正負(fù)電極間孕育的海戰(zhàn)革命

楊王詩(shī)劍

2017年7月30日，八一大樓，中國(guó)工程院院士、海軍工程大學(xué)教授馬偉明從中央軍委主席習(xí)近平手中接過(guò)了代表著軍隊(duì)最高榮譽(yù)之一的“八一勛章”。耀眼奪目的獎(jiǎng)?wù)鲁浞挚隙诉@位海軍專業(yè)技術(shù)少將在艦船發(fā)供電領(lǐng)域中取得的輝煌成就，而其中最廣為人知也是最引人注目的，當(dāng)屬艦艇綜合電力推進(jìn)技術(shù)。正是這項(xiàng)重大突破，一舉實(shí)現(xiàn)了中國(guó)海軍作戰(zhàn)艦艇動(dòng)力系統(tǒng)從落后到領(lǐng)先的巨大跨越。作為艦船動(dòng)力新的技術(shù)高峰，綜合電力推進(jìn)技術(shù)正在迎來(lái)前所未有的變革。

理論很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感

艦船電力推進(jìn)技術(shù)是相對(duì)于艦船機(jī)械推進(jìn)技術(shù)而言的。艦船機(jī)械式推進(jìn)是指原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)等）通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)將輸出的高速動(dòng)力降速后，驅(qū)動(dòng)螺旋槳以低速旋轉(zhuǎn)推進(jìn)艦船運(yùn)動(dòng)。而電力推進(jìn)技術(shù)，是指由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，再由推進(jìn)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)艦船機(jī)動(dòng)。不難發(fā)現(xiàn)，兩種推進(jìn)方式在機(jī)理上存在根本區(qū)別，機(jī)械傳動(dòng)裝置是將燃料燃燒的熱能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)螺旋槳運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，而電力傳動(dòng)裝置則是“熱能-機(jī)械能-電能-機(jī)械能”的能量轉(zhuǎn)化路徑。理論上，電力推進(jìn)比機(jī)械推進(jìn)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

一是有利于艦艇總體布局設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)裝置的軸系長(zhǎng)度往往占到艦艇全長(zhǎng)的40%左右，導(dǎo)致艦艇的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度在很大程度上取決于推進(jìn)裝置軸系的布置，并且主機(jī)必須安裝在傳動(dòng)軸附近，這些就使得艦艇總體設(shè)計(jì)的優(yōu)化受到一定的限制。采用電力推進(jìn)后，推進(jìn)裝置的能量就不需要靠動(dòng)力軸來(lái)傳遞，原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)電機(jī)可以相對(duì)獨(dú)立布置，使得總體設(shè)計(jì)自由度大大增加。

二是有利于提高艦艇生存能力。電力推進(jìn)不需要減速齒輪箱，而后者正是艦艇主要噪聲來(lái)源，同時(shí)有效避免了機(jī)械部件的振動(dòng)、磨損等問(wèn)題，能夠提高艦艇主體結(jié)構(gòu)的壽命、降低維護(hù)難度。

采用了電力推進(jìn)系統(tǒng)的美國(guó)“田納西”級(jí)戰(zhàn)列艦。20世紀(jì)初，艦船電力推進(jìn)技術(shù)的大發(fā)展有很大的偶然性，但實(shí)實(shí)在在地促進(jìn)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展

三是有利于提升艦艇操縱性。采用電力推進(jìn)系統(tǒng)后，操縱控制從機(jī)械式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮涌刂?，啟?dòng)加速性好，制動(dòng)快，正反車速度切換快，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速易于調(diào)節(jié)，在正反轉(zhuǎn)各種轉(zhuǎn)速下都能提供恒定轉(zhuǎn)矩，能得到最佳的工作特性，使船舶取得優(yōu)良的操縱性。

不過(guò)，上述優(yōu)勢(shì)的確也只是從理論上而言。從構(gòu)造上來(lái)看，電力推進(jìn)和機(jī)械推進(jìn)裝置區(qū)別在于，機(jī)械傳動(dòng)裝置有一個(gè)大型變速裝置和主軸系統(tǒng)，電力推進(jìn)裝置則有1個(gè)發(fā)電機(jī)、1個(gè)電動(dòng)機(jī)以及相對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)較小的變速裝置、較短的主軸。由于增加了發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩大砣“死重”，同時(shí)不能徹底取消變速箱，電力推進(jìn)要實(shí)用化甚至取代機(jī)械推進(jìn)，就必須研制體積小、重量輕、輸出功率高、能量轉(zhuǎn)換效率高的新型電機(jī)，將額外增加的體積和重量減小到現(xiàn)代艦艇可以承受的范圍內(nèi)。因此，電力推進(jìn)技術(shù)出現(xiàn)后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，一直處于實(shí)用性不強(qiáng)的狀態(tài)。

一句話：理論很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。

短暫并非都是美好的

早在1886年，英國(guó)就建造了1艘電動(dòng)小艇“伏特”號(hào)，并獨(dú)立完成了橫渡英吉利海峽的壯舉，可稱得上是電力推進(jìn)水面艦艇的始祖。1888年，法國(guó)建造了“吉姆諾特”號(hào)潛艇。兩者均采用“蓄電池-電動(dòng)機(jī)”結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)，類似于當(dāng)下火熱的電動(dòng)汽車。

大多數(shù)國(guó)家的海軍對(duì)電力推進(jìn)技術(shù)也不陌生。由于工況所限，常規(guī)動(dòng)力潛艇很早就采用“柴油機(jī)-蓄電池-電動(dòng)機(jī)”結(jié)構(gòu)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，由柴油機(jī)給蓄電池充電，蓄電池帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)潛艇。但蓄電池的功率密度有限，這一構(gòu)造的動(dòng)力系統(tǒng)無(wú)法在噸位較大的水面艦艇上使用。

直到20世紀(jì)初，實(shí)用的水面艦艇電力推進(jìn)技術(shù)迎來(lái)了第一次大的發(fā)展機(jī)遇期。從民用的客輪、貨輪、油輪到軍用艦艇，世界各國(guó)建造了大量電力推進(jìn)艦船，大名鼎鼎的美國(guó)海軍“列克星敦”級(jí)航母和“田納西”級(jí)戰(zhàn)列艦就在此列。

從技術(shù)水平上看，這一時(shí)期的電力推進(jìn)艦船普遍采用“蒸汽輪機(jī)-電動(dòng)機(jī)”作為動(dòng)力系統(tǒng)，即利用蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，向推進(jìn)用同步電機(jī)供電，再驅(qū)動(dòng)螺旋槳。以“列克星敦”級(jí)航母為例，其采用16座巴布科克·威爾考克斯公司的重油鍋爐，4臺(tái)通用公司的蒸汽輪機(jī)-電動(dòng)機(jī)，主機(jī)輸出功率180 000馬力。相對(duì)于“伏特”號(hào)和“吉姆諾特”號(hào)，這一時(shí)期的電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)具備了較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，并且經(jīng)受住了實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。

不過(guò)，受技術(shù)條件限制，早期的電力推進(jìn)系統(tǒng)體積都非常龐大，傳動(dòng)效率也不高，不僅浪費(fèi)了不少有效噸位，而且存在維護(hù)保養(yǎng)難度較大的問(wèn)題。其能夠迎來(lái)一次大的發(fā)展期，很大程度上是因?yàn)檫M(jìn)入20世紀(jì)特別是一戰(zhàn)爆發(fā)后，戰(zhàn)場(chǎng)逐漸向海洋拓展，作戰(zhàn)艦艇呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢(shì)，滿載排水量2萬(wàn)～3萬(wàn)噸、全長(zhǎng)超過(guò)200米的大型戰(zhàn)艦紛紛出現(xiàn)，但傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)技術(shù)卻無(wú)法滿足這一迅速變化的需求，不僅超大型、高精度齒輪的加工難度導(dǎo)致傳動(dòng)功率數(shù)萬(wàn)馬力的變速箱難以制造，而且制造長(zhǎng)達(dá)近百米的傳動(dòng)軸也很不容易。在這樣的背景下，“落魄已久”的電力推進(jìn)技術(shù)得以被重新啟用。

隨著精密加工技術(shù)的發(fā)展，大型戰(zhàn)艦配用的機(jī)械傳動(dòng)裝置逐漸成熟，其相對(duì)緊湊的體積和較高的傳動(dòng)效率較同時(shí)期的電力推進(jìn)裝置具有明顯優(yōu)勢(shì)，大型艦船又重新回到了采用傳統(tǒng)軸系的直接推進(jìn)技術(shù)，電力推進(jìn)技術(shù)的黃金時(shí)期也隨之結(jié)束。直到現(xiàn)在，機(jī)械傳動(dòng)裝置依然是水面作戰(zhàn)艦艇的主流動(dòng)力方案。

“公爵”重開(kāi)大門

盡管電力推進(jìn)技術(shù)暫時(shí)退出了作戰(zhàn)艦艇領(lǐng)域，但其較機(jī)械推進(jìn)技術(shù)的天生優(yōu)勢(shì)使其始終存在著“重生”的可能，這種可能在20世紀(jì)70年代開(kāi)始逐漸顯現(xiàn)。隨著自動(dòng)化和電子技術(shù)、可控硅整流技術(shù)以及稀土材料在電機(jī)中的廣泛應(yīng)用，電力部件向大功率方向飛速發(fā)展，功率-體積比不斷提高。80年代以后，實(shí)用化的永磁電機(jī)大幅壓縮了艦艇電力推進(jìn)裝置的體積和重量，加上大功率、低油耗的新型燃?xì)廨啓C(jī)面世，為電力推進(jìn)技術(shù)的回歸提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和背景。在艦船建造上功底深厚的英國(guó)人再次“第一個(gè)吃螃蟹”。

20世紀(jì)70年代起，英國(guó)皇家海軍開(kāi)始規(guī)劃新一級(jí)23型護(hù)衛(wèi)艦（“公爵”級(jí)）。其主要任務(wù)是獵殺闖入巴倫支海的蘇聯(lián)潛艇，因此，核心指標(biāo)之一是擁有較低的聲噪。為此，英國(guó)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了復(fù)合柴電與燃?xì)廨啓C(jī)（Combined Diesel Electric And Gas Turbine，CODLAG）動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩套不同的推進(jìn)裝置并行組成，在高速航行時(shí)，以燃?xì)廨啓C(jī)作為原動(dòng)機(jī)，采用機(jī)械推進(jìn)方式;在執(zhí)行反潛任務(wù)時(shí)，則以柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，采取電力推進(jìn)方式，從而達(dá)到最佳靜音效果。采用同樣設(shè)計(jì)的還有美國(guó)海軍“黃蜂”級(jí)兩棲攻擊艦“馬金島”號(hào)（LHD-8）和德國(guó)F-125型護(hù)衛(wèi)艦。

英國(guó)皇家海軍23型護(hù)衛(wèi)艦帶動(dòng)了大中型水面主戰(zhàn)艦艇重啟電力推進(jìn)技術(shù)，其采用復(fù)合柴電與燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，形成了機(jī)械與電力推進(jìn)相結(jié)合的混合推進(jìn)方式

需要指出的是，23型護(hù)衛(wèi)艦采用的電力推進(jìn)裝置都不是“列克星敦”級(jí)航母的復(fù)制。從驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸馬力來(lái)看，兩者基本相近，但前者只有“列克星敦”級(jí)航母10%的排水量，并且也沒(méi)有撤除機(jī)械推進(jìn)裝置，可見(jiàn)當(dāng)時(shí)的電力推進(jìn)裝置的體積重量已經(jīng)完全在水面艦艇可承受范圍內(nèi)，“公爵”重新打開(kāi)了主戰(zhàn)艦艇電力推進(jìn)技術(shù)的大門。

還是英國(guó)人

雖然23型護(hù)衛(wèi)艦開(kāi)創(chuàng)了水面作戰(zhàn)艦艇電力推進(jìn)系統(tǒng)的新篇章，但不容忽視的是，23型護(hù)衛(wèi)艦為了兼顧機(jī)動(dòng)和反潛性能所設(shè)置的兩套動(dòng)力系統(tǒng)給艦艇設(shè)計(jì)帶來(lái)了較大難度，無(wú)形中增加了成本，況且其本質(zhì)上還是機(jī)械推進(jìn)，只是加了個(gè)電推的“小補(bǔ)丁”，并沒(méi)有充分發(fā)揮電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，艦載武器、電子設(shè)備的快速發(fā)展對(duì)電力需求急劇上升，傳統(tǒng)的供電設(shè)備越來(lái)越難以滿足新型戰(zhàn)艦的設(shè)計(jì)要求。美國(guó)海軍研制“宙斯盾”系統(tǒng)時(shí)，第一代原型機(jī)就因?yàn)楹碾娞?，超出了?dāng)時(shí)海軍現(xiàn)役艦艇的發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量，而宣告破產(chǎn)。于是，美英等國(guó)開(kāi)始研究更加全面、更加徹底的全電推進(jìn)系統(tǒng)。

英國(guó)皇家海軍45型驅(qū)逐艦拉開(kāi)了大型水面戰(zhàn)艦全電化的大幕

美國(guó)海軍于1986年提出“海上革命”計(jì)劃，其主要內(nèi)容就是將綜合電力推進(jìn)列為新一代艦船的推進(jìn)方式。1988年又啟動(dòng)了綜合電力推動(dòng)項(xiàng)目，意圖通過(guò)將艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)和日用電力系統(tǒng)進(jìn)行合并來(lái)提高作戰(zhàn)艦艇的性能。2002年，美國(guó)海軍提出了“電力海上力量之路”計(jì)劃，首先在綜合全電力推進(jìn)的基礎(chǔ)上，使用更先進(jìn)的原動(dòng)機(jī)和輔助機(jī)械實(shí)現(xiàn)廣泛電氣化，應(yīng)用綜合電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“電力艦”。然后在“電力艦”的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“電力戰(zhàn)艦”?！半娏?zhàn)艦”是應(yīng)用高能武器和先進(jìn)探測(cè)設(shè)備的作戰(zhàn)艦艇，并最終以整合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，IPS）的形式體現(xiàn)在最新一級(jí)驅(qū)逐艦“朱姆沃爾特”級(jí)首艦“朱姆沃爾特”號(hào)上（DDG-1000）。幾乎在同一時(shí)期，英國(guó)皇家海軍也在進(jìn)行艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)叫做整合式全電力推進(jìn)系統(tǒng)（Integrated Full Electric Propulsion，IFEP），并且較美國(guó)兄弟似乎走得更遠(yuǎn)，其“海神之子”級(jí)船塢登陸艦成為世界上首款采用全電推進(jìn)的大型水面戰(zhàn)艦，45型驅(qū)逐艦則成為全電推進(jìn)系統(tǒng)主戰(zhàn)艦艇的開(kāi)山之作，而“伊麗莎白女王”號(hào)航母更是取代DDG-1000登上世界上最大全電推進(jìn)水面戰(zhàn)艦的寶座。此外，法國(guó)海軍“西北風(fēng)”級(jí)兩棲攻擊艦也采用了與英國(guó)皇家海軍相同的整合式全電力推進(jìn)系統(tǒng)。

總的來(lái)看，無(wú)論是IPS還是IFEP，它們與23型護(hù)衛(wèi)艦及此前艦艇所采用的電力推進(jìn)系統(tǒng)的最大區(qū)別在于應(yīng)用了一套艦船綜合電力系統(tǒng)，是全電推進(jìn)技術(shù)的核心支撐。那么，何謂綜合電力系統(tǒng)？

關(guān)于艦船動(dòng)力變革的全新命題

眾所周知，無(wú)論是采用機(jī)械推進(jìn)還是機(jī)械電力混合推進(jìn)，亦或是早期的電力推進(jìn)艦艇，動(dòng)力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)都相對(duì)獨(dú)立，原動(dòng)機(jī)輸出功率分別供給上述兩個(gè)分系統(tǒng)使用。而綜合電力推進(jìn)的基本理念則是將動(dòng)力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)整合起來(lái)，由一套發(fā)電機(jī)組和電力管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源的生成配給。即原動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率全部用于帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，再根據(jù)艦船機(jī)動(dòng)和艦載武器、電子系統(tǒng)的使用需求，由綜合電力控制系統(tǒng)統(tǒng)一分配。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將電力推進(jìn)系統(tǒng)和日用電力系統(tǒng)合為一體。

全電推進(jìn)不僅擁有電力推進(jìn)技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：一是能夠大幅提升艦艇供配電效率。綜合電力系統(tǒng)可根據(jù)用電需求決定發(fā)電原動(dòng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)量和類型，保證原動(dòng)機(jī)始終處于最佳負(fù)荷狀態(tài)，提高機(jī)組的工作效率。美國(guó)海軍“伯克”級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦就深受低速巡航狀態(tài)燃油效率不高的困擾，因此決定在Flight Ⅲ型上采用全電推進(jìn)技術(shù)。同時(shí)綜合電力系統(tǒng)還能提高電網(wǎng)總?cè)萘浚_分配電能，保證能量利用效率的最大化。一句話，把電用在該用的地方。二是能夠大幅降低艦艇成本。采用綜合電力系統(tǒng)后，不用再配置額外的日常用電發(fā)電機(jī)組，可以大大減少艦上原動(dòng)機(jī)配置數(shù)量，便于實(shí)現(xiàn)艦艇設(shè)備系統(tǒng)的模塊化和不同艦種之間設(shè)備系統(tǒng)的通用化，從而大幅降低艦艇的研制運(yùn)行成本。三是能夠大幅拓展艦艇潛力。綜合電力系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電力的優(yōu)化調(diào)配，可以滿足艦載雷達(dá)、電子設(shè)備和艦載武器日益增長(zhǎng)的電能需求，即使是面對(duì)電磁炮、大功率激光武器等高能武器，也能提供足夠的能量，從而支撐艦艇作戰(zhàn)性能的全面提升。

從某種意義上來(lái)講，全電推進(jìn)已經(jīng)超出了艦艇推進(jìn)技術(shù)的概念范疇，它是艦艇動(dòng)力平臺(tái)的整體變革，是從“電”的角度對(duì)艦艇能源進(jìn)行重塑。有專家稱，全電推進(jìn)技術(shù)是繼風(fēng)力、蒸汽機(jī)、核能之后的第四次艦船動(dòng)力革命。鑒于美好的應(yīng)用前景，世界各國(guó)開(kāi)始謀求在本國(guó)海軍最新艦艇上撤掉笨重的機(jī)械軸承，換上輕巧便利的電纜，全電推進(jìn)技術(shù)也成為世界各國(guó)海軍競(jìng)相研究的全新命題。

此“高大上”非彼“高大上”

當(dāng)然，像綜合電力系統(tǒng)這種劃時(shí)代的“高大上”技術(shù)，其發(fā)展過(guò)程必定不是一蹴而就。就目前應(yīng)用的綜合電力系統(tǒng)而言，雖然構(gòu)造機(jī)理都相似，但在技術(shù)難度和水平上存在一定差異，主要體現(xiàn)在推進(jìn)用電動(dòng)機(jī)的功率上。

早期的全電推進(jìn)系統(tǒng)采用的主發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)是柴油機(jī)，主要用于軍輔船。原因在于，軍輔船與戰(zhàn)斗艦艇不同，要求的航速比較低，最高航速都在20節(jié)上下，因此，對(duì)推進(jìn)電機(jī)的功率要求也比較小，從而輸配電系統(tǒng)就可采用低壓輸配電，綜合電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)就相對(duì)容易。如“海神之子”級(jí)船塢登陸艦，采用2臺(tái)柴油機(jī)作為主原動(dòng)機(jī)，2臺(tái)電動(dòng)推進(jìn)器（單臺(tái)功率6.25MW，共約17 000馬力），最高航速18節(jié)?！拔鞅憋L(fēng)”級(jí)兩棲攻擊艦采用3組主柴油發(fā)電機(jī)組作為主原動(dòng)機(jī)，推進(jìn)器采用兩臺(tái)可轉(zhuǎn)式囊莢電動(dòng)推進(jìn)器（單臺(tái)功率7.5MW，共約20 400馬力），最大航速19～20節(jié)。

而大中型水面主戰(zhàn)艦艇至少需要具有30節(jié)左右或以上的高航速，此外，為確保性能指標(biāo)還要裝備種類繁多的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，甚至還有電磁炮等高能武器系統(tǒng)，這些都決定了其綜合電力系統(tǒng)的功率需求遠(yuǎn)高于軍輔船。因此，就出現(xiàn)了以燃?xì)廨啓C(jī)為主發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的綜合電力系統(tǒng)。例如45型驅(qū)逐艦采用了2臺(tái)WR-21燃?xì)廨啓C(jī)（單臺(tái)功率25MW）作為主原動(dòng)機(jī)，2臺(tái)20MW級(jí)（27 000馬力）的推進(jìn)用電動(dòng)機(jī)?！耙聋惿着酢碧?hào)航母和DDG-1000則采用了2臺(tái)MT-30燃?xì)廨啓C(jī)（單臺(tái)功率36.5MW）作為主原動(dòng)機(jī)，前者裝備了4具先進(jìn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（單機(jī)功率20MW），后者采用2臺(tái)先進(jìn)感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)，每臺(tái)功率34.6MW。

燃?xì)廨啓C(jī)為主發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的水面作戰(zhàn)艦艇綜合電力系統(tǒng)的整體功率要遠(yuǎn)高于柴油機(jī)為主發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)的軍輔船綜合電力系統(tǒng)，同時(shí)還要保證良好的適裝度和燃油效率。因此，“大功率”“高效率”“小型化”“低成本”就成為了發(fā)展綜合電力系統(tǒng)的關(guān)鍵詞。

6道難關(guān)

目前來(lái)看，在水面戰(zhàn)艦上廣泛應(yīng)用的綜合電力系統(tǒng)主要由5個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是發(fā)供電系統(tǒng)、輸配電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和電力管理系統(tǒng)。要完美融合并順利上艦，必須邁過(guò)6道難關(guān)：大功率高效原動(dòng)機(jī)、大功率保護(hù)電器、大功率儲(chǔ)能變換技術(shù)、大功率低成本電力推進(jìn)裝置、變頻調(diào)速技術(shù)和電力模塊集成技術(shù)。

吊艙式電力推進(jìn)裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥吹?，吊艙式推進(jìn)裝置能夠通過(guò)自身轉(zhuǎn)向舵控制螺旋槳全向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)任意方向的機(jī)動(dòng)與制動(dòng)，是未來(lái)電力推進(jìn)發(fā)展的重要方向之一

大功率高效原動(dòng)機(jī) 對(duì)于艦艇而言，一切戰(zhàn)技指標(biāo)的根本都在于一款優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)，綜合電力系統(tǒng)也不例外。發(fā)供電系統(tǒng)若沒(méi)有充足可靠的動(dòng)力源，優(yōu)化電能管理也只是一句空談?？紤]到技術(shù)和成本因素，目前比較成熟的原動(dòng)機(jī)有以下3類。

采用中間冷卻-加熱循環(huán)技術(shù)的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)。該型燃?xì)廨啓C(jī)在熱交換器中合并了增壓中間冷卻器和回流換熱器（ICR），可以充分利用廢氣中的殘余熱量以增加燃燒效率，有效地減低了燃料消耗，從而兼具燃?xì)廨啓C(jī)的加速性和柴油機(jī)的低油耗性。不過(guò)，目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的只有羅羅公司的WR-21，其最大功率時(shí)的燃油耗油率僅為184g/KW·h，這樣的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)足以與大功率低速船用柴油機(jī)相媲美，非常適合于大中型水面艦艇的綜合電力系統(tǒng)。

先進(jìn)循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)。這種脫胎于成熟航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已較為成熟，與中間冷卻-加熱循環(huán)技術(shù)的先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)相比，該型燃?xì)廨啓C(jī)的功率更大、體積更大、油耗更大，當(dāng)然價(jià)格也更高，主要用于大型水面艦艇。目前比較成熟的船用先進(jìn)循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)有羅羅公司的MT-30、烏克蘭曙光機(jī)器科研生產(chǎn)聯(lián)合體的UGT-25000、美國(guó)通用電氣的LM-6000PC等。以MT-30為例，其衍生自羅羅公司的經(jīng)典航發(fā)“特倫特”800系列，重26噸，在常規(guī)狀態(tài)下最大輸出功率為36MW，緊急情況下最大輸出功率為44MW，巡航時(shí)則可以輸出25MW的持續(xù)低油耗功率。據(jù)介紹，MT-30的熱效率達(dá)到了42%，在最大持續(xù)功率時(shí)的油耗只有207g/KW·h，已經(jīng)可與當(dāng)今主流的艦用高速巡航柴油機(jī)相媲美。

中/高速柴油機(jī)。典型的有德國(guó)MTU公司的2000、4000以及8000系列柴油機(jī)，其中8000系列最大輸出功率達(dá)9MW。與現(xiàn)有單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)相比，這類柴油機(jī)依靠相對(duì)成熟的技術(shù)和低廉的價(jià)格，更為重要的是比較理想的燃油效率，加上微處理器控制和燃油直噴等技術(shù)帶來(lái)的一系列改進(jìn)，可視為建造全電推進(jìn)水面作戰(zhàn)艦艇的動(dòng)力方案之一。但與上述兩類燃?xì)廨啓C(jī)相比，功率相差較大。

大功率保護(hù)電器 輸配電系統(tǒng)是綜合電力系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，承載的功率非常大，必須采用中、高壓輸配電。45型驅(qū)逐艦的主配電盤電壓為中壓4 160V，DDG-1000的主配電盤電壓為高壓13 800V。而輸配電電壓越高，保護(hù)電器就越難分?jǐn)?。因此，大功率保護(hù)電器是確保輸配電穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵一環(huán)。目前來(lái)看，真空斷路器是保護(hù)電器的主要發(fā)展方向之一，已經(jīng)投入使用的真空斷路器容量在7 200～10 000V、630～3 150A等級(jí)，其額定分?jǐn)嗄芰σ话隳茏龅?0 000～50 000A，完全能夠滿足大中型艦艇綜合電力系統(tǒng)的需要。

大功率儲(chǔ)能變換技術(shù) 一艘采用綜合電力系統(tǒng)的戰(zhàn)艦上，既有相控陣?yán)走_(dá)、大型指揮自動(dòng)化系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)等“電老虎”，也有照明燈之類的小型用電設(shè)備，如何將這些大功率設(shè)備和小功率設(shè)備匹配組網(wǎng)？就需要出色的變配電系統(tǒng)?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，綜合電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)脈沖周期內(nèi)電壓從百萬(wàn)伏級(jí)別瞬間降到幾伏，或者在數(shù)個(gè)脈沖周期內(nèi)要維持幾萬(wàn)伏電壓不變化都是可能發(fā)生的情況，這就要求變配電系統(tǒng)具備大功率儲(chǔ)能變換技術(shù)，核心組件就是具備高功率密度的轉(zhuǎn)換電容。

大功率低成本電力推進(jìn)裝置 早期的電力推進(jìn)技術(shù)一直無(wú)法實(shí)用，很大程度上源于推進(jìn)裝置的功率不夠或體積太大，故而，提高功率體積比一直是推進(jìn)電機(jī)的發(fā)展重點(diǎn)。而常規(guī)推進(jìn)電機(jī)由于體積、重量非常龐大，根本無(wú)法上艦。只有通過(guò)研制基于新技術(shù)新原理的大功率低成本推進(jìn)電機(jī)，才能真正實(shí)現(xiàn)綜合電力系統(tǒng)。

目前普遍使用的是先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)，但其功率密度不足以支撐大型戰(zhàn)艦，因此，45型驅(qū)逐艦、DDG-1000和“伊麗莎白女王”號(hào)均是采用串聯(lián)多個(gè)感應(yīng)電機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)足夠的功率。世界各國(guó)還在大力研究超導(dǎo)勵(lì)磁的直流電機(jī)、超導(dǎo)單極電機(jī)、高磁通常規(guī)勵(lì)磁的單極電機(jī)、永磁推進(jìn)電機(jī)等。其中，永磁電機(jī)的實(shí)用可能最大。如羅羅公司就正在進(jìn)行20MW級(jí)的橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)研究，但目前只有2MW級(jí)的驗(yàn)證模型問(wèn)世，離實(shí)用尚有一段時(shí)間。從功率體積比來(lái)講，3類電機(jī)的排序大致是超導(dǎo)電機(jī)>永磁電機(jī)>先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)。事實(shí)上，美海軍在研制DDG-1000時(shí)主要瞄準(zhǔn)的是永磁電機(jī)，但一些關(guān)鍵技術(shù)至今仍未克服。當(dāng)然，性能極佳的超導(dǎo)電機(jī)仍是未來(lái)全電推進(jìn)裝置的發(fā)展方向。

變頻調(diào)速技術(shù) 從電力角度來(lái)看，推進(jìn)電機(jī)分為直流推進(jìn)電機(jī)和交流推進(jìn)電機(jī)。前者轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍寬廣和平滑，過(guò)載啟動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、逆轉(zhuǎn)運(yùn)行性能好，在電力推進(jìn)系統(tǒng)中長(zhǎng)期占統(tǒng)治地位，20世紀(jì)初的電力推進(jìn)技術(shù)基本都采用該型電機(jī)。而后者的輸出功率及轉(zhuǎn)速極限值比前者大得多，并且結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低、體積更小、可靠性更好，更符合大型戰(zhàn)艦電力推進(jìn)系統(tǒng)的需求。因此，交流推進(jìn)電機(jī)漸漸占據(jù)了水面艦艇電力推進(jìn)系統(tǒng)的主導(dǎo)地位。

交流推進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于船舶推進(jìn)，關(guān)鍵是要解決調(diào)速控制問(wèn)題。常用的交流電機(jī)調(diào)速方式有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、變頻調(diào)速。變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速在大功率應(yīng)用時(shí)都存在不小的局限性，因此現(xiàn)在普遍采用變頻調(diào)速方式，核心零部件稱作變頻器。

由于大型戰(zhàn)艦綜合電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)均采用中、高壓電力，這就要求變頻器的電力電子器件具有較高的耐壓等級(jí)和電流密度。目前來(lái)看，絕緣柵雙極晶體管的應(yīng)用前景較好，其耐壓值高達(dá)9 000V，工作電流大于6 000A，開(kāi)關(guān)功率達(dá)到50MW。

電力模塊集成技術(shù) 要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、高度集成的綜合電力系統(tǒng)，必須首先完成各子系統(tǒng)的模塊集成?？紤]到艦艇設(shè)備密集、電力系統(tǒng)容量有限，各系統(tǒng)間、系統(tǒng)內(nèi)部的能量損耗與散熱、電磁兼容等都是必須解決的技術(shù)難題。

保存自己永遠(yuǎn)是戰(zhàn)爭(zhēng)的第一法則

任何事物都有正反兩面，電力推進(jìn)技術(shù)在提高能源使用效率、強(qiáng)化戰(zhàn)艦性能的同時(shí)，也存在不可回避的弱點(diǎn)短板。

一是電力線路的脆弱性。柔性電纜的絕緣套管和金屬外護(hù)套強(qiáng)度不高，即便加上薄鋼管，其防護(hù)能力也相當(dāng)有限。相對(duì)而言，機(jī)械軸系中的傳動(dòng)軸均采用鍛鋼件制造，在國(guó)標(biāo)中，民船船軸一般用35號(hào)鍛鋼，軍船船軸會(huì)采用強(qiáng)度更高的合金鋼，不同船舶軸系的軸徑，直徑從40毫米到800毫米不等。根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)計(jì)算，這樣高強(qiáng)度材料建立的軸系，能夠在很大程度上對(duì)抗魚(yú)雷、導(dǎo)彈、炸彈等爆炸產(chǎn)生的沖擊波，最大限度的防止軸系產(chǎn)生位移、應(yīng)力等沖擊響應(yīng)。

二是智能配控電的脆弱性。傳統(tǒng)的人工+機(jī)電式電力分配柜雖然效率低但冗余度高，綜合電力系統(tǒng)則是利用計(jì)算機(jī)集中自動(dòng)化分配控制電力，一但設(shè)備損壞，即便電能依然能夠正常傳輸，電能也無(wú)法得到有效分配和控制。這就好比沒(méi)有物理按鍵的電視，如果遙控器壞了，那么將無(wú)法正常使用。

常規(guī)動(dòng)力潛艇的柴油發(fā)電機(jī)組，它是潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)，用于為蓄電池充電

三是損管能力的脆弱性。綜合電力系統(tǒng)采用高度集成的封閉式設(shè)計(jì)，加上電力傳輸管道一般空間狹小，戰(zhàn)損維護(hù)比較困難。特別是當(dāng)海水大量涌入、金屬管線破損、搶救空間黑暗的情況下，很容易因漏電短路造成燃燒。在1942年的珊瑚海海戰(zhàn)中，美海軍“列克星敦”號(hào)航母被日本海軍2枚魚(yú)雷和1顆250千克炸彈命中后，受傷并不嚴(yán)重，鍋爐、發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)電機(jī)三大動(dòng)力組件均完好。但航空油管震裂后泄露的油料蒸汽揮發(fā)，引起爆炸和火災(zāi)，主電纜的燒毀不僅造成電動(dòng)舵機(jī)卡死，而且斷電使損管現(xiàn)場(chǎng)失去了所有的主照明和主電源，并進(jìn)一步造成通信失靈。最后，損管不力的航母最終沉尸太平洋。

毫不夸張地說(shuō)，上述3個(gè)問(wèn)題一旦在強(qiáng)度烈度都急劇增加的現(xiàn)代海戰(zhàn)中發(fā)生，任何一個(gè)都可能導(dǎo)致致命性結(jié)果。這是全電艦艇必須重視的最主要問(wèn)題之一，畢竟，相對(duì)于節(jié)能高效等“錦上添花”的優(yōu)點(diǎn)，生存性才是根本。

終點(diǎn)很遠(yuǎn)也不遠(yuǎn)

毫無(wú)疑問(wèn)，一旦綜合電力系統(tǒng)的技術(shù)難題全部解決，作戰(zhàn)艦艇的性能將迎來(lái)質(zhì)的飛躍，而這種愿景在各國(guó)海軍不斷努力和技術(shù)快速發(fā)展下，已經(jīng)漸趨清晰、觸手可得。未來(lái)，綜合電力系統(tǒng)還將繼續(xù)深化發(fā)展。例如，在推進(jìn)方式上，采用吊艙式推進(jìn)方式取代目前的軸槳式或舵槳式推進(jìn);在輸配電網(wǎng)絡(luò)上，采用馬偉明院士提出的中壓直流電制替代目前的中壓交流電制;在應(yīng)用對(duì)象上，從水面艦艇向核潛艇，特別是彈道導(dǎo)彈核潛艇拓展。綜合電力系統(tǒng)的最終發(fā)展形態(tài)，很可能是荷蘭皇家海軍于2001年提出的設(shè)想，即在現(xiàn)有全電艦艇的基礎(chǔ)上，所有閥門、絞盤以及方向舵等目前采用液壓系統(tǒng)或者壓縮空氣系統(tǒng)控制的機(jī)械設(shè)施也將采用電驅(qū)動(dòng)，成為真正意義上的全電戰(zhàn)艦。我們有理由相信，這一天不會(huì)太遠(yuǎn)。 [編輯/山 水]