美国全电力战舰发展现状及展望

欧阳华，钱 美，夏 立

(海军工程大学电气与信息工程学院，湖北 武汉 430033)

0 引言

综合电力系统(Integrated Power System，IPS)舰船，也称为全电力战舰(All Electric Warship，AEW)是海军发展的新趋势。传统舰船的动力系统和电力系统是相对独立的，动力系统通常由常规的热机和其他机械装置构成，电力系统一般是作为辅助能源，与舰船推进并没有直接关联。将电力系统与推进系统相结合形成舰船电力推进是最近几十年发展的新技术。综合电力系统是将舰船发供电与推进用电、舰载设备用电集成在一个统一的系统内，从而实现发电、配电与电力推进用电及其他设备用电统一调度和集中控制［1］。

综合电力系统能给飞机电磁弹射器(EMALS)、电磁轨道炮(EMRG)等高等武器提供足够的电力供应，降低舰艇平台全寿命周期费用。随之而来的，是对高电压分布系统(AC或DC)、高密能量转换模块、高速高密能量生成模块、能量存储模块的技术需求，以及在正确时间将可获得的能量和功率分配给正确负载的监测和控制技术的需求。这也正是美国“海军后下一代”全电力战舰的目标［2］。下面将介绍美国全电力战舰发展历史、现状，未来的发展方向和应对于高能量和高功率的需求而面临的技术挑战。

1 电力舰船的发展历程

电力推进作为船舶推进方式之一，已经有近百年历史，经历了二战前的新兴期，二战后到70年代末的萧条期和80年代后的蓬勃发展期。二战之前，电力推进曾出现过一段流行期，多采用直流推进技术，主要用于工程船舶及潜艇上［3－4］。运煤船“朱比特”号(1913年)是电力推进技术的第1个主要测试平台。随后作为技术示范，在第一艘航空母舰“兰利”号(1922年)上使用了汽轮机，并采用电力驱动马达。在“朱比特”号退役2年后，使用汽轮机和电力驱动马达来推进4个转动轴的战列舰“新墨西哥”号(1918年)下水。在当时，电力驱动比其他方式能提供更好的能源利用效率。“新墨西哥”号是美国海军的第1艘全电力舰船，但它不是综合电力驱动。二战后，由于遭到了重量限制的国际威胁，重量更轻的齿轮机械驱动模式是海军设计新型战斗舰的首选，电力推进在整个船舶推进领域中的发展受到限制。20世纪80年代以来，随着电力电子技术的迅速发展，大功率交流电机变频技术日益成熟，电力推进技术得到迅速发展，其应用领域已扩展到旅游船、水面战舰、各种工程船和油货轮等，显示出广阔的市场前景。

2 全电力战舰发展现状

最近30年间，舰船功率需求已形成从推进功率占主要地位，到高能武器和探测器变为舰上最大的功率消耗者的趋势，而且该上升趋势有望继续。美国海军海上系统指挥部的预先发展水面机械计划(ASMP)一直集中于发展舰船推进、电力和控制系统，其目的是在满足舰船各方面性能要求的同时，大大减少采购费用和全寿命周期费用［5］。

作为技术投资的结果，美国海军有3个全电力战舰的试验平台:“马丁岛”号(LHD－8)两栖攻击舰(2006年)，“刘易斯和克拉克”号(T－AKE－1)系列航行补给舰(2006年)和“朱姆沃尔特”(DDG－1000)导弹驱逐舰(2014年)，如图1所示。

“马丁岛”号(LHD－8)是黄蜂级两栖攻击舰系列的最后一类，它和蒸汽推进的“硫磺岛”级(LHD－7)完全不同，“马丁岛”号以燃气涡轮机(LM2500)作为主发电机，和日常用电柴油发电机组合，统一进行电力分配。当舰船以低于13 kn的速度行驶时，采用5 000马力的感应电机驱动;当舰船以13 kn至全速行驶时，采用LM2500燃气涡轮机作为电力汽轮机驱动。采用该混合电力驱动方式后，全年可以节省200万美元，并可减少对中东石油的依赖性。T－AKE和DDG－1000都采用了全综合电力系统，二者的不同之处在于:T－AKE是根据商业用途建造和组装的，其全寿命周期费用更低;DDG－1000则出于军事目的建造，其全舰装机容量高达78 MW，将于2014年下水。

图1 当前的综合电力舰船Fig.1 Today's integrated electric ships

3 海军下一代舰船开发目标和面临的挑战

虽然美海军第一代电力驱动和“综合平台”取得了一定成效，当代海军和下一代海军仍面临如下挑战或者说是机遇:① 减少对石油的依赖性;② 满足功率增长的需求;③理解并控制费用。

美海军助理海军部长(研究、开发和收购)(ASN RD＆A)在2007年11月特批成立了电力舰船办公室(Electric Ships Office，ESO)。ESO将和美国海军研究局(ONR)共同投资下一代综合电力系统(NGIPS)，并在ONR已开发成熟的产品中注入先进的技术，以迎接上述3个挑战。下面结合ONR现有成熟产品和技术，简要介绍美海军综合电力技术的研究方向。

3.1 混合电力/机械驱动

DDG－51战舰编队的推进器由4个20 MW的LM2500燃气涡轮发动机(GTM)驱动，在每个轴承各有2个GTM，并通过组合减速齿轮与螺旋推进器轴承相连接。另有3个提供日常服务的燃气涡轮发电机(SSGTG)，每个3 MW，用以提供舰船的全部电气负载用电。标准的操作流程是至少启动2个SSGTG，第3个SSGTG作为某一SSGTG维护或伤亡时备用。

提高推进器和发电站效率的改进方法是采用混合电力驱动(Hybrid electro-mechanical drive，HED)。HED将电力机械综合入推进系统:在推进模式，电力机械既能作为推进马达(在低推进速度)运行，也能作为发电机运行(高速度);在发电机模式，马达能将电力功率馈入配电系统，以便将能量提供给舰船推进功率系统(PDSS)或位于其他螺旋轴上电力马达。实现上述HED的概念可以有如下4种配置［6］:

1)基本混合电力驱动(EPS);

2)带有4 MW的SSGTG的升级基本HED(EPS);

3)带有舰船推进功率系统的EPS(EPS+PDSS);

4)电力推进+PDSS+4 MW SSGTG。

在EPS模式中，HED提供2个螺旋轴承的推进动力，小型SSGTG供应电力供应，使得大容量的燃气涡轮主引擎(GTM)能专注于推进。EPS采纳利用了HED的燃油经济性，并具备附加发电潜能，以便提供容量给未来的武器和传感器。在PDSS结构中，通过HED推进系统向舰船日常用电系统提供电力。这种模式允许“单发电机工况”，这时仅仅1个SSGTG在工作，而不是2个。PDSS模式能使SSGTG充分加载，因此能显著改进引擎的燃油消耗。EPS和PDSS的组合改进引擎的燃油消耗的效果更为明显，省油率超过10%，并有进一步提升的潜力。

3.2 带能量存储的单发电机工况

DDG－51战舰编队的标准发电模式通常是至少运行2台SSGTG，减少了由于1台GTG故障而导致日常供电失电的危险。虽然该模式保证了电力供应的稳定性，但SSGTG偏离了设计的最佳工作点，牺牲了效率，并增加了每个SSGTG的工作时间。在单个发电机(SGO)负载低于50%的低强度工况下，燃气涡轮每单个循环的特定燃油消耗量急剧增加，这给通过最小化引擎工作时间以改进燃油消耗提供了潜在可能。计算得到，在DDG－51系列舰中SGO的使用将带来大约7 600～8 500 bbl/ship/yr的潜在的燃油节约。

为了保证能给重要负载提供持续的电力，要求在持续的航行中电力供应的瞬时转换不会造成电力供应中断。GTG的设计性能为在60 s内从启动到满载，这就需要能量存储模块(EMS)。EMS需要一定的尺寸以维持1 min内关键舰船负载供电;同时也需要设计成高能量密度模块，以便允许灵活地重复安装或配置。不同负载的优先等级不同，这种分等级为负载提供电力的控制策略属于电力供应质量(QOS)的概念。

3.3 密集电能转换

密集电能转换技术使能容量(EC)工程是美国海军研究局发起的关键开发模块和技术。EC技术与下一代综合电力系统核心产品有关，这些类核心产品有:多功能电能转换器、双向电能控制模块、电能管理控制器(高级能量管理)等。该项目预期在2012年完成，其产品成熟度预期能达到TRL6。

多功能电能转换器的目标在于改进与高能固态转换设备相关的3项关键度量标准——能量密度、电能质量和转换效率。双向电能控制模块开发致力于以上述3项关键度量标准为基础，在海军分布式电力系统中添加提供双向能量流的能力。双向电能流被认为是下一代电力系统的关键能力，能增加操作有效性、系统生存能力和动态能量管理。能量管理将研究电能管理概念，使下一代电力系统与双向能量流相适应，并提供能量从源到多个高能负载运动的稳定、快速方法。

3.4 近期先进武器和传感器

上述电力电子技术开发的主要驱动力是先进武器和传感器的引入。先进武器和传感器相关技术与电力技术本身共同革新，模糊了武器和电力系统的区别。电磁轨道炮和自由电子激光器早在10年前就已经出现，其他合成高能的武器和传感器系统，如激光武器系统(LaWS)、空中和导弹防御雷达(AMDA)是最近引入的。这些系统将汲取高达兆瓦级的功率，因此更需要综合电力系统。LaWS是基于固态光纤技术的自防御系统，该系统于2006年在Sandia国家实验室和海军水面作战中心展示，2009年原理样机通过测试，并正在从演示验证和原理样机阶段迅速向可配置能力转化，预计2016年可以上战场。

AMDA作为瞄准未来海军弹道导弹防御(BMD)能力的武器而开发。其主动定相阵列对雷达和舰船电力设计提出了挑战。首先，大量分布式固态放大器需要提供异常清洁的能源;其次，为了提供足够的探测范围，这些设备需要高功率供给。AMDA将在未来的DDG－51编队服役，在正常工况下将汲取大约2.5 MW的功率，预期2010年能实现原型化。

4 海军后下一代舰船开发目标和挑战

海军当前和下一代舰船致力于减少对石油的依赖性、满足更大的装舰功率需求、理解并控制舰船费用。不同于减少能源或运行费用，美海军后下一代目标在于达到上述目标时所作的技术努力:给出创新海军原型(INPs)，包括自由电子激光器(FEL)、电磁轨道炮(EMRG)和电力舰船;为了提升竞争力、控制预算和技术更新而提供开放商业结构模型。

4.1 创新海军原型

ONR认为对提供高超音速、定向能量武器和高脉冲及持续服务雷达和传感器的需求终有一天会得到理解，并一直致力于预先瞄准新技术挑战。ONR已经对海军后下一代FEL INP投资。在战场环境中，在FEL上舰之前，首先要克服一些障碍和挑战。这些障碍和挑战包括激光束的质量、需要维持的极端真空和温度参数、在舰船受海洋而产生的摆动、倾斜、偏航等冲击状态确保平滑的、均衡的激光束的稳定性和清晰度。海军研究委员会(NCSB)赞成EMRG INP下一阶段的开发计划。EMRG的技术问题包括脉冲形成网络(PFN)的电力供应、轨道生命力和重复速率等。

4.2 开放商业结构模型

PC的USB接口就是开放结构(OA)。通过简化特定的输入/输出(I/O)参数和规范USB接口，所有的外围设备可以被任意PC使用，只要该PC有1个USB接口，并且该连接符合可与USB连接的指定的“接口”规范。美海军也将采用该方法采购电子组件和系统。电力舰船结构由包括发电、配电、变电、存储和负载在内的几个模块组成。这些模块两两之间存在接口。一旦接口的位置固定下来，接口的I/O规范也就能由海军下发了。工业部门之间将产生竞争，并因此增进竞争、供应能力和技术更新。

5 结语

我国舰船综合电力系统的研究从“九五”预研开始起步，并取得了一定的进展，我海军第一艘采用电力推进的军辅船已经进入技术设计阶段。但是综合电力系统的研究和实施尚有很多困难，属于多个学科综合、交叉而形成的新研究领域，是新一轮舰船技术竞争的制高点。我们应借鉴国外研究方向，大力开展关键技术和设备的研制工作和技术储备，推进我国舰船的发展。

［1］马伟明.舰船动力发展的方向——综合电力系统［J］.海军工程大学学报，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］栾胜利.船舶电力推进技术的发展［J］.船电技术，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］罗伟，孙朝晖，方斌.船舶综合电力系统研究的新进展［J］.舰船科学技术，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.