最近,中國工程院院士、海軍工程大學教授馬偉明獲國家科技進步獎的獲獎感言透露了部分成果,結(jié)合其它資料判斷,綜合電力系統(tǒng)技術(shù)即將在我國作戰(zhàn)艦艇上得到應用。
綜合電力系統(tǒng)將船上所有發(fā)電和耗電設備都連接在一個電網(wǎng)上,可自由地為所有設備分配電力,從而提高了動力系統(tǒng)的整體效率,并能滿足定向能的高功耗要求。由于體積小、重量輕、加速快,燃氣輪機已成為現(xiàn)代軍艦最主要的動力設備,美國伯克級和我國052級驅(qū)逐艦都采用燃機推進。
受技術(shù)原理限制,燃機在低功率運轉(zhuǎn)時的耗油率很高,這使得燃機驅(qū)動的軍艦在低速航行時的耗油量很大,不利于提高航程和降低運行成本。為解決這一問題,052級驅(qū)逐艦安裝了2臺柴油機,用于低速航行狀態(tài)推進,但這導致動力系統(tǒng)設計復雜、噪音較高不利于反潛作戰(zhàn)。
在推進需求之外,現(xiàn)代軍艦大量安裝雷達和電子戰(zhàn)設備,同時作戰(zhàn)、洗衣、空調(diào)等生活耗電也迅速增加,因此發(fā)電量越來越高。伯克級驅(qū)逐艦安裝了4臺18兆瓦燃機用于推進,3臺2.5兆瓦燃機用于發(fā)電,我國02D驅(qū)逐艦安裝了2臺柴油機和2臺燃機用于推進,2臺柴油機用于發(fā)電,這使得動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、造價高昂。
而軍艦極少用最高航速航行,因此推進系統(tǒng)總是有大量剩余功率可滿足發(fā)電需求,如果能自由調(diào)整動力分配,就可以簡化動力系統(tǒng)設計,從而降低造價。
英國45型、美國DDG1000朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦已經(jīng)應用綜合全電推進技術(shù),后者只安裝2臺4.5兆瓦和2臺36兆瓦燃機,極大簡化了動力系統(tǒng)設計、降低艙室空間需求;同時在3~9、20~81兆瓦功率范圍內(nèi)都能確保燃機保持較高燃油效率,預計在30年服役期內(nèi)可節(jié)省約2000萬美元燃油費。
綜合電力系統(tǒng)技術(shù)還是定向能武器的基礎。美軍第3艘DDG1000驅(qū)逐艦將安裝電磁炮,可打擊185公里外的目標,極大提高了對地攻擊能力。電磁炮彈的炮口動能高達64兆焦,以10發(fā)/分的射速持續(xù)發(fā)射時,需要至少12兆瓦的電能供應,遠遠超過伯克級7.5兆瓦的發(fā)電功率,因此伯克級安裝的電磁炮射速僅能達到5發(fā)/分。為安裝電磁炮或激光炮,未來作戰(zhàn)艦艇必須采用綜合電力推進系統(tǒng),以滿足供電要求。
電磁炮結(jié)構(gòu)示意圖
由于綜合電力推進系統(tǒng)具有軍民兩用性,因此其消息較為公開。馬偉明院士稱:本世紀初,我們聯(lián)合國內(nèi)10多家科研院所和軍工企業(yè),展開課題攻關。但是其中負責一重要分系統(tǒng)研究的單位,幾年來一直沒有突破性進展……不到4年時間,完成了最關鍵的電力推進子系統(tǒng)的理論分析、樣機制造、系統(tǒng)集成以及功能試驗考核,全面突破了新型感應推進電機和新型變頻器的核心技術(shù)。
2013年8月初,國家重大技術(shù)裝備網(wǎng)稱,中船重工武漢712研究所船舶綜合電力推進系統(tǒng)取得重大進展,研制了以變頻器、推進電機、推進變壓器、功率管理系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)為核心的推進系統(tǒng),實現(xiàn)了單軸推進功率20兆瓦以下船舶電力推進系統(tǒng)的全部國產(chǎn)化。
從這兩條消息看,我國綜合電力系統(tǒng)已經(jīng)于2013年初取得突破。但從功率看,8000~1.5萬噸驅(qū)逐艦需要單軸36兆瓦的推進功率,而我國僅實現(xiàn)單軸20兆瓦推進功率,現(xiàn)有設備無法滿足大型驅(qū)逐艦使用要求,只能用于對航速和推進功率要求較低的4000噸級護衛(wèi)艦。
我國現(xiàn)有054A護衛(wèi)艦用于替換1980~1990年代服役的053護衛(wèi)艦,目前已下水20艘,未來5年內(nèi)還會建造十余艘,從而滿足近海防御任務需求。在此之后,我軍護衛(wèi)艦的建造可能告一段落,轉(zhuǎn)而以發(fā)展遠海護衛(wèi)任務所需的大型驅(qū)逐艦為主。在此期間,我國綜合電力推進系統(tǒng)技術(shù)也會繼續(xù)發(fā)展,屆時將能滿足驅(qū)逐艦的功率需求。
052D驅(qū)逐艦是為替換1980年代服役的051型驅(qū)逐艦研制的,受噸位限制,該艦無法滿足遠海護衛(wèi)要求,因此海軍必須發(fā)展新一代055型萬噸級大型驅(qū)逐艦。從各方面消息看,055級尚未開工建造,目前尚處于工程研制階段,預計首艦可能在5年后下水服役,符合綜合電力推進系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展進度。為滿足低油耗、低成本、使用定向能武器等要求,055級必將采用綜合電力推進系統(tǒng)技術(shù)。
在船用綜合電力技術(shù)接近實用后,馬偉明院士講話中還提到某項尖端技術(shù),是近年來世界海軍強國爭相發(fā)展的重點領域,是代表未來新型主戰(zhàn)艦船標志性的核心技術(shù)……5年里,我們不分晝夜地連續(xù)攻關……2008年我們終于研制成功小型樣機,接著又做出了1:1單元設備樣機,突破了全部關鍵技術(shù),實現(xiàn)了與世界最先進技術(shù)的同步發(fā)展。
從各方面資料看,這里提到的就是航母艦載機電磁彈射器,目前只有美國正在應用在福特級航母上,未來我國國產(chǎn)第二艘航母則很可能會使用。
相比傳統(tǒng)的蒸汽彈射器,電磁彈射器重量輕一半以上,只有約700噸,有助于提高航母適航性;可以彈射更輕和更重的飛機,可同時滿足5噸級小型無人機和40噸級重型戰(zhàn)斗機的要求;彈射過程中飛行員感覺更舒適;取消了大量蒸汽管線,簡化了航母設計,提高了安全性;降低了全壽命使用成本,可節(jié)省十幾億美元資金。電磁彈射器對電力供應的需求并不大,福特級安裝4部電磁彈射器也只需要總計約9兆瓦的功率。
當前我國正在發(fā)展彈射起飛航母,待國產(chǎn)電磁彈射器技術(shù)成熟后,可安裝在第3艘及之后的國產(chǎn)航母上,從而大大提高艦載機出動能力、降低全壽命使用成本。該技術(shù)甚至可以應用于遼寧號和正在建造的第2艘航母,采用彈射加滑躍起飛方式,從而實現(xiàn)艦載機起飛過程中的單發(fā)停車安全。