美國全電力戰艦發展現狀及展望

歐陽華，錢 美，夏 立

(海軍工程大學電氣與信息工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

綜合電力系統(Integrated Power System，IPS)艦船，也稱為全電力戰艦(All Electric Warship，AEW)是海軍發展的新趨勢。傳統艦船的動力系統和電力系統是相對獨立的，動力系統通常由常規的熱機和其他機械裝置構成，電力系統一般是作為輔助能源，與艦船推進并沒有直接關聯。將電力系統與推進系統相結合形成艦船電力推進是最近幾十年發展的新技術。綜合電力系統是將艦船發供電與推進用電、艦載設備用電集成在一個統一的系統內，從而實現發電、配電與電力推進用電及其他設備用電統一調度和集中控制［1］。

綜合電力系統能給飛機電磁彈射器(EMALS)、電磁軌道炮(EMRG)等高等武器提供足夠的電力供應，降低艦艇平臺全壽命周期費用。隨之而來的，是對高電壓分布系統(AC或DC)、高密能量轉換模塊、高速高密能量生成模塊、能量存儲模塊的技術需求，以及在正確時間將可獲得的能量和功率分配給正確負載的監測和控制技術的需求。這也正是美國“海軍后下一代”全電力戰艦的目標［2］。下面將介紹美國全電力戰艦發展歷史、現狀，未來的發展方向和應對于高能量和高功率的需求而面臨的技術挑戰。

1 電力艦船的發展歷程

電力推進作為船舶推進方式之一，已經有近百年歷史，經歷了二戰前的新興期，二戰后到70年代末的蕭條期和80年代后的蓬勃發展期。二戰之前，電力推進曾出現過一段流行期，多采用直流推進技術，主要用于工程船舶及潛艇上［3－4］。運煤船“朱比特”號(1913年)是電力推進技術的第1個主要測試平臺。隨后作為技術示范，在第一艘航空母艦“蘭利”號(1922年)上使用了汽輪機，并采用電力驅動馬達。在“朱比特”號退役2年后，使用汽輪機和電力驅動馬達來推進4個轉動軸的戰列艦“新墨西哥”號(1918年)下水。在當時，電力驅動比其他方式能提供更好的能源利用效率?！靶履鞲纭碧柺敲绹＼姷牡?艘全電力艦船，但它不是綜合電力驅動。二戰后，由于遭到了重量限制的國際威脅，重量更輕的齒輪機械驅動模式是海軍設計新型戰斗艦的首選，電力推進在整個船舶推進領域中的發展受到限制。20世紀80年代以來，隨著電力電子技術的迅速發展，大功率交流電機變頻技術日益成熟，電力推進技術得到迅速發展，其應用領域已擴展到旅游船、水面戰艦、各種工程船和油貨輪等，顯示出廣闊的市場前景。

2 全電力戰艦發展現狀

最近30年間，艦船功率需求已形成從推進功率占主要地位，到高能武器和探測器變為艦上最大的功率消耗者的趨勢，而且該上升趨勢有望繼續。美國海軍海上系統指揮部的預先發展水面機械計劃(ASMP)一直集中于發展艦船推進、電力和控制系統，其目的是在滿足艦船各方面性能要求的同時，大大減少采購費用和全壽命周期費用［5］。

作為技術投資的結果，美國海軍有3個全電力戰艦的試驗平臺:“馬丁島”號(LHD－8)兩棲攻擊艦(2006年)，“劉易斯和克拉克”號(T－AKE－1)系列航行補給艦(2006年)和“朱姆沃爾特”(DDG－1000)導彈驅逐艦(2014年)，如圖1所示。

“馬丁島”號(LHD－8)是黃蜂級兩棲攻擊艦系列的最后一類，它和蒸汽推進的“硫磺島”級(LHD－7)完全不同，“馬丁島”號以燃氣渦輪機(LM2500)作為主發電機，和日常用電柴油發電機組合，統一進行電力分配。當艦船以低于13 kn的速度行駛時，采用5 000馬力的感應電機驅動;當艦船以13 kn至全速行駛時，采用LM2500燃氣渦輪機作為電力汽輪機驅動。采用該混合電力驅動方式后，全年可以節省200萬美元，并可減少對中東石油的依賴性。T－AKE和DDG－1000都采用了全綜合電力系統，二者的不同之處在于:T－AKE是根據商業用途建造和組裝的，其全壽命周期費用更低;DDG－1000則出于軍事目的建造，其全艦裝機容量高達78 MW，將于2014年下水。

圖1 當前的綜合電力艦船Fig.1 Today's integrated electric ships

3 海軍下一代艦船開發目標和面臨的挑戰

雖然美海軍第一代電力驅動和“綜合平臺”取得了一定成效，當代海軍和下一代海軍仍面臨如下挑戰或者說是機遇:① 減少對石油的依賴性;② 滿足功率增長的需求;③理解并控制費用。

美海軍助理海軍部長(研究、開發和收購)(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將和美國海軍研究局(ONR)共同投資下一代綜合電力系統(NGIPS)，并在ONR已開發成熟的產品中注入先進的技術，以迎接上述3個挑戰。下面結合ONR現有成熟產品和技術，簡要介紹美海軍綜合電力技術的研究方向。

3.1 混合電力/機械驅動

DDG－51戰艦編隊的推進器由4個20 MW的LM2500燃氣渦輪發動機(GTM)驅動，在每個軸承各有2個GTM，并通過組合減速齒輪與螺旋推進器軸承相連接。另有3個提供日常服務的燃氣渦輪發電機(SSGTG)，每個3 MW，用以提供艦船的全部電氣負載用電。標準的操作流程是至少啟動2個SSGTG，第3個SSGTG作為某一SSGTG維護或傷亡時備用。

提高推進器和發電站效率的改進方法是采用混合電力驅動(Hybrid electro-mechanical drive，HED)。HED將電力機械綜合入推進系統:在推進模式，電力機械既能作為推進馬達(在低推進速度)運行，也能作為發電機運行(高速度);在發電機模式，馬達能將電力功率饋入配電系統，以便將能量提供給艦船推進功率系統(PDSS)或位于其他螺旋軸上電力馬達。實現上述HED的概念可以有如下4種配置［6］:

1)基本混合電力驅動(EPS);

2)帶有4 MW的SSGTG的升級基本HED(EPS);

3)帶有艦船推進功率系統的EPS(EPS+PDSS);

4)電力推進+PDSS+4 MW SSGTG。

在EPS模式中，HED提供2個螺旋軸承的推進動力，小型SSGTG供應電力供應，使得大容量的燃氣渦輪主引擎(GTM)能專注于推進。EPS采納利用了HED的燃油經濟性，并具備附加發電潛能，以便提供容量給未來的武器和傳感器。在PDSS結構中，通過HED推進系統向艦船日常用電系統提供電力。這種模式允許“單發電機工況”，這時僅僅1個SSGTG在工作，而不是2個。PDSS模式能使SSGTG充分加載，因此能顯著改進引擎的燃油消耗。EPS和PDSS的組合改進引擎的燃油消耗的效果更為明顯，省油率超過10%，并有進一步提升的潛力。

3.2 帶能量存儲的單發電機工況

DDG－51戰艦編隊的標準發電模式通常是至少運行2臺SSGTG，減少了由于1臺GTG故障而導致日常供電失電的危險。雖然該模式保證了電力供應的穩定性，但SSGTG偏離了設計的最佳工作點，犧牲了效率，并增加了每個SSGTG的工作時間。在單個發電機(SGO)負載低于50%的低強度工況下，燃氣渦輪每單個循環的特定燃油消耗量急劇增加，這給通過最小化引擎工作時間以改進燃油消耗提供了潛在可能。計算得到，在DDG－51系列艦中SGO的使用將帶來大約7 600～8 500 bbl/ship/yr的潛在的燃油節約。

為了保證能給重要負載提供持續的電力，要求在持續的航行中電力供應的瞬時轉換不會造成電力供應中斷。GTG的設計性能為在60 s內從啟動到滿載，這就需要能量存儲模塊(EMS)。EMS需要一定的尺寸以維持1 min內關鍵艦船負載供電;同時也需要設計成高能量密度模塊，以便允許靈活地重復安裝或配置。不同負載的優先等級不同，這種分等級為負載提供電力的控制策略屬于電力供應質量(QOS)的概念。

3.3 密集電能轉換

密集電能轉換技術使能容量(EC)工程是美國海軍研究局發起的關鍵開發模塊和技術。EC技術與下一代綜合電力系統核心產品有關，這些類核心產品有:多功能電能轉換器、雙向電能控制模塊、電能管理控制器(高級能量管理)等。該項目預期在2012年完成，其產品成熟度預期能達到TRL6。

多功能電能轉換器的目標在于改進與高能固態轉換設備相關的3項關鍵度量標準——能量密度、電能質量和轉換效率。雙向電能控制模塊開發致力于以上述3項關鍵度量標準為基礎，在海軍分布式電力系統中添加提供雙向能量流的能力。雙向電能流被認為是下一代電力系統的關鍵能力，能增加操作有效性、系統生存能力和動態能量管理。能量管理將研究電能管理概念，使下一代電力系統與雙向能量流相適應，并提供能量從源到多個高能負載運動的穩定、快速方法。

3.4 近期先進武器和傳感器

上述電力電子技術開發的主要驅動力是先進武器和傳感器的引入。先進武器和傳感器相關技術與電力技術本身共同革新，模糊了武器和電力系統的區別。電磁軌道炮和自由電子激光器早在10年前就已經出現，其他合成高能的武器和傳感器系統，如激光武器系統(LaWS)、空中和導彈防御雷達(AMDA)是最近引入的。這些系統將汲取高達兆瓦級的功率，因此更需要綜合電力系統。LaWS是基于固態光纖技術的自防御系統，該系統于2006年在Sandia國家實驗室和海軍水面作戰中心展示，2009年原理樣機通過測試，并正在從演示驗證和原理樣機階段迅速向可配置能力轉化，預計2016年可以上戰場。

AMDA作為瞄準未來海軍彈道導彈防御(BMD)能力的武器而開發。其主動定相陣列對雷達和艦船電力設計提出了挑戰。首先，大量分布式固態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范圍，這些設備需要高功率供給。AMDA將在未來的DDG－51編隊服役，在正常工況下將汲取大約2.5 MW的功率，預期2010年能實現原型化。

4 海軍后下一代艦船開發目標和挑戰

海軍當前和下一代艦船致力于減少對石油的依賴性、滿足更大的裝艦功率需求、理解并控制艦船費用。不同于減少能源或運行費用，美海軍后下一代目標在于達到上述目標時所作的技術努力:給出創新海軍原型(INPs)，包括自由電子激光器(FEL)、電磁軌道炮(EMRG)和電力艦船;為了提升競爭力、控制預算和技術更新而提供開放商業結構模型。

4.1 創新海軍原型

ONR認為對提供高超音速、定向能量武器和高脈沖及持續服務雷達和傳感器的需求終有一天會得到理解，并一直致力于預先瞄準新技術挑戰。ONR已經對海軍后下一代FEL INP投資。在戰場環境中，在FEL上艦之前，首先要克服一些障礙和挑戰。這些障礙和挑戰包括激光束的質量、需要維持的極端真空和溫度參數、在艦船受海洋而產生的擺動、傾斜、偏航等沖擊狀態確保平滑的、均衡的激光束的穩定性和清晰度。海軍研究委員會(NCSB)贊成EMRG INP下一階段的開發計劃。EMRG的技術問題包括脈沖形成網絡(PFN)的電力供應、軌道生命力和重復速率等。

4.2 開放商業結構模型

PC的USB接口就是開放結構(OA)。通過簡化特定的輸入/輸出(I/O)參數和規范USB接口，所有的外圍設備可以被任意PC使用，只要該PC有1個USB接口，并且該連接符合可與USB連接的指定的“接口”規范。美海軍也將采用該方法采購電子組件和系統。電力艦船結構由包括發電、配電、變電、存儲和負載在內的幾個模塊組成。這些模塊兩兩之間存在接口。一旦接口的位置固定下來，接口的I/O規范也就能由海軍下發了。工業部門之間將產生競爭，并因此增進競爭、供應能力和技術更新。

5 結語

我國艦船綜合電力系統的研究從“九五”預研開始起步，并取得了一定的進展，我海軍第一艘采用電力推進的軍輔船已經進入技術設計階段。但是綜合電力系統的研究和實施尚有很多困難，屬于多個學科綜合、交叉而形成的新研究領域，是新一輪艦船技術競爭的制高點。我們應借鑒國外研究方向，大力開展關鍵技術和設備的研制工作和技術儲備，推進我國艦船的發展。

［1］馬偉明.艦船動力發展的方向——綜合電力系統［J］.海軍工程大學學報，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.

［2］PETERSEN L J，HOFFMAN D J，BORRACCINI J P，et al.Next generation power and energy:maybe not so next generation［J］.Naval Engineers Journal，2010，122(4):59 －74.

［3］欒勝利.船舶電力推進技術的發展［J］.船電技術，2009，29(4):46－49.LUAN Sheng-li.Development of electric propulsion technology for ships［J］.Marine Electric ＆ Electronic Engineering，2009，29(4):46 －49.

［4］羅偉，孫朝暉，方斌.船舶綜合電力系統研究的新進展［J］.艦船科學技術，2009，31(12):105 －109.LUO Wei，SUN Zhao-hui，FANG Bin.The new progress in integrated power system research on shipboard［J］.Ship Science and Technology，2009，31(12):105 －109.

［5］DOERRY N.Next generation integrated power systems for the future fleet［C］.IEEE Electric Ships Technology Symposium，Baltimore，Maryland USA，2009，73 －78.

［6］PETERSEN L.Next generation integrated power system:the backbone of the electric warship(hybrid electric drive:a near term opportunity)［C］.IEEE International Electric Machines and Drives Conference，Miami，FL，USA，May 6，2009:xiv－xv.