美國海軍新一代綜合電力系統(tǒng)

李 源

2006年，時(shí)任美國海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）副司令曾說過：軍艦向全電力化和高能化發(fā)展如同100年前能源從煤炭發(fā)展為石油一樣具有革命性的意義。而在此之前，美國海軍就有了一個(gè)清晰的觀點(diǎn)，要將下一代的高能傳感器和高能武器整合到未來的水面戰(zhàn)斗艦上。這些高能傳感器和高能武器主要包括：先進(jìn)的空中和導(dǎo)彈防御雷達(dá)（AMDR）、 新型電子戰(zhàn)系統(tǒng)、電磁軌道炮和激光武器。

即將列裝的高級武器

AMDR是一型性能優(yōu)異的雷達(dá)，基于由多氮化鎵傳輸/接收模塊組成的陣列。AMDR通過提高功率、靈敏度和對自然、環(huán)境的耐受度，來提供優(yōu)異的確定潛在目標(biāo)的能力，3倍的功率輸入可得到約35倍的功率輸出，但同時(shí)耗電量也大增。隨水面電子戰(zhàn)改進(jìn)項(xiàng)目（SEWIP）Block 3一起引進(jìn)的新型電子戰(zhàn)系統(tǒng)，預(yù)計(jì)將與AMDR同時(shí)間應(yīng)用，也需要消耗大量電力。NAVSEA目前正在組織SEWIP Block 3的競標(biāo)，于2014年上半年確定合同商。

圖1 各種高級武器系統(tǒng)所需的電力

同時(shí)，美國海軍還計(jì)劃開發(fā)新型武器系統(tǒng)，包括用于進(jìn)攻和防御的電磁軌道炮和激光武器。普遍認(rèn)為高能電磁軌道炮是一種可以徹底改變海軍攻擊作戰(zhàn)的武器系統(tǒng)，它是一種超高速射彈，精確度極高并且射程更長。電磁軌道炮克服了常規(guī)艦炮的限制，常規(guī)艦炮采用爆炸性的化學(xué)推進(jìn)物，使得彈頭必須沿著艦炮的長度發(fā)射出去。而電磁軌道炮射程長、飛行時(shí)間短，具備高能致命性。通過使用超高電流來產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力，計(jì)劃中的海軍電磁RM軌道炮能以超過7馬赫的速度發(fā)射射彈。射彈能以5馬赫的速度很快到達(dá)大氣層以外進(jìn)行無阻力飛行，然后重回大氣層打擊目標(biāo)。美國海軍計(jì)劃最初能達(dá)到50 ～100nm的射程，隨后延長至220nm。

海軍電磁軌道炮創(chuàng)新原型（INP）項(xiàng)目由美國海軍研究局（ONR）于2005年建立，計(jì)劃2025年后能從一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室科技轉(zhuǎn)化為實(shí)用型科技。項(xiàng)目第一階段關(guān)注的是具備足夠使用壽命的發(fā)射器技術(shù)的開發(fā)，可靠的脈沖動力技術(shù)開發(fā)，以及減少射彈組件的風(fēng)險(xiǎn)等。BAE系統(tǒng)公司和通用原子公司向海軍水面作戰(zhàn)中心交付了軌道炮原型用于試驗(yàn)和評估。ONR在2013年年中向BAE系統(tǒng)公司授予了一項(xiàng)3450萬美元的合同，開始執(zhí)行INP項(xiàng)目的第二階段。第二階段開發(fā)發(fā)射機(jī)和脈沖動力技術(shù)，并將該技術(shù)提升至可達(dá)到項(xiàng)目采購級別。同時(shí)還要開發(fā)用于維持射擊速度的發(fā)射機(jī)和脈沖動力系統(tǒng)的熱能管理方法。計(jì)劃2014年提交初步原型，由BAE系統(tǒng)公司、IAP研究公司以及SAIC共同開發(fā)。

激光武器方面，美國海軍已經(jīng)于2012年在“阿爾·伯克”級（DDG51）驅(qū)逐艦“USS Dewey”號上安裝并驗(yàn)證了激光武器系統(tǒng)（LaWS）技術(shù)。在試驗(yàn)期間，LaWS成功地射中來襲的UAV目標(biāo)。美軍計(jì)劃在2014年初，基于LaWS原型，在美國海軍第五艦隊(duì)的“USS Ponce”號艦上部署固態(tài)激光武器，該武器能對抗小型無人航空器、小艇和快艇。

這些高能傳感器和高能武器對電力的需求將極大地增加，因此在這個(gè)過程中，最大的難題就是艦船上裝機(jī)功率需要有很大的發(fā)展。

下一代綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)勢

美國海軍艦船的傳統(tǒng)做法是為每一個(gè)新的武器或任務(wù)系統(tǒng)配置專用的電源。這種慣例產(chǎn)生的原因部分是因?yàn)檫@些設(shè)備通常需要有不間斷的電源，部分是因?yàn)檫@些系統(tǒng)通常會耗費(fèi)比原始設(shè)計(jì)更大的電量。然而引進(jìn)新型高能武器和任務(wù)系統(tǒng)使得艦船電力需求極大地增加了，因此這種傳統(tǒng)做法很難適應(yīng)未來的發(fā)展。采用綜合電力系統(tǒng)（IPS）成為未來艦船的發(fā)展趨勢。為了給未來IPS的發(fā)展指明方向，美國海軍啟動了下一代綜合電力系統(tǒng)（NGIPS）的研制工作。

NGIPS使得艦船電力的使用變得非常靈活，其對艦船電力自動卸載執(zhí)行兩種不同的策略，當(dāng)用電負(fù)荷超過總量時(shí)，啟動電力自動卸載，那些允許斷電5分鐘或更長時(shí)間的用電單位的電力將被卸載，同時(shí)啟動額外發(fā)電能力。如果所有可獲得的電量仍不足以滿足用電需求，則啟動任務(wù)優(yōu)先級，將優(yōu)先級最低的用電單元的電力分流至較高優(yōu)先級處。圖2對采用非綜合電力系統(tǒng)和采用綜合電力系統(tǒng)的艦船用電負(fù)荷進(jìn)行了比較，可以看出，綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)勢在于船上日常用電和任務(wù)系統(tǒng)的用電負(fù)荷可大幅增加，滿足了未來戰(zhàn)艦上安裝先進(jìn)傳感器和高能武器系統(tǒng)的需要。

除了可以支持高能任務(wù)系統(tǒng)外，NGIPS的優(yōu)勢還包括：

1、可減少原動機(jī)的數(shù)量；

2、提升原動機(jī)的效率；

3、提升推進(jìn)器的效率；

4、提高總布置的靈活性；

5、提升艦船的建造效率；

圖2 非綜合電力系統(tǒng)和綜合電力系統(tǒng)艦船的電力負(fù)荷對比

6、支持艦船的分區(qū)生存能力；

7、提升電力質(zhì)量；

8、促進(jìn)燃料電池整合；

9、可向陸地電網(wǎng)提供電力。

DDG-1000“Zumwalt”級驅(qū)逐艦

根據(jù)冷戰(zhàn)結(jié)束后美國海軍提出的“由海向陸”戰(zhàn)略的要求，曾經(jīng)計(jì)劃建造32艘DDG-1000艦和19艘CG(X)巡洋艦，兩型艦采用相同的艦體，均采用綜合電力系統(tǒng)，DDG-1000負(fù)責(zé)對陸攻擊，CG(X)負(fù)責(zé)防空反導(dǎo)。但由于美海軍戰(zhàn)略思想發(fā)生變化以及上述兩型艦建造經(jīng)費(fèi)過于龐大，最終決定將“DDG-1000”型艦的建造數(shù)量縮減至3艘，CG(X)也在2010年防務(wù)審核中被取消。該型艦中前兩艘（DDG-1000和DDG-1001）的建造合同于2008年分別被授予通用動力公司和諾普吉曼公司，2009年兩艘艦的建造相繼啟動，2013年10月DDG-1000下水，預(yù)計(jì)2016年交付，DDG-1001預(yù)計(jì)2018年交付。DDG-1000“Zumwalt”級驅(qū)逐艦號稱是美國最先進(jìn)戰(zhàn)斗艦。該艦隱身性能極佳，盡管排水量高達(dá)14000t，但雷達(dá)截面積僅相當(dāng)于一艘數(shù)百噸的漁船。另外，該艦的紅外和聲學(xué)隱身性能也很優(yōu)秀，機(jī)械噪聲水平與潛艇相當(dāng)。

動力配置方面，DDG-1000是美國首艘采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的艦艇，其綜合電力系統(tǒng)由2臺羅爾斯·羅伊斯公司36MW的MT30型主燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺羅爾斯·羅伊斯公司3.9MW的RR4500型輔助燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、2臺36MW的先進(jìn)感應(yīng)電動機(jī)、高壓和艦艇日用配電和轉(zhuǎn)化設(shè)備、控制和電力管理設(shè)備等組成。該艦的總裝機(jī)功率高達(dá)78MW，不僅使得最高航速可達(dá)到30節(jié)，而且綜合電力系統(tǒng)將艦船推進(jìn)和日常用電整合至一個(gè)統(tǒng)一的電力系統(tǒng)，從而可以自由支配全船的裝機(jī)功率，這成為軍艦建造史上的一個(gè)重大突破。

武備方面，目前艦上安裝了2座AGS先進(jìn)艦炮系統(tǒng)，AGS先進(jìn)艦炮采用62倍徑，155mm口徑的火炮，還裝備了MK-57垂直發(fā)射系統(tǒng)，近防武器系統(tǒng)為2座口徑57mm的MK-110火炮。由于總裝機(jī)功率相比DDG51級艦大了幾倍，因此該艦為未來安裝高能武器預(yù)留了空間。例如，未來可用電磁炮替換AGS先進(jìn)艦炮系統(tǒng)，用激光武器或直接火力軌道炮替換57mm口徑的火炮。

傳感器方面，DDG-1000原計(jì)劃采用一部X波段和一部S波段的“雙波段雷達(dá)”，但最終由于經(jīng)費(fèi)原因，僅采用了X波段的SPY-3有源相控陣?yán)走_(dá)。

DDG51“Flight Ⅲ”型驅(qū)逐艦的建造

隨著DDG-1000建造數(shù)量的縮減和CG(X)項(xiàng)目的取消，DDG-51導(dǎo)彈驅(qū)逐艦項(xiàng)目被重新啟動，計(jì)劃建造7艘DDG-51“Flight ⅡA”型艦，從2016財(cái)年開始，再建造3艘DDG-51“Flight Ⅲ”型艦，計(jì)劃用AMDR替代現(xiàn)有的SPY-1D(V)雷達(dá)，AMDR是DDG-51“Flight Ⅲ”艦大量電力需求的關(guān)鍵驅(qū)動。按照計(jì)劃，AMDR在2017年開始小批量生產(chǎn)，將部署在2016年開工建造的DDG51“Flight Ⅲ”型驅(qū)逐艦上。NAVSEA已在2013年10月授予雷神公司一項(xiàng)價(jià)值3.857億美元的合同，對S波段AMDR和相關(guān)的雷達(dá)套裝控制器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)、制造設(shè)計(jì)、開發(fā)、整合、試驗(yàn)，并最終交付。通用動力先進(jìn)信息系統(tǒng)（GD-AIS）公司是雷神公司AMDR項(xiàng)目的分包商，為AMDR提供所有的后端處理，包括所有數(shù)據(jù)接收器勵(lì)磁機(jī)、頻率合成器以及功率轉(zhuǎn)換器。動力管理是一個(gè)很大的領(lǐng)域，GD-AIS已花了幾年時(shí)間研究如何滿足AMDR的需求，功率是其中一個(gè)很大的部分。盡管由于洛克馬丁公司的抗議，海軍下發(fā)了停止工作命令，但2014年1月14日，政府駁回了洛克馬丁公司提出的抗議，繼續(xù)執(zhí)行合同。

全功率運(yùn)行時(shí)，AMDR約需要1.5MW的電力，幾乎是目前的SPY-1D(V)陣列的3倍，因此需要的冷卻能力也更大。這意味著“Flight Ⅲ”型艦需要在（下同）發(fā)電能力上有一個(gè)提升，從3臺3MW的發(fā)電機(jī)組增至3臺4MW發(fā)電機(jī)組，電壓也更高，從450V到4160V，并且需要新的空調(diào)裝置，用5臺300化冰噸的裝置替代5臺200化冰噸的裝置，但尺寸和重量大致相同。

當(dāng)兩臺發(fā)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，“Flight ⅡA”艦約產(chǎn)生5.7MW的可用電力，所有船上用電和作戰(zhàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的全負(fù)荷狀況大約需消耗4MW多的電力。在“Flight Ⅲ”上，兩臺發(fā)電機(jī)預(yù)計(jì)可產(chǎn)生約7.6MW電力，船舶的全負(fù)荷電量為5.8 ～5.9MW。這為將來艦上搭載其他新型武器和其他負(fù)載留出了空間。

對于“Flight Ⅲ”艦，也在考慮采用混合電力推進(jìn)系統(tǒng)。實(shí)際上美國海軍已經(jīng)有了在現(xiàn)有“Flight ⅡA”艦上采用混合電力推進(jìn)的設(shè)計(jì)方案。不過該方案不會直接運(yùn)用到“Flight Ⅲ”上?！癋light ⅡA”艦上布置混合電動機(jī)所需的電控設(shè)備的位置，在“Flight Ⅲ”艦上布置了一個(gè)4160V配電盤，因此如果采用相同的設(shè)計(jì)，“Flight Ⅲ”艦上沒有空間布置電控設(shè)備。其他可行方案有加大甲板室空間，或重新布置，將配電盤和電控設(shè)備布置在一起。這兩種方案均將提高造價(jià)，因此需要考慮這部分投資與采用混合電力推進(jìn)所節(jié)省費(fèi)用相比是否合算。當(dāng)然混合電力推進(jìn)不僅節(jié)省燃料，還能提升艦船綜合能力?！癋light Ⅲ”的綜合推進(jìn)設(shè)計(jì)方案計(jì)劃于2016財(cái)年完成。

海軍電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖

2007年NAVSEA成立一個(gè)專門的機(jī)構(gòu)，電力艦船辦公室（PMS 320），職責(zé)是協(xié)調(diào)并發(fā)展艦隊(duì)的電力和推進(jìn)技術(shù)。同年NAVSEA發(fā)布了第一版“下一代綜合電力系統(tǒng)的技術(shù)路線圖”。至2013年，2007版路線圖中提出的69個(gè)任務(wù)中的35個(gè)已經(jīng)完成、正在進(jìn)行或計(jì)劃中。2013年P(guān)MS 320發(fā)布了第二版“海軍電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖”，并在部署/操作、信息情報(bào)、火力、后勤和作戰(zhàn)服務(wù)支持、指揮控制和自我保護(hù)等六個(gè)方面提出了作戰(zhàn)任務(wù)要求，其中當(dāng)前要解決的任務(wù)是需在艦上安裝先進(jìn)的武器和先進(jìn)的傳感器以及提升能源安全。2013年版路線圖根據(jù)美國海軍戰(zhàn)略指導(dǎo)思想的變化進(jìn)行了若干調(diào)整，與2007年版相比，主要區(qū)別在于：

1、艦船建造計(jì)劃有所變更，如CG（X）巡洋艦項(xiàng)目取消，重啟DDG 51，DDG（X）延遲至2031財(cái)年。

2、關(guān)注重點(diǎn)發(fā)生變化，現(xiàn)階段的重點(diǎn)轉(zhuǎn)為能源效率和能源安全。

3、將高能武器和傳感器的開發(fā)轉(zhuǎn)為部署到現(xiàn)有艦隊(duì)中。

4、艦船任務(wù)發(fā)展為導(dǎo)彈防御和反介入/區(qū)域封鎖（A2AD）。

5、2007年版路線圖計(jì)劃通過新建造艦隊(duì)實(shí)現(xiàn)綜合電力系統(tǒng)的開發(fā)完善，而2013年版則側(cè)重于對現(xiàn)有艦船進(jìn)行改造，在現(xiàn)有艦隊(duì)中引入新的任務(wù)系統(tǒng)。

圖3 海軍電力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖

NGIPS的開發(fā)采用開放式的模式，整個(gè)NGIPS模塊被分成六個(gè)子模塊，可以分別被授予不同的公司或機(jī)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)研制。這六個(gè)子模塊分別是：

電力產(chǎn)生模塊：將燃料轉(zhuǎn)化為電力;

電力分配模塊：包括接電裝置和電纜;

電力轉(zhuǎn)換模塊：將電力從一種電壓/頻率轉(zhuǎn)化為另一種;

能量儲存模塊：儲存電力系統(tǒng)提供的和提供給電力系統(tǒng)的能量;

電力載荷：使用電力;

系統(tǒng)控制模塊：包括必要的軟件對電力系統(tǒng)進(jìn)行操作。

圖4 NGIPS技術(shù)結(jié)構(gòu)和相互的關(guān)系

NGIPS開發(fā)中面臨的挑戰(zhàn)主要有五個(gè)方面：一是與美國海軍現(xiàn)有艦上環(huán)境的兼容性；二是獨(dú)特的操作模式；三是確定艦船動力系統(tǒng)，包括電力構(gòu)架、電力系統(tǒng)參數(shù)（頻率、電壓、載荷特性、配電系統(tǒng)布置和系統(tǒng)整合）、用電中斷/主要和次要載荷等；四是技術(shù)規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)；五是時(shí)間節(jié)點(diǎn)的要求。

事實(shí)上，由于美國海軍的綜合電力系統(tǒng)開發(fā)發(fā)生了重大的變化，特別是縮減DDG-1000的建造和重啟DDG-51的建造已經(jīng)對路線圖的時(shí)間節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了顯而易見的影響。目前，隨著新建艦船越來越少，開發(fā)的重點(diǎn)放在對海軍現(xiàn)有水面艦船的升級改造上，包括激光和高能無線電頻率傳感器/效應(yīng)器在內(nèi)的新任務(wù)載荷，將部署在擁有電力系統(tǒng)的艦船上。現(xiàn)階段綜合電力系統(tǒng)發(fā)展將主要采用60Hz，13.8kV、4160V或450V的中壓交流或低壓交流電力系統(tǒng)。