所以，从科学原理上就能看出，“超级电容+飞轮”是非常合理的牛逼方案。

上面说纯电容方案要的缺陷，那只用飞轮，又是什么缺陷？问题更大，美军等于失败了，五大缺陷。

纯飞轮方案，需要把多台飞轮并联，让它们转速7000同时掉到3000，同时释放能量。电容串并联操作容易，电很靠谱。但是飞轮并联是机械的不易精确控制，转速差个5%，功率不均就会导致直流母线塌陷。要多台飞轮并联，是因为单个飞轮释放能量是运动变化，不可能太快，电容系统就能非常快释能。

第二个缺陷，电容系统释放能量好操纵，可以进行实时微调，保护飞行员不要承受过大推力、保护机械结构。这种微调是必须的，如滑轨的摩擦力不可能很均匀，要应对小变化。而飞轮结构的实时微调就很麻烦，结构件会承受很大的调整压力。高速旋转的飞轮，要操纵并不容易。

第三大缺陷，飞轮系统总重、占地很大，系统复杂。弹射要100MW 脉冲功率，要6–8台5 MJ 级飞轮（单台4吨，直径1.6m）。系统总重量25–30吨，占地100平米，比超级电容系统大2–3 倍。而且每台飞轮非常复杂，要真空舱、磁悬浮轴承、氦气密封、防爆壳，运动部件，有200个精细部件。这些部件在海上高盐雾环境可靠性下降，电容就不会受这些影响。为了安全，飞轮舱还必须布置在舰体深层防爆井内，以防陀螺失控时出事，舱段需200mm 厚钢甲与凯夫拉内衬，挤占舰体空间。

第四大缺陷，储能放电节奏慢。超级电容充电可以很快，做到45秒再弹。给飞轮储能时间要慢一倍以后，操作节奏快不起来。第五大缺陷，纯飞轮方案没法搞能量回收。有超级电容，飞轮可以做能量回收。但只有飞轮，用另一组飞轮搞能量回收会更麻烦了。

实战中，前三大缺陷就把美军的纯飞轮电弹系统弄得生不如死了，第四和第五大缺陷反倒没啥了。