美国海军新一代综合电力系统

李 源

2006年，时任美国海军海上系统司令部（NAVSEA）副司令曾说过：军舰向全电力化和高能化发展如同100年前能源从煤炭发展为石油一样具有革命性的意义。而在此之前，美国海军就有了一个清晰的观点，要将下一代的高能传感器和高能武器整合到未来的水面战斗舰上。这些高能传感器和高能武器主要包括：先进的空中和导弹防御雷达（AMDR）、 新型电子战系统、电磁轨道炮和激光武器。

即将列装的高级武器

AMDR是一型性能优异的雷达，基于由多氮化镓传输/接收模块组成的阵列。AMDR通过提高功率、灵敏度和对自然、环境的耐受度，来提供优异的确定潜在目标的能力，3倍的功率输入可得到约35倍的功率输出，但同时耗电量也大增。随水面电子战改进项目（SEWIP）Block 3一起引进的新型电子战系统，预计将与AMDR同时间应用，也需要消耗大量电力。NAVSEA目前正在组织SEWIP Block 3的竞标，于2014年上半年确定合同商。

图1 各种高级武器系统所需的电力

同时，美国海军还计划开发新型武器系统，包括用于进攻和防御的电磁轨道炮和激光武器。普遍认为高能电磁轨道炮是一种可以彻底改变海军攻击作战的武器系统，它是一种超高速射弹，精确度极高并且射程更长。电磁轨道炮克服了常规舰炮的限制，常规舰炮采用爆炸性的化学推进物，使得弹头必须沿着舰炮的长度发射出去。而电磁轨道炮射程长、飞行时间短，具备高能致命性。通过使用超高电流来产生强大的电磁力，计划中的海军电磁RM轨道炮能以超过7马赫的速度发射射弹。射弹能以5马赫的速度很快到达大气层以外进行无阻力飞行，然后重回大气层打击目标。美国海军计划最初能达到50 ～100nm的射程，随后延长至220nm。

海军电磁轨道炮创新原型（INP）项目由美国海军研究局（ONR）于2005年建立，计划2025年后能从一项实验室科技转化为实用型科技。项目第一阶段关注的是具备足够使用寿命的发射器技术的开发，可靠的脉冲动力技术开发，以及减少射弹组件的风险等。BAE系统公司和通用原子公司向海军水面作战中心交付了轨道炮原型用于试验和评估。ONR在2013年年中向BAE系统公司授予了一项3450万美元的合同，开始执行INP项目的第二阶段。第二阶段开发发射机和脉冲动力技术，并将该技术提升至可达到项目采购级别。同时还要开发用于维持射击速度的发射机和脉冲动力系统的热能管理方法。计划2014年提交初步原型，由BAE系统公司、IAP研究公司以及SAIC共同开发。

激光武器方面，美国海军已经于2012年在“阿尔·伯克”级（DDG51）驱逐舰“USS Dewey”号上安装并验证了激光武器系统（LaWS）技术。在试验期间，LaWS成功地射中来袭的UAV目标。美军计划在2014年初，基于LaWS原型，在美国海军第五舰队的“USS Ponce”号舰上部署固态激光武器，该武器能对抗小型无人航空器、小艇和快艇。

这些高能传感器和高能武器对电力的需求将极大地增加，因此在这个过程中，最大的难题就是舰船上装机功率需要有很大的发展。

下一代综合电力系统的优势

美国海军舰船的传统做法是为每一个新的武器或任务系统配置专用的电源。这种惯例产生的原因部分是因为这些设备通常需要有不间断的电源，部分是因为这些系统通常会耗费比原始设计更大的电量。然而引进新型高能武器和任务系统使得舰船电力需求极大地增加了，因此这种传统做法很难适应未来的发展。采用综合电力系统（IPS）成为未来舰船的发展趋势。为了给未来IPS的发展指明方向，美国海军启动了下一代综合电力系统（NGIPS）的研制工作。

NGIPS使得舰船电力的使用变得非常灵活，其对舰船电力自动卸载执行两种不同的策略，当用电负荷超过总量时，启动电力自动卸载，那些允许断电5分钟或更长时间的用电单位的电力将被卸载，同时启动额外发电能力。如果所有可获得的电量仍不足以满足用电需求，则启动任务优先级，将优先级最低的用电单元的电力分流至较高优先级处。图2对采用非综合电力系统和采用综合电力系统的舰船用电负荷进行了比较，可以看出，综合电力系统的优势在于船上日常用电和任务系统的用电负荷可大幅增加，满足了未来战舰上安装先进传感器和高能武器系统的需要。

除了可以支持高能任务系统外，NGIPS的优势还包括：

1、可减少原动机的数量；

2、提升原动机的效率；

3、提升推进器的效率；

4、提高总布置的灵活性；

5、提升舰船的建造效率；

图2 非综合电力系统和综合电力系统舰船的电力负荷对比

6、支持舰船的分区生存能力；

7、提升电力质量；

8、促进燃料电池整合；

9、可向陆地电网提供电力。

DDG-1000“Zumwalt”级驱逐舰

根据冷战结束后美国海军提出的“由海向陆”战略的要求，曾经计划建造32艘DDG-1000舰和19艘CG(X)巡洋舰，两型舰采用相同的舰体，均采用综合电力系统，DDG-1000负责对陆攻击，CG(X)负责防空反导。但由于美海军战略思想发生变化以及上述两型舰建造经费过于庞大，最终决定将“DDG-1000”型舰的建造数量缩减至3艘，CG(X)也在2010年防务审核中被取消。该型舰中前两艘（DDG-1000和DDG-1001）的建造合同于2008年分别被授予通用动力公司和诺普吉曼公司，2009年两艘舰的建造相继启动，2013年10月DDG-1000下水，预计2016年交付，DDG-1001预计2018年交付。DDG-1000“Zumwalt”级驱逐舰号称是美国最先进战斗舰。该舰隐身性能极佳，尽管排水量高达14000t，但雷达截面积仅相当于一艘数百吨的渔船。另外，该舰的红外和声学隐身性能也很优秀，机械噪声水平与潜艇相当。

动力配置方面，DDG-1000是美国首艘采用综合电力推进系统的舰艇，其综合电力系统由2台罗尔斯·罗伊斯公司36MW的MT30型主燃气轮机发电机组、2台罗尔斯·罗伊斯公司3.9MW的RR4500型辅助燃气轮机发电机组、2台36MW的先进感应电动机、高压和舰艇日用配电和转化设备、控制和电力管理设备等组成。该舰的总装机功率高达78MW，不仅使得最高航速可达到30节，而且综合电力系统将舰船推进和日常用电整合至一个统一的电力系统，从而可以自由支配全船的装机功率，这成为军舰建造史上的一个重大突破。

武备方面，目前舰上安装了2座AGS先进舰炮系统，AGS先进舰炮采用62倍径，155mm口径的火炮，还装备了MK-57垂直发射系统，近防武器系统为2座口径57mm的MK-110火炮。由于总装机功率相比DDG51级舰大了几倍，因此该舰为未来安装高能武器预留了空间。例如，未来可用电磁炮替换AGS先进舰炮系统，用激光武器或直接火力轨道炮替换57mm口径的火炮。

传感器方面，DDG-1000原计划采用一部X波段和一部S波段的“双波段雷达”，但最终由于经费原因，仅采用了X波段的SPY-3有源相控阵雷达。

DDG51“Flight Ⅲ”型驱逐舰的建造

随着DDG-1000建造数量的缩减和CG(X)项目的取消，DDG-51导弹驱逐舰项目被重新启动，计划建造7艘DDG-51“Flight ⅡA”型舰，从2016财年开始，再建造3艘DDG-51“Flight Ⅲ”型舰，计划用AMDR替代现有的SPY-1D(V)雷达，AMDR是DDG-51“Flight Ⅲ”舰大量电力需求的关键驱动。按照计划，AMDR在2017年开始小批量生产，将部署在2016年开工建造的DDG51“Flight Ⅲ”型驱逐舰上。NAVSEA已在2013年10月授予雷神公司一项价值3.857亿美元的合同，对S波段AMDR和相关的雷达套装控制器进行工程设计、制造设计、开发、整合、试验，并最终交付。通用动力先进信息系统（GD-AIS）公司是雷神公司AMDR项目的分包商，为AMDR提供所有的后端处理，包括所有数据接收器励磁机、频率合成器以及功率转换器。动力管理是一个很大的领域，GD-AIS已花了几年时间研究如何满足AMDR的需求，功率是其中一个很大的部分。尽管由于洛克马丁公司的抗议，海军下发了停止工作命令，但2014年1月14日，政府驳回了洛克马丁公司提出的抗议，继续执行合同。

全功率运行时，AMDR约需要1.5MW的电力，几乎是目前的SPY-1D(V)阵列的3倍，因此需要的冷却能力也更大。这意味着“Flight Ⅲ”型舰需要在（下同）发电能力上有一个提升，从3台3MW的发电机组增至3台4MW发电机组，电压也更高，从450V到4160V，并且需要新的空调装置，用5台300化冰吨的装置替代5台200化冰吨的装置，但尺寸和重量大致相同。

当两台发电机同时工作时，“Flight ⅡA”舰约产生5.7MW的可用电力，所有船上用电和作战系统运行时的全负荷状况大约需消耗4MW多的电力。在“Flight Ⅲ”上，两台发电机预计可产生约7.6MW电力，船舶的全负荷电量为5.8 ～5.9MW。这为将来舰上搭载其他新型武器和其他负载留出了空间。

对于“Flight Ⅲ”舰，也在考虑采用混合电力推进系统。实际上美国海军已经有了在现有“Flight ⅡA”舰上采用混合电力推进的设计方案。不过该方案不会直接运用到“Flight Ⅲ”上。“Flight ⅡA”舰上布置混合电动机所需的电控设备的位置，在“Flight Ⅲ”舰上布置了一个4160V配电盘，因此如果采用相同的设计，“Flight Ⅲ”舰上没有空间布置电控设备。其他可行方案有加大甲板室空间，或重新布置，将配电盘和电控设备布置在一起。这两种方案均将提高造价，因此需要考虑这部分投资与采用混合电力推进所节省费用相比是否合算。当然混合电力推进不仅节省燃料，还能提升舰船综合能力。“Flight Ⅲ”的综合推进设计方案计划于2016财年完成。

海军电力系统技术发展路线图

2007年NAVSEA成立一个专门的机构，电力舰船办公室（PMS 320），职责是协调并发展舰队的电力和推进技术。同年NAVSEA发布了第一版“下一代综合电力系统的技术路线图”。至2013年，2007版路线图中提出的69个任务中的35个已经完成、正在进行或计划中。2013年PMS 320发布了第二版“海军电力系统技术发展路线图”，并在部署/操作、信息情报、火力、后勤和作战服务支持、指挥控制和自我保护等六个方面提出了作战任务要求，其中当前要解决的任务是需在舰上安装先进的武器和先进的传感器以及提升能源安全。2013年版路线图根据美国海军战略指导思想的变化进行了若干调整，与2007年版相比，主要区别在于：

1、舰船建造计划有所变更，如CG（X）巡洋舰项目取消，重启DDG 51，DDG（X）延迟至2031财年。

2、关注重点发生变化，现阶段的重点转为能源效率和能源安全。

3、将高能武器和传感器的开发转为部署到现有舰队中。

4、舰船任务发展为导弹防御和反介入/区域封锁（A2AD）。

5、2007年版路线图计划通过新建造舰队实现综合电力系统的开发完善，而2013年版则侧重于对现有舰船进行改造，在现有舰队中引入新的任务系统。

图3 海军电力系统技术发展路线图

NGIPS的开发采用开放式的模式，整个NGIPS模块被分成六个子模块，可以分别被授予不同的公司或机构进行单独研制。这六个子模块分别是：

电力产生模块：将燃料转化为电力;

电力分配模块：包括接电装置和电缆;

电力转换模块：将电力从一种电压/频率转化为另一种;

能量储存模块：储存电力系统提供的和提供给电力系统的能量;

电力载荷：使用电力;

系统控制模块：包括必要的软件对电力系统进行操作。

图4 NGIPS技术结构和相互的关系

NGIPS开发中面临的挑战主要有五个方面：一是与美国海军现有舰上环境的兼容性；二是独特的操作模式；三是确定舰船动力系统，包括电力构架、电力系统参数（频率、电压、载荷特性、配电系统布置和系统整合）、用电中断/主要和次要载荷等；四是技术规格和标准的开发；五是时间节点的要求。

事实上，由于美国海军的综合电力系统开发发生了重大的变化，特别是缩减DDG-1000的建造和重启DDG-51的建造已经对路线图的时间节点产生了显而易见的影响。目前，随着新建舰船越来越少，开发的重点放在对海军现有水面舰船的升级改造上，包括激光和高能无线电频率传感器/效应器在内的新任务载荷，将部署在拥有电力系统的舰船上。现阶段综合电力系统发展将主要采用60Hz，13.8kV、4160V或450V的中压交流或低压交流电力系统。