线圈炮反超美国，当代“电磁护国真君”和他的同仁们究竟还有多少压箱底的宝贝？

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2023年8月25日，《南华早报》发布了一篇，名为《Chinese navy says it's testing the planet's most powerful coil gun》的文章。

作者史蒂芬陈介绍了一件事，那就是根据海军工程大学马伟明院士的最新论文《电磁发射技术的研究现状与挑战》，中国又在一个领域实现了遥遥领先。

所谓线圈炮，就是电磁炮的一种，不同于电磁轨道炮在弹丸上通过电流，利用洛伦兹力弹出去的那种模式，线圈炮是通过通电线圈制造一个变化的磁场，进而在炮弹上引发感应电流，由磁场和感应电流间产生的电磁力推动炮弹向前运动。

轨道炮因为需要在两个轨道之间形成电流回路，炮弹难以避免地需要跟炮管接触，这样的巨大的电流和高速的摩擦，容易造成烧蚀问题，因此轨道炮不适合用来弹太重的物体。而线圈炮理论上可以不与炮管接触，就可以用来弹非常重的物体，比如巨大的炮弹。

文章说，我国的线圈炮在射击测试中将124公斤的弹丸在不到0.05秒的时间内加速到700公里/小时（约194米/秒）的速度。这是全世界已知的线圈炮实验中，使用的最重的弹丸。换算到能量为炮口动能2.34兆焦耳。

而与之相对的是，已知排在第二的美国桑迪亚国家实验室的120毫米口径电磁线圈迫击炮试验装置，只能够发射重 18 公斤的弹丸。

给大家一个相对直观的概念。124kg炮弹大概跟一头成年猪差不多重，这证明了风口足够大的话，猪确实可以飞啊。

对应到现在的火炮的话，一般155毫米重炮，已经是集团军一级的部队才直属的支援火力，而124kg炮弹大概跟一发专门用来拆永备工事的，老式240mm迫击炮弹的重量差不多。如果这门电磁炮批量装备部队，虽然射程近点，但是考虑到潜在的协调指挥问题，那高低也是一款只有集团军级别以上首长下令才能调得动的武器。

但是这仅仅是马伟明院士所有发明当中，最不重要的一个。毕竟他是让海军司令员为他打伞的大神级人物，网友给马院士的尊号更是炸裂，“武安显圣护国佑民忠孝灵佑普济电磁真君”。

马伟明院士1960年4月出生于江苏省镇江市扬中。在1975年，成绩优异的马伟明考上了高中，但他家里条件不好，他的父亲就希望他早点参加工作补贴家用。于是懂事的马伟明就自愿选择辍学，然后进入了一家无线电修理厂当学徒。

如果原本的剧本，一个大师就要成为修理工了，但是这时候出现了一位伟大的老师拉了他一把。虽然当时没有义务教育制度更没有高中必须读完的要求，但是当马伟明的数学老师发现他没来之后，多次登门拜访马伟明的父亲，最终让年轻的小马回到了学堂。

接下来正好高考也恢复了，在群英荟萃的78年的高考中，马伟明考入了海军工程学院(海军工程大学前身)。之后小马就在这个大学读完了本科和硕士，并在清华获得了博士学位。

小马同志很早就表现出了对于船电领域异乎寻常的兴趣和天赋。

在上世纪90年代初，我们的船电技术还十分落后，当时对于国产常规潜艇至关重要的十二相发电机系统都要依赖国外进口。

而这时候，小马同志敏锐地发现进口发电机存在“固有震荡”的缺陷，这个缺陷在一些工况下可能导致全部发电机停车。一旦这种情况出现，那对于常规潜艇来说那就只有两个字了：等死。

而当时外商拒绝承认这是个问题，毕竟“固有震荡”顾名思义那就是根子上自带的问题，属于没办法只能妥协的缺陷。

而马伟明不这么认为，在恩师张盖凡教授的支持下，利用仅有35000元的科研经费，马伟明团队在20平米的洗脸间改造而成的实验室中开始了研究。

经过1800多个日夜攻关，几十万组实验数据分析，马伟明不仅研制出了带稳定绕组的多相整流发电机，还提出了描述“振荡现象”的判据公式，从根本上解决了“固有震荡”，这一已困惑世界电机界20多年的难题。

而这项科研成果，也荣获了2000年度国家科技进步一等奖。

之后有一次，马伟明去那家外国供应商验收设备。当再次指出“固有震荡”问题时，外方专家依旧搁那扯淡，这次马老师不能再给他留脸了：“先生，我们是在讨论科学，你不懂，我来教你！（难道你没有读我的论文吗？）”

外方人员备受震撼：为何此人竟有如此王霸之气？然后他们去查找世界专利索引，发现眼前这个中国人正是解决“固有震荡”的人，立马就治好了满嘴跑火车的毛病，表示愿意出资“数百万”，购买这项专利。

当然转让是不可能转让的咯。

当年马伟明有多次出国进修学习的机会，这样的人才自然在任何脑子正常的人眼中都如金子般宝贵。当时有不少国外老板提出请他留下，许诺给他丰厚的报酬。可他说：您所给予我的，中国暂时还不能给我，但中国给予我的，您的公司永远不可能给我。他谢绝了外国老板的挽留，毅然登上了回国的航班。

在马伟明看来，把事情做成，就是祖国对自己最大的褒奖。

而国家也没有辜负马伟明，凭借着过硬的成绩和成就，马伟明同志在34岁破格晋升教授，38岁成为博士生导师。41岁当选中国工程院最年轻的院士，42岁晋升海军少将军衔。

这时候，对马伟明院士来说，解决类似“固有震荡”这类“小问题”，获得“国家科技进步一等奖”这种“小奖项”就注定只是他人生路上的一个注脚。他将改变人类未来的发展方向。

但是接下来马院士的很多工作进入到了涉密的领域，我们也无法一一列数他到底做了什么，只能通过一些公开的报道和论文看出一些蛛丝马迹。

在2017年5月30日的央视《焦点访谈》栏目中，马伟明留下了令广大网友传唱至今的一个名场面。作为我国船电领域的带头人，他面对央视的镜头说了一句：领先就（要）领先美国。很多人把这句话当作是针对我国军舰电磁系统的豪言壮语。

其实并不是，当时他的原话是：在有了这两个技术（的基础上），是我们团队在世界上第一个领先项目。领先就（要）领先美国，美国也是沿着这条路线走的。这是下一代核潜艇（技术），现在已经在应用了。

所以这说的是什么呢？背景板上，“潜艇无轴泵喷”字样十分显眼。对于大多数舰船来说，会有一个轴来驱动螺旋桨前进。但是这样会有几个弱点，其中比较突出的就是螺旋桨外部是开放的，水流的分散会导致推进效率偏低，而且桨叶尖端会因为高速运动产生压力差从而产生气泡和噪音，而且这根轴的存在也势必导致一些不必要的空间浪费和发动机噪音传导。

而无轴泵喷说的是，把螺旋桨叶片安装在环状导管内侧，用电机带动整个环状导管内部桨叶一起旋转，类似把螺旋桨推进的飞机换成喷气式。如此一来不仅提高了发动机推进效率，释放了舰艇内部空间，更重要的是，空泡噪音和传动轴噪音大大降低，舰艇航行更加静音。至于为什么需要如此静音，那自然是要悄悄地进村，打枪的不要。

根据马院士团队所在的湘电股份2021年披露，永磁无轴泵推技术的功率已经达到了40MW，相比之下，一艘福特级超级航母四根推进轴的总轴功率大约30万马力，约221MW。这样只要5-6台马院士的泵推就能推进福特级飙出30节以上航速。而一艘俄亥俄级战略核潜艇的功率还不到40MW。

虽然这种级别的发明已经在任何一个国家来说都是一辈子不愁吃喝了，但是一心报效祖国的马院士一直在超越自我也在超越人类技术发展的边界。

马院士划时代的发明则是舰用中压直流供电系统。

而也是在这个系统上，中国正在完成对于全球所有海军强国的反超，并且有可能开创出一个全新的电动海洋时代。

早在上世纪之初，电动大型船舶就已经流行过一段风潮。世界上第一艘航母兰利号，战前主力战列舰田纳西级战列舰、科罗拉多级战列舰和列克星敦级战列巡洋舰等多艘船只，都曾是电动军舰的一份子。

当年由于大型船舶的传动装置并不是很成熟，同时军舰动力和航速需求有了一波提升，加上电动机方兴未艾。很快就有人尝试用电动机代替巨大的齿轮箱传动轴，直接驱动舰船的螺旋桨。

但是由于当时电动机技术也不成熟，比如有容易过热、功率偏小等等问题，再加上大功率机械传动系统的发展，大家逐渐发现，看起来高端的电驱动其实并不靠谱，扎实可靠的燃气轮机才是大型舰艇的归宿。因此在之前几十年只有潜艇、小型舰船、特种船只才会采用电驱动。

但到了21世纪，人们发现这个问题显然值得被重新思考。随着雷达等精密仪器越来越多出现在大型军舰上，以及电磁弹射、电磁炮、激光炮的等武器系统的出现，舰船上的用电需求越来越大。

美国海军阿利伯克级驱逐舰装备4台LM2500-30燃气涡轮发动机，总轴功率大约80MW，而它同时准备3台罗罗公司的AG9140发电机每台功率 3MW，总功率9MW，换句话说，阿利伯克级驱逐舰只能把自身总功率的10%转化为电能。

做任何事本质上都是个能量转化的过程，而对于一艘军舰来说，航行固然重要，但航行到指定位置之后，势必还是要打仗，如果一艘巨大的军舰，只能拿出自己10%的能量用于打仗，这就有点像中国男篮的那个王哲林，一对抗就软，缺乏爆发力。

——先生，现在有一个好消息和一个坏消息。好消息是我们的驱逐舰装备了最先进的相控阵雷达和电磁炮！

——那坏消息呢？

——它们同一时间只能开一个。

——卫兵，把这个人拖出去！

那有没有可能，把所有的能量先全部转化为电能，再根据航行和战斗的需求进行统一调配，以便在有需要的时候拿出100%的能量用于打仗呢？当然是可以的。

这就需要把舰艇原本的系统改为类似增程式汽车的全电系统。

美国为了让他们的军舰增程起来，选择了舰用大功率中压交流电发电系统。这种方式的好处是可以大量使用成熟技术，同时也可以配合当时已经成熟的飞轮储能。

但是它也有一个致命缺点。对于电网有一定了解的朋友应该知道，对于一个交流电网，保持负荷稳定对于维持交流电的电压和频率至关重要。因为交流电网一旦输出功率突然增加，需要改变的不仅仅是电流，它的频率也会受到影响，一下波动太大就容易失去同步震荡，轻则子系统罢工，重则全军舰停电。

电负荷波动对频率的影响公式是负荷频率调节效应系数公式，即K=△P/△f1。

也就是说负荷变化越大，频率变化越大；负荷变化越小，频率变化越小。

而在现代的舰艇上面，这个用电负荷的波动是可以非常大的。以阿利伯克后期型号上面装备的SPY-1D宙斯盾雷达为例，根据我看到的一些资料，它的天线发射峰值功率4MW以上（能分配给这个雷达的全部总功率也就大概5MW），但是平均功率仅仅是58KW。也就是说一台雷达就能造成将近4MW的功率波动。

而刚才我们也说了，它整个船的发电功率也只有9MW。这样级别的波动显然是极为不稳的。

但是这个问题，属于娘胎里带出来的。所以我们就经常看到上一个时代设计的美西方大功率全电推进船舶经常在动力方面出现事故。英国的45型，美国的DDG1000都出现过全舰停电问题。福特级航母虽然这几年似乎全舰停电问题没怎么发生了，但是各种电磁弹射系统、供弹系统等等都还是有一堆电力传动和储能相关的毛病。

而马伟明院士则选择了一条不同的道路，那就是用直流电，采用所谓中压直流技术路线，绕开了交流电的天然劣势。

在院士的新作《电磁发射技术的研究现状与挑战》中，他提到“海军工程大学提出了基于尽应用思想的直流可控并联、多相混合多电平逆变、分布式切换供电的脉冲大功率电能变换系统方案......成功研制出数百MV·A 级电能变换系统，具有高功率密度、高可靠性的特点。”

这一些我们看不懂的名词，说明了一件事，那就是我们已经解决了相关电力供应的不稳定问题。并且在这基础上解决了困扰美国人的电磁弹射问题。核心就是输送电流的时候用的不是交流电而是直流电。直流电在负载发生变化的时候，主要就是电流的变化，而不会因为负载变化导致交流电频率变化。

而且更重要的是，马院士提到了，他们已经“解决了电磁弹射系统能量源共享、多具弹射器相互隔离和超大功率长初级直线电机供电的难题”。这是美国电磁弹射另外一个从娘胎里带出来的毛病了。

要知道将一架满载30吨的飞机加速到240km/h要0.67亿焦耳能量，而整个加速过程可能只有2-3秒，换算过来功率大约几十MW级别。而发动机能提供的加速度很有限。

这样大的功率输出，一条弹射器都快赶上福特级航母峰值输出功率的15%了。

因此对于电磁弹射来说，最难的点其实是储能。美国的飞轮储能和配套系统的体积过大，以至于四个电磁弹射器只能共用一套能量转换系统。一个弹射器检修，四个弹射器都不能用。

也难怪当年懂王说要让美国海军换回蒸汽弹射，并不是我川有那种复古的审美，而是这种一拖四的系统，靠谱程度怎么看都不像是军用的。

而我们由于点开了中压直流供电系统，很自然地就走了脉冲电容储能方向，由海军工程大学牵头的国家自然科学基金委重大计划《极端条件电磁能装备科学基础》专门设置了电容器储能电介质的研究内容，旨在将电容器的储能密度提升至4MJ/m^3，寿命达到 10000 次。

这相当于这个电容每一平方米的面积可以存储1.1度电，这样只需要一个十多平米以上的电容，就能满足一次弹射的需求。而且电容这种东西，小而轻，电可以在极短的时间里面释放出去以满足弹射需要。这不比飞轮那种动辄几十上百吨的东西好用多了。

另外根据马伟明院士的设想，未来除了类似航母上会采用电磁弹射，舰船上要用全电系统之外，他还在规划一种“超能舰”（也称“全能舰”）。通俗一点讲，这玩意什么东西都是用电磁的方法解决。

超能舰相比美军的DDG1000或者我军构想中全电推进主力舰艇，要更进一步，相当于现在的电车跟前几年那种油改电的车的区别。

首先，全部用电之后不需要再设置各种传动装置，整个舰艇的结构会变得非常简单，它会充分利用换成电动系统之后省出的空间，装备大量电磁轨道炮、电磁线圈炮、电磁火箭炮、激光炮、高功率微波等等新型电磁能武器。

更关键的是，它会给所有的传统武器系统加一个电磁的推进。飞机的电磁弹射那自不必说，发射导弹，第一级就改为电弹射了，省下来的载荷可以多装30%炸药，我用电给你弹出去，火炮，你也别用发射药了，多装点东西，我给你电弹射，如此一来，单艘舰船可以同时具备防空、反潜、反导和对海、对陆的精确打击能力。

有了基础技术的突破，我们国家似乎在电磁应用领域进入了一个“一法通，万法通”的时代，不局限于马院士的团队，全中国各家产品开始万物竞发了起来。

在之前的一期《军武零距离》里面，我国航天科工集团二院就展示了一款他们设计的电磁炮。他们采用电磁线圈炮原理，可以把灭火弹打到几公里外的着火点，对火源进行精确打击。

而就在9月7日，中国航天科工三院进行了一次高温超导磁悬浮航行试验。

在这个实验中，电磁发射器将载荷在380m的轨道上推进到了234km/h的速度，实现了实验圆满成功。

根据中国航天科工的描述，未来的我国商业航天电磁发射系统，将利用超高速超导悬浮与电磁推进技术在地面将商业航天火箭助推至超声速以上再点火起飞，可视为火箭的“零级助推器”，能够极大提高单次发射的载荷质量，缩短发射周期，加快发射频率，可重复使用。

实际上这种电磁发射的应用专利申请和我们不知道的测试，近几年随着关键技术的攻克多得数不胜数。比如知网上，我们就可以看到电磁发射火箭弹、火箭、无人机，甚至基于核电源的月球基地电磁发射装置都出来了。

啊，那种熟悉的境界，难道又回来了吗。

其中一个专利，“一种在临近空间电磁发射卫星的系统和方法”，这东西就很魔幻。它的核心就是用一个太阳能飞艇，把卫星带到30km的高空。然后利用自己的螺旋桨来稳定和调整方向。然后把10kg级别或者更小的卫星用电磁弹射的方式打到太空里面去。

这种方法优势是绝对省钱，毕竟不用火箭，能源是太阳光，还能重复使用无数次。缺点是这个专利只能发射10kg级别的纳卫星，而且可能发射的轨道范围受到限制。

但是在实际操作中，你可以在小卫星上加一个二级火箭入轨，而不是完全使用电磁加速，那就可以做到发射质量的大幅度提升，同时成本远低于多级火箭。

对于电磁能的综合利用这种前景广阔的领域，潜在的应用市场绝对不止上面这点东西。

在论文中马伟明院士就提到了，海军工程大学将电磁发射技术向民用轨道交通领域推广，拟在湖北东湖实验室建设一条长约1km的高速磁浮测试线，采用悬浮支撑和电磁推进的方式，将约1t重的试验车加速至峰值速度800km/h，并在有限距离内实现可靠制动。

当然除了这些尖端的应用之外，民用大型船舶似乎电动化趋势也在凸显。虽然不得不说由于民船现在耗电量和军船差距太大了，没有动辄单台功率达到几百KW乃至MW的电子设备和雷达的用电需求，但是国家现在有意，趁着环保的东风推进相关产业建设，希望借助这波产业革新的需求。在高端船舶方面争取后来居上，同时占领环保政治正确高地和产业先发优势的高地。

毕竟现在电驱动车我们是世界第一，电驱动船嘛，我们必然也将会是世界第一。

早在2018年1月，中国的第一艘2000吨级新能源电动散货船在广州试航成功，实现了真正意义上的全船零排放，该船成为世界上第一艘全部采用锂电池为船舶提供动力的内河千吨级货运船舶。

2020年5月8日，中国首艘千吨级纯电动货船“中天电运001”在江苏常州成功试航。“中天电运001”由锂电池与超级电容“双电”驱动，整船电池容量1458千瓦时。通过岸电充电2.5小时，可续航50千米。按全年运营150航次计算，年用电量在45万度左右，可替代燃油20.16吨。

2020年8月18日，国内首艘使用锂电池作为混合推进动力的海上公务船“深海01”下水。该船是作为海上危险品应急指挥船，由中国船舶集团708所设计，总长78米，船宽12.8米，型深5.5米，电力设计航速不小于18节，续航力1000海里。

在之后的9月1日，深圳市招商蛇口邮轮母港，中国首艘油电混合动力海上豪华双体游轮“大湾区一号”正式投入运营。

此后我们在相关领域的发展都没有停下脚步，并且正在向更大型的船舶方向发展和推进。

今年的6月12日，“电动湘江”208TEU集散两用纯电动船示范项目在湖南省湘潭市正式开工建造。这艘4200吨级纯电动运输货船由国家电投上海启源芯动力科技有限公司和马伟明院士团队开办的湖南湘电动力有限公司联合打造。这将是全国首艘最大的纯电动集散两用船，建成后，每条电动集装箱船全年可减少二氧化碳排放900吨。

而在之前的5月6日，由中国船舶集团武昌造船自主研发的长江万吨级纯电动绿色智能散货船获得中国船级社授予的AiP证书。该船将采用换电模式以确保长时间稳定工作，一次换电后预计可一次性航行200至300公里。

而船舶下一步发展目标那可就是双燃料电力推进LNG船了。

所谓LNG双燃料动力船舶就是指同时采用LNG天然气和柴油作为推进动力的新型船舶。根据一些船舶的公开资料，双燃料LNG电推进模式在75％功率、航速16公里每小时的条件下，，天然气替代率可达90％以上，颗粒排放物要比普通纯柴油船舶要减少80%，二氧化碳排放量减少28%左右，节能15%－20%的燃料费用。

而在这个基础上，加上电推进技术，就能确保双燃料系统更长地保持在最省燃料、效率最高的工作区间，这样可以进一步在双燃料系统基础之上更加节能环保。

8月7日凌晨4时，我国第一艘自主设计建造的电推进LNG加注船正式开始了试航。

随着双燃料电推进LNG加注船的成熟，未来基于全国产系统的双燃料电推进LNG运输船，这个以前被认为是工业皇冠上明珠之一的产品也必将被我们拿下。

电作为人类有史以来最重要的中间能源，正在人类的发展中扮演着越来越重要的角色。而马伟明院士，作为新时代的电磁真君，他的贡献不仅在于拓宽了中国电磁应用的领域，更是为革命性电磁应用发展创造了基础条件。

这种以马伟明院士为代表的中国电磁人，正在以润物细无声的方式改变着人类的发展方向。无论是电磁炮、电磁弹射器还是增程车、全电船，都是这种改变的外在表现。

而它的内核就是我国工业骨骼的塑造和人才队伍的培养，正在历史性地实现对于欧美理工科培养体系的超越。

现在，装有马伟明院士主导的电磁弹射器的“福建舰”即将进行海试，未来我们将会有更多场合说出那四个字：遥遥领先！

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参考资料：苹果发布会

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