正负电极间孕育的海战革命

杨王诗剑

2017年7月30日，八一大楼，中国工程院院士、海军工程大学教授马伟明从中央军委主席习近平手中接过了代表着军队最高荣誉之一的“八一勋章”。耀眼夺目的奖章充分肯定了这位海军专业技术少将在舰船发供电领域中取得的辉煌成就，而其中最广为人知也是最引人注目的，当属舰艇综合电力推进技术。正是这项重大突破，一举实现了中国海军作战舰艇动力系统从落后到领先的巨大跨越。作为舰船动力新的技术高峰，综合电力推进技术正在迎来前所未有的变革。

理论很丰满，现实很骨感

舰船电力推进技术是相对于舰船机械推进技术而言的。舰船机械式推进是指原动机（柴油机、燃气轮机和蒸汽轮机等）通过齿轮减速机构将输出的高速动力降速后，驱动螺旋桨以低速旋转推进舰船运动。而电力推进技术，是指由原动机带动发电机组发电，再由推进电机将电能转换为机械能驱动推进器，实现舰船机动。不难发现，两种推进方式在机理上存在根本区别，机械传动装置是将燃料燃烧的热能转换为驱动螺旋桨运动的动能，而电力传动装置则是“热能-机械能-电能-机械能”的能量转化路径。理论上，电力推进比机械推进有独特的优势。

一是有利于舰艇总体布局设计。传统机械推进装置的轴系长度往往占到舰艇全长的40%左右，导致舰艇的设计长度在很大程度上取决于推进装置轴系的布置，并且主机必须安装在传动轴附近，这些就使得舰艇总体设计的优化受到一定的限制。采用电力推进后，推进装置的能量就不需要靠动力轴来传递，原动机、发电机组和推进电机可以相对独立布置，使得总体设计自由度大大增加。

二是有利于提高舰艇生存能力。电力推进不需要减速齿轮箱，而后者正是舰艇主要噪声来源，同时有效避免了机械部件的振动、磨损等問题，能够提高舰艇主体结构的寿命、降低维护难度。

采用了电力推进系统的美国“田纳西”级战列舰。20世纪初，舰船电力推进技术的大发展有很大的偶然性，但实实在在地促进了这项技术的发展

三是有利于提升舰艇操纵性。采用电力推进系统后，操纵控制从机械式转变为电子控制，启动加速性好，制动快，正反车速度切换快，推进电机转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定转矩，能得到最佳的工作特性，使船舶取得优良的操纵性。

不过，上述优势的确也只是从理论上而言。从构造上来看，电力推进和机械推进装置区别在于，机械传动装置有一个大型变速装置和主轴系统，电力推进装置则有1个发电机、1个电动机以及相对机械传动系统较小的变速装置、较短的主轴。由于增加了发电机和电动机两大砣“死重”，同时不能彻底取消变速箱，电力推进要实用化甚至取代机械推进，就必须研制体积小、重量轻、输出功率高、能量转换效率高的新型电机，将额外增加的体积和重量减小到现代舰艇可以承受的范围内。因此，电力推进技术出现后相当长一段时间内，一直处于实用性不强的状态。

一句话：理论很丰满，现实很骨感。

短暂并非都是美好的

早在1886年，英国就建造了1艘电动小艇“伏特”号，并独立完成了横渡英吉利海峡的壮举，可称得上是电力推进水面舰艇的始祖。1888年，法国建造了“吉姆诺特”号潜艇。两者均采用“蓄电池-电动机”结构的动力系统，类似于当下火热的电动汽车。

大多数国家的海军对电力推进技术也不陌生。由于工况所限，常规动力潜艇很早就采用“柴油机-蓄电池-电动机”结构的电力推进系统，由柴油机给蓄电池充电，蓄电池带动电动机转动推进潜艇。但蓄电池的功率密度有限，这一构造的动力系统无法在吨位较大的水面舰艇上使用。

直到20世纪初，实用的水面舰艇电力推进技术迎来了第一次大的发展机遇期。从民用的客轮、货轮、油轮到军用舰艇，世界各国建造了大量电力推进舰船，大名鼎鼎的美国海军“列克星敦”级航母和“田纳西”级战列舰就在此列。

从技术水平上看，这一时期的电力推进舰船普遍采用“蒸汽轮机-电动机”作为动力系统，即利用蒸汽轮机带动交流发电机，向推进用同步电机供电，再驱动螺旋桨。以“列克星敦”级航母为例，其采用16座巴布科克·威尔考克斯公司的重油锅炉，4台通用公司的蒸汽轮机-电动机，主机输出功率180 000马力。相对于“伏特”号和“吉姆诺特”号，这一时期的电力推进系统已经具备了较强的实用价值，并且经受住了实战检验。

不过，受技术条件限制，早期的电力推进系统体积都非常庞大，传动效率也不高，不仅浪费了不少有效吨位，而且存在维护保养难度较大的问题。其能够迎来一次大的发展期，很大程度上是因为进入20世纪特别是一战爆发后，战场逐渐向海洋拓展，作战舰艇呈现出大型化的发展趋势，满载排水量2万～3万吨、全长超过200米的大型战舰纷纷出现，但传统机械推进技术却无法满足这一迅速变化的需求，不仅超大型、高精度齿轮的加工难度导致传动功率数万马力的变速箱难以制造，而且制造长达近百米的传动轴也很不容易。在这样的背景下，“落魄已久”的电力推进技术得以被重新启用。

随着精密加工技术的发展，大型战舰配用的机械传动装置逐渐成熟，其相对紧凑的体积和较高的传动效率较同时期的电力推进装置具有明显优势，大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术，电力推进技术的黄金时期也随之结束。直到现在，机械传动装置依然是水面作战舰艇的主流动力方案。

“公爵”重开大门

尽管电力推进技术暂时退出了作战舰艇领域，但其较机械推进技术的天生优势使其始终存在着“重生”的可能，这种可能在20世纪70年代开始逐渐显现。随着自动化和电子技术、可控硅整流技术以及稀土材料在电机中的广泛应用，电力部件向大功率方向飞速发展，功率-体积比不断提高。80年代以后，实用化的永磁电机大幅压缩了舰艇电力推进装置的体积和重量，加上大功率、低油耗的新型燃气轮机面世，为电力推进技术的回归提供了坚实的技术基础和背景。在舰船建造上功底深厚的英国人再次“第一个吃螃蟹”。

20世纪70年代起，英国皇家海军开始规划新一级23型护卫舰（“公爵”级）。其主要任务是猎杀闯入巴伦支海的苏联潜艇，因此，核心指标之一是拥有较低的声噪。为此，英国创造性地设计了复合柴电与燃气轮机（Combined Diesel Electric And Gas Turbine，CODLAG）动力系统。该系统由两套不同的推进装置并行组成，在高速航行时，以燃气轮机作为原动机，采用机械推进方式;在执行反潜任务时，则以柴油发电机发电，采取电力推进方式，从而达到最佳静音效果。采用同样设计的还有美国海军“黄蜂”级两栖攻击舰“马金岛”号（LHD-8）和德国F-125型护卫舰。

英国皇家海军23型护卫舰带动了大中型水面主战舰艇重启电力推进技术，其采用复合柴电与燃气轮机动力系统，形成了机械与电力推进相结合的混合推进方式

需要指出的是，23型护卫舰采用的电力推进装置都不是“列克星敦”级航母的复制。从驱动电机的轴马力来看，两者基本相近，但前者只有“列克星敦”级航母10%的排水量，并且也没有撤除机械推进装置，可见当时的电力推进装置的体积重量已经完全在水面舰艇可承受范围内，“公爵”重新打开了主战舰艇电力推进技术的大门。

还是英国人

虽然23型护卫舰开创了水面作战舰艇电力推进系统的新篇章，但不容忽视的是，23型护卫舰为了兼顾机动和反潜性能所设置的两套动力系统给舰艇设计带来了较大难度，无形中增加了成本，况且其本质上还是机械推进，只是加了个电推的“小补丁”，并没有充分发挥电力推进的优势。与此同时，舰载武器、电子设备的快速发展对电力需求急剧上升，传统的供电设备越来越难以满足新型战舰的设计要求。美国海军研制“宙斯盾”系统时，第一代原型机就因为耗电太大，超出了当时海军现役舰艇的发电机装机容量，而宣告破产。于是，美英等国开始研究更加全面、更加彻底的全电推进系统。

英国皇家海军45型驱逐舰拉开了大型水面战舰全电化的大幕

美国海军于1986年提出“海上革命”计划，其主要内容就是将综合电力推进列为新一代舰船的推进方式。1988年又启动了综合电力推动项目，意图通过将舰船电力推进系统和日用电力系统进行合并来提高作战舰艇的性能。2002年，美国海军提出了“电力海上力量之路”计划，首先在综合全电力推进的基础上，使用更先进的原动机和辅助机械实现广泛电气化，应用综合电力系统实现“电力舰”。然后在“电力舰”的基础上实现“电力战舰”。“电力战舰”是应用高能武器和先进探测设备的作战舰艇，并最终以整合电力系统（Integrated Power System，IPS）的形式体现在最新一级驱逐舰“朱姆沃尔特”级首舰“朱姆沃尔特”号上（DDG-1000）。几乎在同一时期，英国皇家海军也在进行舰船综合电力推进系统研究，设计的系统叫做整合式全电力推进系统（Integrated Full Electric Propulsion，IFEP），并且较美国兄弟似乎走得更远，其“海神之子”级船坞登陆舰成为世界上首款采用全电推进的大型水面战舰，45型驱逐舰则成为全电推进系统主战舰艇的开山之作，而“伊丽莎白女王”号航母更是取代DDG-1000登上世界上最大全电推进水面战舰的宝座。此外，法国海军“西北风”级两栖攻击舰也采用了与英国皇家海军相同的整合式全电力推进系统。

總的来看，无论是IPS还是IFEP，它们与23型护卫舰及此前舰艇所采用的电力推进系统的最大区别在于应用了一套舰船综合电力系统，是全电推进技术的核心支撑。那么，何谓综合电力系统？

关于舰船动力变革的全新命题

众所周知，无论是采用机械推进还是机械电力混合推进，亦或是早期的电力推进舰艇，动力系统与电力系统都相对独立，原动机输出功率分别供给上述两个分系统使用。而综合电力推进的基本理念则是将动力系统与电力系统整合起来，由一套发电机组和电力管理系统实现能源的生成配给。即原动机发出的功率全部用于带动发电机发电，再根据舰船机动和舰载武器、电子系统的使用需求，由综合电力控制系统统一分配。简单来说，就是将电力推进系统和日用电力系统合为一体。

全电推进不仅拥有电力推进技术的所有优点，而且还具备独特优势：一是能够大幅提升舰艇供配电效率。综合电力系统可根据用电需求决定发电原动机的运行数量和类型，保证原动机始终处于最佳负荷状态，提高机组的工作效率。美国海军“伯克”级导弹驱逐舰就深受低速巡航状态燃油效率不高的困扰，因此决定在Flight Ⅲ型上采用全电推进技术。同时综合电力系统还能提高电网总容量，精确分配电能，保证能量利用效率的最大化。一句话，把电用在该用的地方。二是能够大幅降低舰艇成本。采用综合电力系统后，不用再配置额外的日常用电发电机组，可以大大减少舰上原动机配置数量，便于实现舰艇设备系统的模块化和不同舰种之间设备系统的通用化，从而大幅降低舰艇的研制运行成本。三是能够大幅拓展舰艇潜力。综合电力系统通过对电力的优化调配，可以满足舰载雷达、电子设备和舰载武器日益增长的电能需求，即使是面对电磁炮、大功率激光武器等高能武器，也能提供足够的能量，从而支撑舰艇作战性能的全面提升。

从某种意义上来讲，全电推进已经超出了舰艇推进技术的概念范畴，它是舰艇动力平台的整体变革，是从“电”的角度对舰艇能源进行重塑。有专家称，全电推进技术是继风力、蒸汽机、核能之后的第四次舰船动力革命。鉴于美好的应用前景，世界各国开始谋求在本国海军最新舰艇上撤掉笨重的机械轴承，换上轻巧便利的电缆，全电推进技术也成为世界各国海军竞相研究的全新命题。

此“高大上”非彼“高大上”

当然，像综合电力系统这种划时代的“高大上”技术，其发展过程必定不是一蹴而就。就目前应用的综合电力系统而言，虽然构造机理都相似，但在技术难度和水平上存在一定差异，主要体现在推进用电动机的功率上。

早期的全电推进系统采用的主发电机组原动机是柴油机，主要用于军辅船。原因在于，军辅船与战斗舰艇不同，要求的航速比较低，最高航速都在20节上下，因此，对推进电机的功率要求也比较小，从而输配电系统就可采用低压输配电，综合电力系统实现起来就相对容易。如“海神之子”级船坞登陆舰，采用2台柴油机作为主原动机，2台电动推进器（单台功率6.25MW，共约17 000马力），最高航速18节。“西北风”级两栖攻击舰采用3组主柴油发电机组作为主原动机，推进器采用两台可转式囊荚电动推进器（单台功率7.5MW，共约20 400马力），最大航速19～20节。

而大中型水面主战舰艇至少需要具有30节左右或以上的高航速，此外，为确保性能指标还要装备种类繁多的雷达探测系统，甚至还有电磁炮等高能武器系统，这些都决定了其综合电力系统的功率需求远高于军辅船。因此，就出现了以燃气轮机为主发电机组原动机的综合电力系统。例如45型驱逐舰采用了2台WR-21燃气轮机（单台功率25MW）作为主原动机，2台20MW级（27 000马力）的推进用电动机。“伊丽莎白女王”号航母和DDG-1000则采用了2台MT-30燃气轮机（单台功率36.5MW）作为主原动机，前者装备了4具先进感应电动机（单机功率20MW），后者采用2台先进感应推进电机，每台功率34.6MW。

燃气轮机为主发电机组原动机的水面作战舰艇综合电力系统的整体功率要远高于柴油机为主发电机组原动机的军辅船综合电力系统，同时还要保证良好的适装度和燃油效率。因此，“大功率”“高效率”“小型化”“低成本”就成为了发展综合电力系统的关键词。

6道难关

目前来看，在水面战舰上广泛应用的综合电力系统主要由5个子系统组成，分别是发供电系统、输配电系统、推进系统、变配电系统和电力管理系统。要完美融合并顺利上舰，必须迈过6道难关：大功率高效原动机、大功率保护电器、大功率储能变换技术、大功率低成本电力推进装置、变频调速技术和电力模块集成技术。

吊舱式电力推进装置基本结构示意图。可以看到，吊舱式推进装置能够通过自身转向舵控制螺旋桨全向旋转，从而实现任意方向的机动与制动，是未来电力推进发展的重要方向之一

大功率高效原動机 对于舰艇而言，一切战技指标的根本都在于一款优秀的发动机，综合电力系统也不例外。发供电系统若没有充足可靠的动力源，优化电能管理也只是一句空谈。考虑到技术和成本因素，目前比较成熟的原动机有以下3类。

采用中间冷却-加热循环技术的先进燃气轮机。该型燃气轮机在热交换器中合并了增压中间冷却器和回流换热器（ICR），可以充分利用废气中的残余热量以增加燃烧效率，有效地减低了燃料消耗，从而兼具燃气轮机的加速性和柴油机的低油耗性。不过，目前实现产品化的只有罗罗公司的WR-21，其最大功率时的燃油耗油率仅为184g/KW·h，这样的经济指标足以与大功率低速船用柴油机相媲美，非常适合于大中型水面舰艇的综合电力系统。

先进循环燃气轮机。这种脱胎于成熟航空发动机的燃气轮机经过几十年的发展已较为成熟，与中间冷却-加热循环技术的先进燃气轮机相比，该型燃气轮机的功率更大、体积更大、油耗更大，当然价格也更高，主要用于大型水面舰艇。目前比较成熟的船用先进循环燃气轮机有罗罗公司的MT-30、乌克兰曙光机器科研生产联合体的UGT-25000、美国通用电气的LM-6000PC等。以MT-30为例，其衍生自罗罗公司的经典航发“特伦特”800系列，重26吨，在常规状态下最大输出功率为36MW，紧急情况下最大输出功率为44MW，巡航时则可以输出25MW的持续低油耗功率。据介绍，MT-30的热效率达到了42%，在最大持续功率时的油耗只有207g/KW·h，已经可与当今主流的舰用高速巡航柴油机相媲美。

中/高速柴油机。典型的有德国MTU公司的2000、4000以及8000系列柴油机，其中8000系列最大输出功率达9MW。与现有单循环燃气轮机相比，这类柴油机依靠相对成熟的技术和低廉的价格，更为重要的是比较理想的燃油效率，加上微处理器控制和燃油直喷等技术带来的一系列改进，可视为建造全电推进水面作战舰艇的动力方案之一。但与上述两类燃气轮机相比，功率相差较大。

大功率保护电器 输配电系统是综合电力系统的主干网络，承载的功率非常大，必须采用中、高压输配电。45型驱逐舰的主配电盘电压为中压4 160V，DDG-1000的主配电盘电压为高压13 800V。而输配电电压越高，保护电器就越难分断。因此，大功率保护电器是确保输配电稳定可靠的关键一环。目前来看，真空断路器是保护电器的主要发展方向之一，已经投入使用的真空断路器容量在7 200～10 000V、630～3 150A等级，其额定分断能力一般能做到40 000～50 000A，完全能够满足大中型舰艇综合电力系统的需要。

大功率储能变换技术 一艘采用综合电力系统的战舰上，既有相控阵雷达、大型指挥自动化系统、推进电机等“电老虎”，也有照明灯之类的小型用电设备，如何将这些大功率设备和小功率设备匹配组网？就需要出色的变配电系统。可以预见的是，综合电力系统配电网络中单个脉冲周期内电压从百万伏级别瞬间降到几伏，或者在数个脉冲周期内要维持几万伏电压不变化都是可能发生的情况，这就要求变配电系统具备大功率储能变换技术，核心组件就是具备高功率密度的转换电容。

大功率低成本电力推进装置 早期的电力推进技术一直无法实用，很大程度上源于推进装置的功率不够或体积太大，故而，提高功率体积比一直是推进电机的发展重点。而常规推进电机由于体积、重量非常庞大，根本无法上舰。只有通过研制基于新技术新原理的大功率低成本推进电机，才能真正实现综合电力系统。

目前普遍使用的是先进感应电机，但其功率密度不足以支撑大型战舰，因此，45型驱逐舰、DDG-1000和“伊丽莎白女王”号均是采用串联多个感应电机的方式来实现足够的功率。世界各国还在大力研究超导励磁的直流电机、超导单极电机、高磁通常规励磁的单极电机、永磁推进电机等。其中，永磁电机的实用可能最大。如罗罗公司就正在进行20MW级的横向磁场永磁电机研究，但目前只有2MW级的验证模型问世，离实用尚有一段时间。从功率体积比来讲，3类电机的排序大致是超导电机>永磁电机>先进感应电机。事实上，美海军在研制DDG-1000时主要瞄准的是永磁电机，但一些关键技术至今仍未克服。当然，性能极佳的超导电机仍是未来全电推进装置的发展方向。

变频调速技术 从电力角度来看，推进电机分为直流推进电机和交流推进电机。前者转速调整范围宽广和平滑，过载启动和制动转矩大、逆转运行性能好，在电力推进系统中长期占统治地位，20世纪初的电力推进技术基本都采用该型电机。而后者的输出功率及转速极限值比前者大得多，并且结构更简单、成本更低、体积更小、可靠性更好，更符合大型战舰电力推进系统的需求。因此，交流推进电机渐渐占据了水面舰艇电力推进系统的主导地位。

交流推进电机应用于船舶推进，关键是要解决调速控制问题。常用的交流电机调速方式有：变极调速、变转差率调速、变频调速。变极调速和变转差率调速在大功率应用时都存在不小的局限性，因此现在普遍采用变频调速方式，核心零部件称作变频器。

由于大型战舰综合电力系统的配电网络均采用中、高压电力，这就要求变频器的电力电子器件具有较高的耐压等级和电流密度。目前来看，绝缘栅双极晶体管的应用前景较好，其耐压值高达9 000V，工作电流大于6 000A，开关功率达到50MW。

电力模块集成技术 要实现结构紧凑、高度集成的综合电力系统，必须首先完成各子系统的模块集成。考虑到舰艇设备密集、电力系统容量有限，各系统间、系统内部的能量损耗与散热、电磁兼容等都是必须解决的技术难题。

保存自己永远是战争的第一法则

任何事物都有正反两面，电力推进技术在提高能源使用效率、强化战舰性能的同时，也存在不可回避的弱点短板。

一是电力線路的脆弱性。柔性电缆的绝缘套管和金属外护套强度不高，即便加上薄钢管，其防护能力也相当有限。相对而言，机械轴系中的传动轴均采用锻钢件制造，在国标中，民船船轴一般用35号锻钢，军船船轴会采用强度更高的合金钢，不同船舶轴系的轴径，直径从40毫米到800毫米不等。根据权威机构计算，这样高强度材料建立的轴系，能够在很大程度上对抗鱼雷、导弹、炸弹等爆炸产生的冲击波，最大限度的防止轴系产生位移、应力等冲击响应。

二是智能配控电的脆弱性。传统的人工+机电式电力分配柜虽然效率低但冗余度高，综合电力系统则是利用计算机集中自动化分配控制电力，一但设备损坏，即便电能依然能够正常传输，电能也无法得到有效分配和控制。这就好比没有物理按键的电视，如果遥控器坏了，那么将无法正常使用。

常规动力潜艇的柴油发电机组，它是潜艇电力推进系统的原动机，用于为蓄电池充电

三是损管能力的脆弱性。综合电力系统采用高度集成的封闭式设计，加上电力传输管道一般空间狭小，战损维护比较困难。特别是当海水大量涌入、金属管线破损、抢救空间黑暗的情况下，很容易因漏电短路造成燃烧。在1942年的珊瑚海海战中，美海军“列克星敦”号航母被日本海军2枚鱼雷和1颗250千克炸弹命中后，受伤并不严重，锅炉、发动机、推进电机三大动力组件均完好。但航空油管震裂后泄露的油料蒸汽挥发，引起爆炸和火灾，主电缆的烧毁不仅造成电动舵机卡死，而且断电使损管现场失去了所有的主照明和主电源，并进一步造成通信失灵。最后，损管不力的航母最终沉尸太平洋。

毫不夸张地说，上述3个问题一旦在强度烈度都急剧增加的现代海战中发生，任何一个都可能导致致命性结果。这是全电舰艇必须重视的最主要问题之一，毕竟，相对于节能高效等“锦上添花”的优点，生存性才是根本。

终点很远也不远

毫无疑问，一旦综合电力系统的技术难题全部解决，作战舰艇的性能将迎来质的飞跃，而这种愿景在各国海军不断努力和技术快速发展下，已经渐趋清晰、触手可得。未来，综合电力系统还将继续深化发展。例如，在推进方式上，采用吊舱式推进方式取代目前的轴桨式或舵桨式推进;在输配电网络上，采用马伟明院士提出的中压直流电制替代目前的中压交流电制;在应用对象上，从水面舰艇向核潜艇，特别是弹道导弹核潜艇拓展。综合电力系统的最终发展形态，很可能是荷兰皇家海军于2001年提出的设想，即在现有全电舰艇的基础上，所有阀门、绞盘以及方向舵等目前采用液压系统或者压缩空气系统控制的机械设施也将采用电驱动，成为真正意义上的全电战舰。我们有理由相信，这一天不会太远。 [编辑/山 水]