1. 问题背景：福特号与F-35C的适配困境

福特级航母是美国海军最新的核动力航母，其标志性技术之一便是首次采用的电磁弹射系统（EMALS）。该系统旨在取代传统的蒸汽弹射器，提供更精准、更平滑的弹射曲线，并降低维护需求。然而，自服役以来，EMALS的可靠性问题一直备受关注。更为突出的是，尽管福特号已具备弹射F/A-18E/F超级大黄蜂、E-2D鹰眼预警机等现役舰载机的能力，但至今未有F-35C从该舰成功弹射的公开报道。

F-35C是美国海军未来的主力舰载战斗机，其设计着重于隐身和多功能性，但同时也带来了更大的起飞重量和更高的着舰速度。为确保安全离舰，F-35C在弹射起飞时所需的末端速度（约280 km/h）比F/A-18E/F（约250 km/h）高出约30 km/h 约等于10m/s。这一差异看似不大，却对弹射系统的性能提出了更高要求。

2. 核心论点：速度瓶颈源于硬件代差

普遍观点认为，EMALS无法弹射F-35C可能是功率不足。然而，如果仅是功率问题，可以通过减少飞机燃油和武器载荷来降低起飞重量，从而在现有功率下实现演示性弹射。但事实上，连这样的减载弹射试验都未曾公开，这表明问题可能不在于能量总量，而在于能量释放的速率和控制的精度。

​制约福特号EMALS弹射F-35C的关键因素，是其电磁弹射器直线电机的最大速度上限。而这一速度上限，根本上是由其功率半导体器件的开关频率和实时控制芯片的算力所决定的。 福特号EMALS的设计定型于21世纪初，其硬件选型反映了当时的技术水平。相比之下，中国福建舰的电磁弹射系统作为后发设计，有可能采用基于第三代宽禁带半导体的新一代电力电子系统，从而在开关频率和控制带宽上实现代际领先。

3. 福特号EMALS的“KHz基因”：硅基IGBT的技术局限

电磁弹射器的本质是一个大型直线电机，其弹射滑块的速度和推力由电磁场精确控制。这一控制过程依赖于功率逆变器将直流电转换为可控的交流电，以驱动直线电机。逆变器的核心是功率半导体开关器件（如IGBT、MOSFET）及其控制电路。

福特号EMALS立项于20世纪90年代末至21世纪初，当时大功率电力电子领域的主流是硅基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。IGBT是一种电压控制型器件，兼具MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降优点，但其开关频率存在固有上限。在工程实践中，为了平衡开关损耗和效率，IGBT的工作频率通常被限制在几千赫兹（KHz）到几十KHz之间。

这一“KHz级”的开关频率，构成了整个系统动态性能的“时钟心脏”：

磁场合成速度：直线电机中的行进磁场是通过多相绕组中电流的合成产生的。开关频率决定了电流（以及磁场）能够变化的最高速度。低开关频率意味着磁场更新慢，从而限制了电机所能达到的最高稳定运行速度。

控制响应带宽：整个弹射系统的控制环路（包括电流环、速度环和位置环）的响应速度受限于开关频率。根据香农采样定理，控制系统的有效带宽通常远低于开关频率。因此，低开关频率必然导致慢速的控制响应，难以跟踪高动态的指令。

因此，福特号EMALS很可能存在一个由硬件决定的“速度墙”。当弹射F-35C需要更高的末速时，系统可能因为开关频率不足，无法在高速度域维持稳定、强劲的电磁推力，或者因为控制响应慢而导致弹射曲线失控。

福建舰电磁弹射的“MHz/GHz潜力”：第三代半导体的代际优势

以碳化硅（SiC） 和氮化镓（GaN） 为代表的第三代宽禁带半导体材料，具有高击穿电场、高饱和电子漂移速度和高热导率等优异特性。基于这些材料制造的功率器件（如SiC MOSFET和GaN HEMT）能够工作在远比硅基器件高得多的开关频率下，同时保持较低的开关损耗。

SiC MOSFET：实际应用开关频率可达数百KHz至数MHz，是硅基IGBT的十倍甚至数十倍。

GaN HEMT：开关频率更可轻松踏入MHz乃至GHz领域，实现百倍至千倍的提升。

对于电磁弹射系统而言，这种开关频率的代际提升意味着：

更高的控制带宽和精度：控制系统可以以更高的频率更新输出，实现对直线电机推力更精细、更快速的调节。这不仅能满足F-35C对高动态弹射曲线的需求，还能降低弹射过载，提高飞行员舒适度和机体寿命。

更高的功率密度和效率：高频开关允许使用更小、更轻的无源元件（如电容和电感），从而减小系统体积和重量。同时，开关损耗的降低意味着更高的系统效率和更小的热管理压力，这直接提升了连续弹射能力和可靠性。

更高的极限速度潜力：更高的开关频率意味着直线电机的电磁场可以以更快的速度变化，从而在原理上支持电机达到更高的运行速度。这为弹射未来更重、更快的舰载机提供了可能。