2023年02月09日 星期四
海军“全电舰船时代”徐徐而至
第13版:军界瞭望 2022-07-19

海军“全电舰船时代”徐徐而至

采用全电推进的美国DDG-1000型驱逐舰

时髦的激光拦截装置,其要害恰恰是供电系统能否“给力”

电磁轨道炮的电源就如此庞大,耗电量可想而知

英国“伊丽莎白女王”号航母曾跑到远东来转悠

英国45型舰电机系统可靠性不高

说起对海军的印象,许多人会脱口而出“坚船利炮”,但“坚船”最核心的性能是什么?是动力。近年来,全电驱动舰船成为海军强国的发展重点,特别是英美全电舰船相继服役后,这一“技术新边疆”的争夺已趋向白热化。

不是新鲜事

所谓全电舰船,就是以电传动装置为主体动力系统的舰船,基本原理是原动机带动发电机发电,再由发电机驱动电动机组、带动螺旋桨旋转的传动装置。驱动发电机的原动机,主要是蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机、核动力装置和蓄电池。

论渊源,全电舰船并非新鲜玩意。1886年,英国人就在“福特”号小艇上采用蓄电池-电动机推进装置,它横渡英吉利海峡,可谓开山之作。到了20世纪头20年,人们开始以蒸汽轮机、柴油机作为船舶原动力,以直流电机为传动装置,究其原因,是因为当时齿轮加工水平不高,无法做出大尺寸、大模数、高精度的齿轮,而采用电传动等于绕开机械传动装置的难题,实属无奈。到了30年代,齿轮技术突破,大型齿轮组拥有紧凑的体积和极高的传动效率,令庞大的发电机-电动机组相形见绌,于是以齿轮为基础的机械传动装置重回主流,延续至今。不过,电传动并未彻底消失。

上世纪50年代,全电舰船概念由英美提出,但表述不大一样,英国称全电推进系统(FEP),美国称综合电力系统(IPS)。当时,随着柴油机及电机技术进化,有的舰船采用大功率柴油机-交/直流发电机-交流电动机的组合,极少数小型舰船甚至全以蓄电池为动力源。但以当时的技术,电机尺寸还是太大太重,且造价高,经济性不如机械传动的舰船。直到上世纪末,随着电子技术、可控硅整流技术及稀土材料应用于电机,才使得电机尺寸成倍缩小,为大型舰船应用全电推进技术创造了条件,当今的代表作当属英国45型驱逐舰、伊丽莎白女王级航母和美国DDG-1000型驱逐舰、福特级航母。

优势很突出

与经典的机械传动系统相比,全电推进的优势不仅能有效提高舰船动力性能,还能简化结构设计、降低使用成本、提高推进效率。

众所周知,若是全电布局,原动机、发电机和电动机之间就能以柔性的导线相连,位置可远程灵活布置,而机械传动则是齿轮对齿轮,以传动轴机械传递动力,位置几乎恒定。这种灵活布置,能充分利用舰船内部空间,也实现了各种航速下的高安静性,因为驱动螺旋桨的动力是由电缆将电力输送到推进电机,其间取消复杂而巨大的减速齿轮箱及相关轴系,这正是舰船主要的噪声源。据测算,常规水面舰船以16-20节航速航行时,噪声可达130-150分贝,携带被动声呐的潜艇很容易在70海里外发现,但水面舰船在同等距离上却很难发现噪声只有100多分贝的潜艇。若改用全电驱动,水面舰船整体噪声会比机械传动至少降低20%至25%(即航行噪声减少40分贝),潜艇声呐探测距离将被压缩到原有的60%以内,生存力大大提高。

让人动心的是,电机控制特性好,调速范围大,可实现无级变速,甚至舰船倒车都能轻松实现。而对机械传动而言,要有减速器和变角度螺旋桨式推进装置配合,操纵起来比电机麻烦得多。不仅如此,全电推进取消了机械传动所需的减速器、传动轴和协调器,能量损耗至少下降近30%,同等条件下,原动机工作转速只需保持在最大转速的70%-80%即可,无形中延长了使用寿命,故障率也随之降低。此外,由于系统中各原动机之间及与推进装置无需机械联接,即使某一台原动机“罢工”也不会影响别的动力运转,实现了整套动力系统的高可靠性。

全电推进系统里的原动机只用于发电,因此可以根据不同的用电负荷及航速要求运行不同数量的原动机,且能将原动机运行在输出效率最高、油耗最低的区域,实现经济性最大化,好处是在舰船燃油携带量不变下续航距离比机械动力系统提高20%-30%,对后勤油料补给的依赖也大为降低。

未来有方向

对军用舰船来说,采用全电推进系统,可不只有前面提到的优点。中国工程院院士、海军工程大学电力电子研究所所长马伟明指出,舰船应用全电推进系统的本质,是为了解决高能武器上舰的问题。传统以化学能为能量的武器系统,在发展潜力上已接近饱和。例如,现役炮弹初速的“天花板”是每秒2000米,常规战术导弹速度普遍在5马赫以下。而高能武器(包括激光、微波、粒子束、电磁轨道炮等武器)天生具有速度优势,有些武器的速度都能接近光速,即使初速最慢的电磁轨道炮所发射的弹丸,初速也在每秒数千米,远超传统化学能弹丸。目前,世界上发展最快的高能武器是激光武器和电磁轨道炮,美国都已在舰船上测试了。从技术层面讲,制约高能武器上舰的主要因素就是供电,因为高能武器全是“电老虎”,舰上传统电站根本无法维持持续作战所需电力,除非引进全电推进系统。全电推进能将全舰电力统一调配,很好地实现“哪里需要去哪里”。

需要指出的是,全电驱动舰船正处于突破“可靠性”这一关的煎熬。据英国《简氏防务周刊》披露,被誉为“全电明星”的英国45型和美国DDG-1000型驱逐舰都发生过严重技术问题,像英国6艘45型舰由于全电推进系统耐高温能力较差,一度全部“趴窝”,而美国DDG-1000型首舰“朱姆沃尔特”号航行中因推进电机故障被迫拖回船厂,在舰身上切个大口子进行维修。专家认为,英美海军全电推进战舰频出故障,说明它们所采用的中压交流电网结构在技术上并不成熟,可靠性无法与传统机械推进技术媲美。与英美不同,中国科学家独创性地提出中压直流全电系统项目,它具有更高的功率密度和运行灵活性,技术上更具可行性,很可能代表舰船综合电力系统的发展方向。换言之,中国已具备全电推进系统装舰的技术条件,中国的“全电舰船”已为期不远了。

石宏 张韶华

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