美國(guó)全電力戰(zhàn)艦發(fā)展現(xiàn)狀及展望

歐陽(yáng)華，錢(qián) 美，夏 立

(海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引言

綜合電力系統(tǒng)(Integrated Power System，IPS)艦船，也稱為全電力戰(zhàn)艦(All Electric Warship，AEW)是海軍發(fā)展的新趨勢(shì)。傳統(tǒng)艦船的動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的，動(dòng)力系統(tǒng)通常由常規(guī)的熱機(jī)和其他機(jī)械裝置構(gòu)成，電力系統(tǒng)一般是作為輔助能源，與艦船推進(jìn)并沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。將電力系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合形成艦船電力推進(jìn)是最近幾十年發(fā)展的新技術(shù)。綜合電力系統(tǒng)是將艦船發(fā)供電與推進(jìn)用電、艦載設(shè)備用電集成在一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電、配電與電力推進(jìn)用電及其他設(shè)備用電統(tǒng)一調(diào)度和集中控制［1］。

綜合電力系統(tǒng)能給飛機(jī)電磁彈射器(EMALS)、電磁軌道炮(EMRG)等高等武器提供足夠的電力供應(yīng)，降低艦艇平臺(tái)全壽命周期費(fèi)用。隨之而來(lái)的，是對(duì)高電壓分布系統(tǒng)(AC或DC)、高密能量轉(zhuǎn)換模塊、高速高密能量生成模塊、能量存儲(chǔ)模塊的技術(shù)需求，以及在正確時(shí)間將可獲得的能量和功率分配給正確負(fù)載的監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)的需求。這也正是美國(guó)“海軍后下一代”全電力戰(zhàn)艦的目標(biāo)［2］。下面將介紹美國(guó)全電力戰(zhàn)艦發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，未來(lái)的發(fā)展方向和應(yīng)對(duì)于高能量和高功率的需求而面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 電力艦船的發(fā)展歷程

電力推進(jìn)作為船舶推進(jìn)方式之一，已經(jīng)有近百年歷史，經(jīng)歷了二戰(zhàn)前的新興期，二戰(zhàn)后到70年代末的蕭條期和80年代后的蓬勃發(fā)展期。二戰(zhàn)之前，電力推進(jìn)曾出現(xiàn)過(guò)一段流行期，多采用直流推進(jìn)技術(shù)，主要用于工程船舶及潛艇上［3－4］。運(yùn)煤船“朱比特”號(hào)(1913年)是電力推進(jìn)技術(shù)的第1個(gè)主要測(cè)試平臺(tái)。隨后作為技術(shù)示范，在第一艘航空母艦“蘭利”號(hào)(1922年)上使用了汽輪機(jī)，并采用電力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。在“朱比特”號(hào)退役2年后，使用汽輪機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來(lái)推進(jìn)4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的戰(zhàn)列艦“新墨西哥”號(hào)(1918年)下水。在當(dāng)時(shí)，電力驅(qū)動(dòng)比其他方式能提供更好的能源利用效率?！靶履鞲纭碧?hào)是美國(guó)海軍的第1艘全電力艦船，但它不是綜合電力驅(qū)動(dòng)。二戰(zhàn)后，由于遭到了重量限制的國(guó)際威脅，重量更輕的齒輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)模式是海軍設(shè)計(jì)新型戰(zhàn)斗艦的首選，電力推進(jìn)在整個(gè)船舶推進(jìn)領(lǐng)域中的發(fā)展受到限制。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率交流電機(jī)變頻技術(shù)日益成熟，電力推進(jìn)技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到旅游船、水面戰(zhàn)艦、各種工程船和油貨輪等，顯示出廣闊的市場(chǎng)前景。

2 全電力戰(zhàn)艦發(fā)展現(xiàn)狀

最近30年間，艦船功率需求已形成從推進(jìn)功率占主要地位，到高能武器和探測(cè)器變?yōu)榕炆献畲蟮墓β氏恼叩内厔?shì)，而且該上升趨勢(shì)有望繼續(xù)。美國(guó)海軍海上系統(tǒng)指揮部的預(yù)先發(fā)展水面機(jī)械計(jì)劃(ASMP)一直集中于發(fā)展艦船推進(jìn)、電力和控制系統(tǒng)，其目的是在滿足艦船各方面性能要求的同時(shí)，大大減少采購(gòu)費(fèi)用和全壽命周期費(fèi)用［5］。

作為技術(shù)投資的結(jié)果，美國(guó)海軍有3個(gè)全電力戰(zhàn)艦的試驗(yàn)平臺(tái):“馬丁島”號(hào)(LHD－8)兩棲攻擊艦(2006年)，“劉易斯和克拉克”號(hào)(T－AKE－1)系列航行補(bǔ)給艦(2006年)和“朱姆沃爾特”(DDG－1000)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦(2014年)，如圖1所示。

“馬丁島”號(hào)(LHD－8)是黃蜂級(jí)兩棲攻擊艦系列的最后一類，它和蒸汽推進(jìn)的“硫磺島”級(jí)(LHD－7)完全不同，“馬丁島”號(hào)以燃?xì)鉁u輪機(jī)(LM2500)作為主發(fā)電機(jī)，和日常用電柴油發(fā)電機(jī)組合，統(tǒng)一進(jìn)行電力分配。當(dāng)艦船以低于13 kn的速度行駛時(shí)，采用5 000馬力的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng);當(dāng)艦船以13 kn至全速行駛時(shí)，采用LM2500燃?xì)鉁u輪機(jī)作為電力汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用該混合電力驅(qū)動(dòng)方式后，全年可以節(jié)省200萬(wàn)美元，并可減少對(duì)中東石油的依賴性。T－AKE和DDG－1000都采用了全綜合電力系統(tǒng)，二者的不同之處在于:T－AKE是根據(jù)商業(yè)用途建造和組裝的，其全壽命周期費(fèi)用更低;DDG－1000則出于軍事目的建造，其全艦裝機(jī)容量高達(dá)78 MW，將于2014年下水。

圖1 當(dāng)前的綜合電力艦船F(xiàn)ig.1 Today's integrated electric ships

3 海軍下一代艦船開(kāi)發(fā)目標(biāo)和面臨的挑戰(zhàn)

雖然美海軍第一代電力驅(qū)動(dòng)和“綜合平臺(tái)”取得了一定成效，當(dāng)代海軍和下一代海軍仍面臨如下挑戰(zhàn)或者說(shuō)是機(jī)遇:① 減少對(duì)石油的依賴性;② 滿足功率增長(zhǎng)的需求;③理解并控制費(fèi)用。

美海軍助理海軍部長(zhǎng)(研究、開(kāi)發(fā)和收購(gòu))(ASN RD＆A)在2007年11月特批成立了電力艦船辦公室(Electric Ships Office，ESO)。ESO將和美國(guó)海軍研究局(ONR)共同投資下一代綜合電力系統(tǒng)(NGIPS)，并在ONR已開(kāi)發(fā)成熟的產(chǎn)品中注入先進(jìn)的技術(shù)，以迎接上述3個(gè)挑戰(zhàn)。下面結(jié)合ONR現(xiàn)有成熟產(chǎn)品和技術(shù)，簡(jiǎn)要介紹美海軍綜合電力技術(shù)的研究方向。

3.1 混合電力/機(jī)械驅(qū)動(dòng)

DDG－51戰(zhàn)艦編隊(duì)的推進(jìn)器由4個(gè)20 MW的LM2500燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(GTM)驅(qū)動(dòng)，在每個(gè)軸承各有2個(gè)GTM，并通過(guò)組合減速齒輪與螺旋推進(jìn)器軸承相連接。另有3個(gè)提供日常服務(wù)的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)(SSGTG)，每個(gè)3 MW，用以提供艦船的全部電氣負(fù)載用電。標(biāo)準(zhǔn)的操作流程是至少啟動(dòng)2個(gè)SSGTG，第3個(gè)SSGTG作為某一SSGTG維護(hù)或傷亡時(shí)備用。

提高推進(jìn)器和發(fā)電站效率的改進(jìn)方法是采用混合電力驅(qū)動(dòng)(Hybrid electro-mechanical drive，HED)。HED將電力機(jī)械綜合入推進(jìn)系統(tǒng):在推進(jìn)模式，電力機(jī)械既能作為推進(jìn)馬達(dá)(在低推進(jìn)速度)運(yùn)行，也能作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行(高速度);在發(fā)電機(jī)模式，馬達(dá)能將電力功率饋入配電系統(tǒng)，以便將能量提供給艦船推進(jìn)功率系統(tǒng)(PDSS)或位于其他螺旋軸上電力馬達(dá)。實(shí)現(xiàn)上述HED的概念可以有如下4種配置［6］:

1)基本混合電力驅(qū)動(dòng)(EPS);

2)帶有4 MW的SSGTG的升級(jí)基本HED(EPS);

3)帶有艦船推進(jìn)功率系統(tǒng)的EPS(EPS+PDSS);

4)電力推進(jìn)+PDSS+4 MW SSGTG。

在EPS模式中，HED提供2個(gè)螺旋軸承的推進(jìn)動(dòng)力，小型SSGTG供應(yīng)電力供應(yīng)，使得大容量的燃?xì)鉁u輪主引擎(GTM)能專注于推進(jìn)。EPS采納利用了HED的燃油經(jīng)濟(jì)性，并具備附加發(fā)電潛能，以便提供容量給未來(lái)的武器和傳感器。在PDSS結(jié)構(gòu)中，通過(guò)HED推進(jìn)系統(tǒng)向艦船日常用電系統(tǒng)提供電力。這種模式允許“單發(fā)電機(jī)工況”，這時(shí)僅僅1個(gè)SSGTG在工作，而不是2個(gè)。PDSS模式能使SSGTG充分加載，因此能顯著改進(jìn)引擎的燃油消耗。EPS和PDSS的組合改進(jìn)引擎的燃油消耗的效果更為明顯，省油率超過(guò)10%，并有進(jìn)一步提升的潛力。

3.2 帶能量存儲(chǔ)的單發(fā)電機(jī)工況

DDG－51戰(zhàn)艦編隊(duì)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電模式通常是至少運(yùn)行2臺(tái)SSGTG，減少了由于1臺(tái)GTG故障而導(dǎo)致日常供電失電的危險(xiǎn)。雖然該模式保證了電力供應(yīng)的穩(wěn)定性，但SSGTG偏離了設(shè)計(jì)的最佳工作點(diǎn)，犧牲了效率，并增加了每個(gè)SSGTG的工作時(shí)間。在單個(gè)發(fā)電機(jī)(SGO)負(fù)載低于50%的低強(qiáng)度工況下，燃?xì)鉁u輪每單個(gè)循環(huán)的特定燃油消耗量急劇增加，這給通過(guò)最小化引擎工作時(shí)間以改進(jìn)燃油消耗提供了潛在可能。計(jì)算得到，在DDG－51系列艦中SGO的使用將帶來(lái)大約7 600～8 500 bbl/ship/yr的潛在的燃油節(jié)約。

為了保證能給重要負(fù)載提供持續(xù)的電力，要求在持續(xù)的航行中電力供應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換不會(huì)造成電力供應(yīng)中斷。GTG的設(shè)計(jì)性能為在60 s內(nèi)從啟動(dòng)到滿載，這就需要能量存儲(chǔ)模塊(EMS)。EMS需要一定的尺寸以維持1 min內(nèi)關(guān)鍵艦船負(fù)載供電;同時(shí)也需要設(shè)計(jì)成高能量密度模塊，以便允許靈活地重復(fù)安裝或配置。不同負(fù)載的優(yōu)先等級(jí)不同，這種分等級(jí)為負(fù)載提供電力的控制策略屬于電力供應(yīng)質(zhì)量(QOS)的概念。

3.3 密集電能轉(zhuǎn)換

密集電能轉(zhuǎn)換技術(shù)使能容量(EC)工程是美國(guó)海軍研究局發(fā)起的關(guān)鍵開(kāi)發(fā)模塊和技術(shù)。EC技術(shù)與下一代綜合電力系統(tǒng)核心產(chǎn)品有關(guān)，這些類核心產(chǎn)品有:多功能電能轉(zhuǎn)換器、雙向電能控制模塊、電能管理控制器(高級(jí)能量管理)等。該項(xiàng)目預(yù)期在2012年完成，其產(chǎn)品成熟度預(yù)期能達(dá)到TRL6。

多功能電能轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)在于改進(jìn)與高能固態(tài)轉(zhuǎn)換設(shè)備相關(guān)的3項(xiàng)關(guān)鍵度量標(biāo)準(zhǔn)——能量密度、電能質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率。雙向電能控制模塊開(kāi)發(fā)致力于以上述3項(xiàng)關(guān)鍵度量標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在海軍分布式電力系統(tǒng)中添加提供雙向能量流的能力。雙向電能流被認(rèn)為是下一代電力系統(tǒng)的關(guān)鍵能力，能增加操作有效性、系統(tǒng)生存能力和動(dòng)態(tài)能量管理。能量管理將研究電能管理概念，使下一代電力系統(tǒng)與雙向能量流相適應(yīng)，并提供能量從源到多個(gè)高能負(fù)載運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定、快速方法。

3.4 近期先進(jìn)武器和傳感器

上述電力電子技術(shù)開(kāi)發(fā)的主要驅(qū)動(dòng)力是先進(jìn)武器和傳感器的引入。先進(jìn)武器和傳感器相關(guān)技術(shù)與電力技術(shù)本身共同革新，模糊了武器和電力系統(tǒng)的區(qū)別。電磁軌道炮和自由電子激光器早在10年前就已經(jīng)出現(xiàn)，其他合成高能的武器和傳感器系統(tǒng)，如激光武器系統(tǒng)(LaWS)、空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)(AMDA)是最近引入的。這些系統(tǒng)將汲取高達(dá)兆瓦級(jí)的功率，因此更需要綜合電力系統(tǒng)。LaWS是基于固態(tài)光纖技術(shù)的自防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2006年在Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和海軍水面作戰(zhàn)中心展示，2009年原理樣機(jī)通過(guò)測(cè)試，并正在從演示驗(yàn)證和原理樣機(jī)階段迅速向可配置能力轉(zhuǎn)化，預(yù)計(jì)2016年可以上戰(zhàn)場(chǎng)。

AMDA作為瞄準(zhǔn)未來(lái)海軍彈道導(dǎo)彈防御(BMD)能力的武器而開(kāi)發(fā)。其主動(dòng)定相陣列對(duì)雷達(dá)和艦船電力設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。首先，大量分布式固態(tài)放大器需要提供異常清潔的能源;其次，為了提供足夠的探測(cè)范圍，這些設(shè)備需要高功率供給。AMDA將在未來(lái)的DDG－51編隊(duì)服役，在正常工況下將汲取大約2.5 MW的功率，預(yù)期2010年能實(shí)現(xiàn)原型化。

4 海軍后下一代艦船開(kāi)發(fā)目標(biāo)和挑戰(zhàn)

海軍當(dāng)前和下一代艦船致力于減少對(duì)石油的依賴性、滿足更大的裝艦功率需求、理解并控制艦船費(fèi)用。不同于減少能源或運(yùn)行費(fèi)用，美海軍后下一代目標(biāo)在于達(dá)到上述目標(biāo)時(shí)所作的技術(shù)努力:給出創(chuàng)新海軍原型(INPs)，包括自由電子激光器(FEL)、電磁軌道炮(EMRG)和電力艦船;為了提升競(jìng)爭(zhēng)力、控制預(yù)算和技術(shù)更新而提供開(kāi)放商業(yè)結(jié)構(gòu)模型。

4.1 創(chuàng)新海軍原型

ONR認(rèn)為對(duì)提供高超音速、定向能量武器和高脈沖及持續(xù)服務(wù)雷達(dá)和傳感器的需求終有一天會(huì)得到理解，并一直致力于預(yù)先瞄準(zhǔn)新技術(shù)挑戰(zhàn)。ONR已經(jīng)對(duì)海軍后下一代FEL INP投資。在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，在FEL上艦之前，首先要克服一些障礙和挑戰(zhàn)。這些障礙和挑戰(zhàn)包括激光束的質(zhì)量、需要維持的極端真空和溫度參數(shù)、在艦船受海洋而產(chǎn)生的擺動(dòng)、傾斜、偏航等沖擊狀態(tài)確保平滑的、均衡的激光束的穩(wěn)定性和清晰度。海軍研究委員會(huì)(NCSB)贊成EMRG INP下一階段的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。EMRG的技術(shù)問(wèn)題包括脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)的電力供應(yīng)、軌道生命力和重復(fù)速率等。

4.2 開(kāi)放商業(yè)結(jié)構(gòu)模型

PC的USB接口就是開(kāi)放結(jié)構(gòu)(OA)。通過(guò)簡(jiǎn)化特定的輸入/輸出(I/O)參數(shù)和規(guī)范USB接口，所有的外圍設(shè)備可以被任意PC使用，只要該P(yáng)C有1個(gè)USB接口，并且該連接符合可與USB連接的指定的“接口”規(guī)范。美海軍也將采用該方法采購(gòu)電子組件和系統(tǒng)。電力艦船結(jié)構(gòu)由包括發(fā)電、配電、變電、存儲(chǔ)和負(fù)載在內(nèi)的幾個(gè)模塊組成。這些模塊兩兩之間存在接口。一旦接口的位置固定下來(lái)，接口的I/O規(guī)范也就能由海軍下發(fā)了。工業(yè)部門(mén)之間將產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，并因此增進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)、供應(yīng)能力和技術(shù)更新。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)艦船綜合電力系統(tǒng)的研究從“九五”預(yù)研開(kāi)始起步，并取得了一定的進(jìn)展，我海軍第一艘采用電力推進(jìn)的軍輔船已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)設(shè)計(jì)階段。但是綜合電力系統(tǒng)的研究和實(shí)施尚有很多困難，屬于多個(gè)學(xué)科綜合、交叉而形成的新研究領(lǐng)域，是新一輪艦船技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。我們應(yīng)借鑒國(guó)外研究方向，大力開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的研制工作和技術(shù)儲(chǔ)備，推進(jìn)我國(guó)艦船的發(fā)展。

［1］馬偉明.艦船動(dòng)力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14(6):1 －5.MA Wei-ming.Integrated power systems——trend of ship power development［J］.Journal of Naval University of Engineering，2002，14(6):1 －5.

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