全电推进战舰的革命,美国最科幻战舰第一个吃螃蟹,已取得突破

特斯拉"的横空出世,让以电动为代表的新能源车开始了与传统汽车争抢饭碗的时代。估计谁也不会想到,军舰如此一个庞大的钢铁巨物,也紧随着开启了探索全电动的时代。

一、全电动的先行者

目前曝光率比较高的当属美国和英国。美国尝试在朱姆沃尔特级驱逐舰上试验电力驱动的可能。毕竟这是"梦幻战舰",什么样的高科技用在她的身上都不为过。

不过比较讽刺的是,朱姆沃尔特级之所以尝试电力推动,主要是因为科幻船体重新设计了发动机的安放方式,导致传统变速器非常不配合工作,引发了损耗及安全等方面的问题,不得不变成全电推动。

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而与之不同的是,英国早在45型导弹驱逐舰设计时就定下了电力推动的基调。军舰选用了劳斯莱斯公司的WR-21间冷回热燃气轮机,配合全电设备组成了推进系统。当时这套设计可以说站在了食物链的顶端。

不过更可笑的是,工程师们可能不相信自己国家的军舰能够远航,于是设计的WR-21燃气轮机对温度非常敏感。在处于温带海洋性气候的大不列颠区域尚且能正常工作,待进入热带之后,高温就让WR-21趴窝了,导致英国不得不重新招标选定其他燃气轮机。

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但作为全电动的先驱者,暂时的窘境并没有阻挡他们的步伐。尤其是美国,海军中将托马斯·摩尔曾公开表示:必须继续发展大功率电力推动系统,系统不仅要适用于普通舰艇,也要能够装备大型军舰。目前俄罗斯和中国正在全力发展相关技术,有些甚至已经成为行业的新标准,美国必须跟上这样的步伐。

二、共享充电宝

目前,军舰的电力推动方式如同电动汽车一样,也分为舰船版的"纯电"和"混动"。一种是由柴油电力和燃气轮机的联合推进系统;另一种则是柴油电力或燃气轮机的机电混合推进。

后者的设计与汽车"混动"类似,电力推进和燃气轮机产生的动力相辅相成,减少了燃气机的停滞频率,从而降低了燃油消耗和维护成本。朱姆沃尔特级和45型都是出于降低交付成本和后期保修费用的目的,才重点研究电力推动的。

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当然,需要用电的不仅仅只有推进系统,武器、传感器、舰载电子战系统都需要用电。这些设备堆积在一起所需要的电量已经超过了上个世纪人们的见识范畴。

尤其是激光武器,基本上可以默认成各国海军在未来的标准装备。她被设想为对抗不对称攻击,包括来袭的无人飞机和小型攻击舰船。而更加先进的电磁轨道炮未来极有可能顶替掉导弹的位置。

因此,如何对电能进行管理,让军舰可以在正常行驶的状态下保持优秀的作战性能,这是一门十分复杂的学问。目前有专家提出:高密度的蓄能装置应与发电机采取平衡分布式布局,以应对电能使用和负载压力。正常使用时,系统不能超载;进入战斗状态,又必须满足对能源的频繁需求。

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设计师在军舰上安装了很多"充电宝",用来储备电能。这些电池并不集中放置在某个舱室,而是分成若干个单元分散到各处。这样的安排有诸多好处。

首先,在遇到武力或者网络攻击时,分散的电池可以保证全舰电力的稳定性和可恢复性。攻击可能会减缓部分电力供应,但无法将其全部切断。

其次,分散式布局也增加了电机控制的灵活性,使电源和"充电宝"们可以随时根据需求进行自由更改。比如专门用于供应舰载武器的和保持全舰系统正常工作的电池,还有保障军舰推动用电的,都可以根据情况自由进行搭配和切换,这样反过来也提高了舰船的生存能力。

最后,由于这些"充电宝"们可以自由调配,这也使得军舰之间的"共享发电"成为了可能。常规舰队必须有供给船跟着保证后勤,而全电力时代谁都可以成为供给船,无非是把自己的电池传给别人罢了,这样也减少了战时后勤的压力。

三、现实问题

无论未来展望地多么美好,但是现实还是很残酷的。军方与科研公司都认为,目前电力推进系统的研发需要循序渐进,一步一个脚印。

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但越来越多的人们相信,电磁轨道炮和激光系统等高能武器,将在10年内应用到战场上。然而它们都需要在以毫秒为单位的时间内达到兆瓦级的峰值功率。

这就需要具有冷、热管理能力的专用大功率转换器和大量的电力来支持高脉冲负载。专家们试图用旋转机械将高脉冲稳定在一个频率上,但现在的科学技术还无法保证持续性。

马上就要服役的高耗能武器、暂时无法突破的能量管控,再加上遥遥无期的全电力推动,怪不得在2018年的美国海军装备研讨会上,海军代表苦涩地开着玩笑:"我们用不用在军舰上建一座发电厂?"

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与能量管控相比,更急于解决的还有电力储存。专家正在利用电磁学的知识研发低阻抗的能量存储电池。原则上军舰可以将电池作为"充电宝",可是因为技术限制,效率和可靠性都成为问题。电流发生器在连续负载下运行,不能足够快速和动态地响应,这就意味着需要一种新型高效能源存储方式。

此外,传统的舰船系统工程方法是将武器、舰载系统和动力都集成在一个电气体系平台中,这就带来了维护高的成本、后勤补给的复杂和冗余空间的缺乏等问题。

四、电力船舶系统工程

舰船的电力革命一个非常系统的工程,在技术上实现突破同时,思维上也要做出响应的改变。目前无论英国还是美国都不会对现役主力舰艇进行改装。大家都在等待一套成熟的变革制度。

有专家指出,现在的海军技术人员和海军工程师都知道综合电力系统,但知道的知识并不深入。目前拥有相关知识背景、并且接触过先进工作流程、知道设计标准和规范的人才太少。

在电动战舰确定到来的今天,海军工程师需要接受详细的培训,才能够熟悉战舰在复杂环境中面临的各种问题。

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未来的动力和能源创新,已经在民用和军事领域兴起。其趋势包括日益复杂的电力系统操作软件、电力驱动、自主和无人系统。这些系统有望塑造海军能源使用的未来。为了利用这些新兴技术,海军和舰船系统集成商都在创新思维,即如何利用技术来获得与电力操作相关的成本效益,操作的灵活性和作战的优势。

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要实现这一目标就必须培养一批具有知识和技能的工程技术骨干,以处理全船的机械、电气、控制系统设计和继承相关的复杂问题。这些都是实现全电动传播设计远景的最大障碍。

目前有些消息证明,美国已经在相关技术上出现了突破,正计划对1万吨以上的现役驱逐舰进行改装。


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