戰(zhàn)場電氣化
——防務(wù)領(lǐng)域的能量系統(tǒng)技術(shù)革命

■ 穆作棟 / 中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心

一場以電氣化為代表的新一輪能量系統(tǒng)技術(shù)革命正在重構(gòu)全球航空與地面運輸產(chǎn)業(yè)格局，并將引領(lǐng)防務(wù)領(lǐng)域的能量系統(tǒng)革命。

近年來，戰(zhàn)場電氣化（battlefield electrification）獲得了高度關(guān)注，美國及歐洲開展了多項武器裝備電氣化相關(guān)研究計劃，并嘗試在作戰(zhàn)行動中采用新型電氣化手段。

相比于燃油、液壓等傳統(tǒng)能源形式，電氣化技術(shù)能夠顯著提高能源利用效率、改善維修性能、降低排放和噪聲，因而不僅在民用交通運輸行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用空間，在武器裝備及作戰(zhàn)應(yīng)用中也有巨大的潛在收益。

電氣系統(tǒng)具有典型的軍民融合特征，在民用航空及汽車行業(yè)的巨大投資與市場驅(qū)動下，高能量密度電池、高功率密度發(fā)電機/電機、能量綜合管理等關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展有力地推進了戰(zhàn)場電氣化進程。

戰(zhàn)場電氣化的發(fā)展現(xiàn)狀

航空裝備電氣化

美國空軍早在第二次世界大戰(zhàn)期間就提出了“基于電力的飛機”（Electrically-Based Aircraft）概念，設(shè)想了未來電氣化的飛機架構(gòu)。隨著電力電子等相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，20世紀70—80年代洛克希德公司率先提出了全電飛機概念，隨后相關(guān)主要航空制造商開展了多電化技術(shù)研究，有力地推動了航空裝備電氣化進程。

INVENT計劃關(guān)注包括兆瓦級發(fā)電機在內(nèi)的電力系統(tǒng)（來源：美國空軍研究實驗室）

美國空軍于20世紀90年代初，在相關(guān)技術(shù)和行業(yè)發(fā)展的推動下，提出了多電飛機發(fā)展計劃，1992年組織了來自50余家航空制造企業(yè)、研究機構(gòu)、高校及來自多軍種的專家，建立了電動飛機聯(lián)合計劃組（MEAJPT），開展多電飛機基礎(chǔ)技術(shù)研究、原理樣機研制和系統(tǒng)集成試驗等工作。相關(guān)成果已應(yīng)用于美國多個航空裝備型號，例如，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機應(yīng)用了固態(tài)配電技術(shù)，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機應(yīng)用了固態(tài)配電、電靜液作動、外裝式起動／發(fā)電技術(shù)等。

為了進一步提高F-35效能、降低研發(fā)和工程研制階段的技術(shù)和周期風(fēng)險，美國空軍于1995年實施了“聯(lián)合攻擊機綜合子系統(tǒng)演示驗證”（J/IST）計劃，涵蓋了容錯式高壓直流發(fā)電/管理和配電系統(tǒng)（采用270V高壓直流電力體制、雙通道開關(guān)磁組起動/發(fā)電機）、熱/能量綜合管理系統(tǒng)（輔助動力裝置APU、應(yīng)急動力裝置EPU、起動/發(fā)電機、環(huán)控系統(tǒng)的綜合）等多項電氣化關(guān)鍵技術(shù)。

隨后美國空軍研究實驗室（AFRL）開展了為期10年的“飛行器能量綜合技術(shù)”（INVENT）計劃，自2008年招標(biāo)啟動至2018年年初完成，美國主要航空主機制造商（波音、洛馬、諾格）、發(fā)動機制造商（GE、普惠、羅羅北美）、機載系統(tǒng)制造商（漢勝、派克宇航、穆格、霍尼韋爾）等均參與了INVENT計劃。該計劃關(guān)注3大子系統(tǒng)，包括魯棒電源系統(tǒng)、自適應(yīng)動力與熱管理系統(tǒng)、高性能電作動系統(tǒng)，開展了模型開發(fā)、仿真分析、系統(tǒng)綜合、地面演示驗證等研究。

INVENT計劃完成后，美國空軍進一步提出“下一代熱、電力與控制”（NGT-PAC）計劃，增進對未來機載電力系統(tǒng)的認識，從主機和發(fā)動機兩個角度評估其技術(shù)可行性，并開展演示驗證。該項目被列為“絕密”（Top Secret）級別，項目周期為7年，內(nèi)容包括電力與熱管理架構(gòu)綜合研究、電力系統(tǒng)研究等多個領(lǐng)域，涵蓋魯棒高效電源管理、先進電力控制與分配等技術(shù)內(nèi)容。

在開展多電技術(shù)研究的同時，以美國國家航空航天局（NASA）、美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）、AFRL為代表的研究機構(gòu)和以空客、羅羅為代表的企業(yè)正在開展電推進技術(shù)研究。NASA開展了X-57全電推進演示驗證計劃，資助開發(fā)兆瓦級電機和電力電子設(shè)備研究，建設(shè)24MW、4.5kV電推進飛機試驗臺（NEAT）。空客在電動通用飛機研究基礎(chǔ)上與羅羅公司合作開展E-Fan X支線級混合電推進演示驗證計劃，測試2.5MW發(fā)電機、2MW電機、3kV高壓電網(wǎng)等技術(shù)。NASA與波音在“航空推進系統(tǒng)研究與技術(shù)”（RTAPS）項目下，共同研究提出了N3-X未來分布式超導(dǎo)渦輪電推進干線飛機概念，由2臺渦軸發(fā)動機輸出軸功率、利用超導(dǎo)發(fā)電機為系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動15臺嵌入機體后部的超導(dǎo)電機產(chǎn)生推力，其配電系統(tǒng)、電纜也將廣泛采用高溫超導(dǎo)技術(shù)，一方面保證極高的能量效率，另一方面可顯著減輕系統(tǒng)質(zhì)量。在民用航空市場的巨大投資驅(qū)動下，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)能夠得到快速發(fā)展，有望迅速應(yīng)用于武器裝備領(lǐng)域。

2013年，DARPA啟動了“垂直起降實驗飛機”（VTOL X）計劃，由極光飛行科學(xué)公司（Aurora Flight Sciences，現(xiàn)屬波音）、羅羅公司和霍尼韋爾公司合作開發(fā)名為XV-24的分布式電推進傾轉(zhuǎn)翼垂直起降飛機。XV-24有24個電機驅(qū)動的變距涵道風(fēng)扇，可實現(xiàn)垂直起降并轉(zhuǎn)換為平飛巡航。但由于霍尼韋爾公司在1MW發(fā)電機研發(fā)過程中遇到了熱管理困難，同時沒有找到合適的合作方，項目于2018年年初被取消。

2020年美國航空航天學(xué)會科技大會（AIAA SciTech Forum and Exposition）上，AFRL展示了一款分布式混合電推進飛機概念模型。這一概念采用分布式電推進布局，駕駛艙上方設(shè)置有前置水平尾翼，同時采用無尾布局。機翼分段，內(nèi)側(cè)為平直盒狀翼，分隔為7組涵道，采用分布式電推進系統(tǒng)提供動力；機翼外側(cè)為常規(guī)后掠翼。根據(jù)NASA此前公布的類似概念方案推測，內(nèi)、外翼連接處結(jié)構(gòu)可容納燃氣渦輪發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機系統(tǒng)，為推進系統(tǒng)提供電力。

地面裝備電氣化

美國陸軍針對戰(zhàn)場電氣化設(shè)定了一個10年發(fā)展目標(biāo)，要求完成全部設(shè)備的電氣化。美國陸軍坦克車輛研究開發(fā)工程中心開展了“下一代作戰(zhàn)車輛”（NGCV）計劃，計劃于2022年前完成2輛坦克原型機。

英國國防科學(xué)技術(shù)實驗室（DSTL）于2019年9月11日宣布投資320萬英鎊，開展未來地面作戰(zhàn)車輛研究，核心內(nèi)容為地面裝備電驅(qū)動解決方案。該項目由奎奈蒂克（QinetiQ）公司牽頭開展，參與研究的機構(gòu)還包括克蘭菲爾德大學(xué)、威廉姆斯高級工程學(xué)院、霍斯特曼防御系統(tǒng)（軍用車輛懸架領(lǐng)域?qū)I(yè)公司）等。

美國空軍研究實驗室的混合電推進概念模型（來源：航空周刊）

英國汽車制造商蘇帕凱特（Supacat）公司在2019年英國國際防務(wù)展上公布了全電驅(qū)動的有人駕駛?cè)匦诬囕v（ATMP）驗證機。ATMP基于現(xiàn)有平臺進行電氣化改裝，拆除原有發(fā)動機，裝配電池組、電機和變速裝置，動力輸出至輪轂驅(qū)動車輛。采用電驅(qū)動系統(tǒng)有效提升了車輛的控制性能，允許駕駛員和控制系統(tǒng)更為精確地控制車輛運動狀態(tài)。

海上裝備電氣化

隨著先進任務(wù)系統(tǒng)及武器系統(tǒng)技術(shù)的引入，艦艇功率需求激增，對電力系統(tǒng)容量和穩(wěn)定性的需求也大幅提升。為了保證任務(wù)系統(tǒng)及艦艇平臺的用電量，美國海軍于2007年在計劃執(zhí)行辦公室（PEO）下建立了電動艦艇辦公室（ESO，PMS 320），負責(zé)開發(fā)架構(gòu)簡單、經(jīng)濟性良好并且能力先進的電力系統(tǒng)，特別關(guān)注定向能（DE）和其他高功率任務(wù)系統(tǒng)的能量系統(tǒng)研究及其平臺集成，滿足海軍艦艇的使用需求。

2015年，美國海軍海上系統(tǒng)司令部提出了“海軍動力與能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖”（NPES TDR），梳理了新一代艦載能量系統(tǒng)的需求與關(guān)鍵技術(shù)。2019年1月2日，海上系統(tǒng)司令部發(fā)布了“多用途艦載能量 庫 ”（Multi-Application Shipboard Energy Magazine）研究計劃的信息征求書（RFI），旨在研究面向定向能武器等新型負載的模塊化、可擴展的中間電力系統(tǒng)，目的在于為定向能武器等高能任務(wù)系統(tǒng)提供電力，同時保護能量系統(tǒng)及平臺其他系統(tǒng)不受任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖的影響。同時，能量庫可以支持艦艇平臺的能量管理、負載均衡和應(yīng)急供電。

后勤保障電氣化

美國提出的艦載能量庫概念（來源：美國海軍海上系統(tǒng)司令部）

美國陸軍已經(jīng)嘗試了在戰(zhàn)場后勤保障中使用新型電氣化手段，從而節(jié)約燃油消耗和人力成本，降低燃油運輸對后勤供應(yīng)的壓力。美國陸軍在阿富汗執(zhí)行了尼姆羅茲行動（Operation Nimroz），采用電池、太陽能板等新型電氣化設(shè)備，代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機為行動提供能源。按照后勤保障要求，該行動的基地需要使用13臺基于燃油的傳統(tǒng)內(nèi)燃機，以驅(qū)動發(fā)電機、保證任務(wù)的能源需要，但大部分發(fā)電機都會處于低容量運行狀態(tài)。美國陸軍引入了2套由電池、太陽能板和發(fā)電機組成的混合裝置為特定任務(wù)提供電能，僅僅使用上述2套混合裝置和2臺原有發(fā)電機就滿足了后勤保障任務(wù)。這一嘗試每周可節(jié)省約6060L燃油、30個發(fā)電機加油工時和20個發(fā)電機維護工時，工程師可將精力集中在更為重要的任務(wù)上，同時有效減少了基地運行過程消耗的燃油，降低了后勤保障的壓力。

戰(zhàn)場電氣化的收益

與民用電動飛機類似，目前裝備及武器體系距離有效電氣化還有一定的距離，同時面臨著諸如電池、發(fā)電及配電等相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)，但電氣化為武器裝備及后勤保障體系帶來的種種收益正在吸引軍方及工業(yè)界的關(guān)注。

支撐先進任務(wù)與武器系統(tǒng)的應(yīng)用

在現(xiàn)代武器裝備發(fā)展過程中，先進任務(wù)系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的應(yīng)用，對裝備電能生成、存儲和管理等提出了極高的要求。以航空裝備為例，四代機謀求更強的態(tài)勢感知能力，以及隱身、超聲速巡航、超常規(guī)機動等性能要求，推動了機載任務(wù)系統(tǒng)的快速發(fā)展。例如，F(xiàn)-22采用了基于“寶石柱”計劃的綜合航電系統(tǒng)，F(xiàn)-35進一步開展射頻綜合并在機上大量裝備了大功率電子設(shè)備。隨著多電技術(shù)發(fā)展，航空裝備電氣化水平大幅提升，電網(wǎng)容量、能量轉(zhuǎn)換效率、功率密度、綜合控制能力得到了長足進步，有力地保障了任務(wù)系統(tǒng)的效能。

英國“暴風(fēng)”未來戰(zhàn)斗機對電力系統(tǒng)提出了更高的要求（來源：英國BAE系統(tǒng)公司）

下一代航空裝備將具備大空域?qū)捤儆虬€、大范圍高機動敏捷飛行控制、先進電子攻擊、高功率定向能武器等特征。以激光武器為例，美國空軍設(shè)想的機載激光武器功率達到3MW，遠超當(dāng)前航空裝備全機電網(wǎng)容量。美國空軍指出，下一代戰(zhàn)斗機所需的電網(wǎng)容量是當(dāng)前的10倍以上，未來先進任務(wù)與武器系統(tǒng)的應(yīng)用與效能發(fā)揮都需要電氣化技術(shù)提供基礎(chǔ)性保障。

提高能量效率 ，應(yīng)對能源挑戰(zhàn)

作戰(zhàn)行動會消耗大量能源，隨著全球能源供需矛盾日益突出，應(yīng)對能源挑戰(zhàn)是戰(zhàn)場電氣化的原動力。例如，美國空軍是美國國防部能源消耗最大的軍種，每年消耗超過75.7億升航空燃油，花費超過90億美元。根據(jù)NASA的研究結(jié)果，電動飛機技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能60%的潛在收益，采用超導(dǎo)分布式渦輪電推進的N3-X寬體機燃油消耗可較波音777-200LR降低70%以上；根據(jù)加拿大港灣航空公司的分析，其短途商用運輸飛機電氣化能夠降低70%以上的運營成本。相關(guān)技術(shù)在武器裝備的未來應(yīng)用能夠有效降低燃油消耗，減輕能源供應(yīng)與保障負擔(dān)。

緩解后勤保障壓力

現(xiàn)代作戰(zhàn)行動愈發(fā)依賴后勤保障，需要建立并維持通往戰(zhàn)區(qū)的龐大運輸通道，為作戰(zhàn)提供燃油、裝備的維護服務(wù)等。后勤保障需要消耗大量資源，同時也暴露在較大的風(fēng)險下。以燃油供給為例，作戰(zhàn)所需的大量燃油需要大型儲罐，儲罐難以有效隱蔽、極易遭受襲擊，例如也門胡塞武裝使用無人機成功襲擊沙特石油設(shè)施；同時將燃油運輸?shù)綉?zhàn)區(qū)也需要大量軍用運輸車輛；儲存與運輸過程本身也需要相應(yīng)的安全保障、人員配給等。美國陸軍環(huán)境政策研究所的數(shù)據(jù)顯示，在阿富汗戰(zhàn)爭中，美國燃油供給的傷亡系數(shù)為0.042，意味著每次燃油補給車隊任務(wù)會產(chǎn)生0.042人傷亡。而作戰(zhàn)行動中大量的燃油消耗帶來了大量的燃油補給需求，數(shù)據(jù)顯示2007年美國在伊拉克的燃油補給車隊任務(wù)數(shù)量為5133，相應(yīng)的傷亡數(shù)字可觀。電氣化能夠大幅提高裝備能量使用效率，降低燃油消耗。另一方面，電氣化能夠有效提高裝備的維護保障性能，解決傳統(tǒng)液壓、引氣、燃油系統(tǒng)面臨的“跑冒滴漏”問題，減少裝備維護帶來的后勤負擔(dān)。采用電驅(qū)動或多電技術(shù)，能夠大幅減輕裝備的質(zhì)量與機械復(fù)雜度，由于電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、旋轉(zhuǎn)部件少，可有效提高維護性。

以F-35為例，該機引入了固態(tài)配電、電靜液作動等多電技術(shù)，采用熱/能量綜合管理系統(tǒng)和開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機，取消了中央液壓系統(tǒng)和地面起動、供電保障設(shè)備，大幅提高了裝備的保障性。與傳統(tǒng)作戰(zhàn)飛機相比，該機平均維修間隔提高1倍、同等規(guī)模部署時所需的保障人員數(shù)量降低33%。

結(jié)束語

隨著能源供應(yīng)、后勤保障壓力等問題的凸顯，同時也伴隨著電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場電氣化正在逐步引起軍方與業(yè)界的關(guān)注，包括大功率發(fā)電機、高能量密度電池、超導(dǎo)發(fā)/配電系統(tǒng)、先進能量管理等在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)，全球各國的研究均處于技術(shù)成熟度較低的階段，需要在超導(dǎo)材料、寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有所突破。我國在動力電池等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域具有較強的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，以戰(zhàn)場電氣化引發(fā)的技術(shù)革新為契機，應(yīng)當(dāng)主動作為、加強基礎(chǔ)研究與相關(guān)技術(shù)演示驗證研究，支撐未來跨越發(fā)展、搶占先機。