美國海軍新一代綜合電力系統

李 源

2006年，時任美國海軍海上系統司令部（NAVSEA）副司令曾說過：軍艦向全電力化和高能化發展如同100年前能源從煤炭發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清晰的觀點，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斗艦上。這些高能傳感器和高能武器主要包括：先進的空中和導彈防御雷達（AMDR）、 新型電子戰系統、電磁軌道炮和激光武器。

即將列裝的高級武器

AMDR是一型性能優異的雷達，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、環境的耐受度，來提供優異的確定潛在目標的能力，3倍的功率輸入可得到約35倍的功率輸出，但同時耗電量也大增。隨水面電子戰改進項目（SEWIP）Block 3一起引進的新型電子戰系統，預計將與AMDR同時間應用，也需要消耗大量電力。NAVSEA目前正在組織SEWIP Block 3的競標，于2014年上半年確定合同商。

圖1 各種高級武器系統所需的電力

同時，美國海軍還計劃開發新型武器系統，包括用于進攻和防御的電磁軌道炮和激光武器。普遍認為高能電磁軌道炮是一種可以徹底改變海軍攻擊作戰的武器系統，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艦炮的限制，常規艦炮采用爆炸性的化學推進物，使得彈頭必須沿著艦炮的長度發射出去。而電磁軌道炮射程長、飛行時間短，具備高能致命性。通過使用超高電流來產生強大的電磁力，計劃中的海軍電磁RM軌道炮能以超過7馬赫的速度發射射彈。射彈能以5馬赫的速度很快到達大氣層以外進行無阻力飛行，然后重回大氣層打擊目標。美國海軍計劃最初能達到50 ～100nm的射程，隨后延長至220nm。

海軍電磁軌道炮創新原型（INP）項目由美國海軍研究局（ONR）于2005年建立，計劃2025年后能從一項實驗室科技轉化為實用型科技。項目第一階段關注的是具備足夠使用壽命的發射器技術的開發，可靠的脈沖動力技術開發，以及減少射彈組件的風險等。BAE系統公司和通用原子公司向海軍水面作戰中心交付了軌道炮原型用于試驗和評估。ONR在2013年年中向BAE系統公司授予了一項3450萬美元的合同，開始執行INP項目的第二階段。第二階段開發發射機和脈沖動力技術，并將該技術提升至可達到項目采購級別。同時還要開發用于維持射擊速度的發射機和脈沖動力系統的熱能管理方法。計劃2014年提交初步原型，由BAE系統公司、IAP研究公司以及SAIC共同開發。

激光武器方面，美國海軍已經于2012年在“阿爾·伯克”級（DDG51）驅逐艦“USS Dewey”號上安裝并驗證了激光武器系統（LaWS）技術。在試驗期間，LaWS成功地射中來襲的UAV目標。美軍計劃在2014年初，基于LaWS原型，在美國海軍第五艦隊的“USS Ponce”號艦上部署固態激光武器，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，因此在這個過程中，最大的難題就是艦船上裝機功率需要有很大的發展。

下一代綜合電力系統的優勢

美國海軍艦船的傳統做法是為每一個新的武器或任務系統配置專用的電源。這種慣例產生的原因部分是因為這些設備通常需要有不間斷的電源，部分是因為這些系統通常會耗費比原始設計更大的電量。然而引進新型高能武器和任務系統使得艦船電力需求極大地增加了，因此這種傳統做法很難適應未來的發展。采用綜合電力系統（IPS）成為未來艦船的發展趨勢。為了給未來IPS的發展指明方向，美國海軍啟動了下一代綜合電力系統（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行兩種不同的策略，當用電負荷超過總量時，啟動電力自動卸載，那些允許斷電5分鐘或更長時間的用電單位的電力將被卸載，同時啟動額外發電能力。如果所有可獲得的電量仍不足以滿足用電需求，則啟動任務優先級，將優先級最低的用電單元的電力分流至較高優先級處。圖2對采用非綜合電力系統和采用綜合電力系統的艦船用電負荷進行了比較，可以看出，綜合電力系統的優勢在于船上日常用電和任務系統的用電負荷可大幅增加，滿足了未來戰艦上安裝先進傳感器和高能武器系統的需要。

除了可以支持高能任務系統外，NGIPS的優勢還包括：

1、可減少原動機的數量；

2、提升原動機的效率；

3、提升推進器的效率；

4、提高總布置的靈活性；

5、提升艦船的建造效率；

圖2 非綜合電力系統和綜合電力系統艦船的電力負荷對比

6、支持艦船的分區生存能力；

7、提升電力質量；

8、促進燃料電池整合；

9、可向陸地電網提供電力。

DDG-1000“Zumwalt”級驅逐艦

根據冷戰結束后美國海軍提出的“由海向陸”戰略的要求，曾經計劃建造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，DDG-1000負責對陸攻擊，CG(X)負責防空反導。但由于美海軍戰略思想發生變化以及上述兩型艦建造經費過于龐大，最終決定將“DDG-1000”型艦的建造數量縮減至3艘，CG(X)也在2010年防務審核中被取消。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，預計2016年交付，DDG-1001預計2018年交付。DDG-1000“Zumwalt”級驅逐艦號稱是美國最先進戰斗艦。該艦隱身性能極佳，盡管排水量高達14000t，但雷達截面積僅相當于一艘數百噸的漁船。另外，該艦的紅外和聲學隱身性能也很優秀，機械噪聲水平與潛艇相當。

動力配置方面，DDG-1000是美國首艘采用綜合電力推進系統的艦艇，其綜合電力系統由2臺羅爾斯·羅伊斯公司36MW的MT30型主燃氣輪機發電機組、2臺羅爾斯·羅伊斯公司3.9MW的RR4500型輔助燃氣輪機發電機組、2臺36MW的先進感應電動機、高壓和艦艇日用配電和轉化設備、控制和電力管理設備等組成。該艦的總裝機功率高達78MW，不僅使得最高航速可達到30節，而且綜合電力系統將艦船推進和日常用電整合至一個統一的電力系統，從而可以自由支配全船的裝機功率，這成為軍艦建造史上的一個重大突破。

武備方面，目前艦上安裝了2座AGS先進艦炮系統，AGS先進艦炮采用62倍徑，155mm口徑的火炮，還裝備了MK-57垂直發射系統，近防武器系統為2座口徑57mm的MK-110火炮。由于總裝機功率相比DDG51級艦大了幾倍，因此該艦為未來安裝高能武器預留了空間。例如，未來可用電磁炮替換AGS先進艦炮系統，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原計劃采用一部X波段和一部S波段的“雙波段雷達”，但最終由于經費原因，僅采用了X波段的SPY-3有源相控陣雷達。

DDG51“Flight Ⅲ”型驅逐艦的建造

隨著DDG-1000建造數量的縮減和CG(X)項目的取消，DDG-51導彈驅逐艦項目被重新啟動，計劃建造7艘DDG-51“Flight ⅡA”型艦，從2016財年開始，再建造3艘DDG-51“Flight Ⅲ”型艦，計劃用AMDR替代現有的SPY-1D(V)雷達，AMDR是DDG-51“Flight Ⅲ”艦大量電力需求的關鍵驅動。按照計劃，AMDR在2017年開始小批量生產，將部署在2016年開工建造的DDG51“Flight Ⅲ”型驅逐艦上。NAVSEA已在2013年10月授予雷神公司一項價值3.857億美元的合同，對S波段AMDR和相關的雷達套裝控制器進行工程設計、制造設計、開發、整合、試驗，并最終交付。通用動力先進信息系統（GD-AIS）公司是雷神公司AMDR項目的分包商，為AMDR提供所有的后端處理，包括所有數據接收器勵磁機、頻率合成器以及功率轉換器。動力管理是一個很大的領域，GD-AIS已花了幾年時間研究如何滿足AMDR的需求，功率是其中一個很大的部分。盡管由于洛克馬丁公司的抗議，海軍下發了停止工作命令，但2014年1月14日，政府駁回了洛克馬丁公司提出的抗議，繼續執行合同。

全功率運行時，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）發電能力上有一個提升，從3臺3MW的發電機組增至3臺4MW發電機組，電壓也更高，從450V到4160V，并且需要新的空調裝置，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。

當兩臺發電機同時工作時，“Flight ⅡA”艦約產生5.7MW的可用電力，所有船上用電和作戰系統運行時的全負荷狀況大約需消耗4MW多的電力。在“Flight Ⅲ”上，兩臺發電機預計可產生約7.6MW電力，船舶的全負荷電量為5.8 ～5.9MW。這為將來艦上搭載其他新型武器和其他負載留出了空間。

對于“Flight Ⅲ”艦，也在考慮采用混合電力推進系統。實際上美國海軍已經有了在現有“Flight ⅡA”艦上采用混合電力推進的設計方案。不過該方案不會直接運用到“Flight Ⅲ”上。“Flight ⅡA”艦上布置混合電動機所需的電控設備的位置，在“Flight Ⅲ”艦上布置了一個4160V配電盤，因此如果采用相同的設計，“Flight Ⅲ”艦上沒有空間布置電控設備。其他可行方案有加大甲板室空間，或重新布置，將配電盤和電控設備布置在一起。這兩種方案均將提高造價，因此需要考慮這部分投資與采用混合電力推進所節省費用相比是否合算。當然混合電力推進不僅節省燃料，還能提升艦船綜合能力。“Flight Ⅲ”的綜合推進設計方案計劃于2016財年完成。

海軍電力系統技術發展路線圖

2007年NAVSEA成立一個專門的機構，電力艦船辦公室（PMS 320），職責是協調并發展艦隊的電力和推進技術。同年NAVSEA發布了第一版“下一代綜合電力系統的技術路線圖”。至2013年，2007版路線圖中提出的69個任務中的35個已經完成、正在進行或計劃中。2013年PMS 320發布了第二版“海軍電力系統技術發展路線圖”，并在部署/操作、信息情報、火力、后勤和作戰服務支持、指揮控制和自我保護等六個方面提出了作戰任務要求，其中當前要解決的任務是需在艦上安裝先進的武器和先進的傳感器以及提升能源安全。2013年版路線圖根據美國海軍戰略指導思想的變化進行了若干調整，與2007年版相比，主要區別在于：

1、艦船建造計劃有所變更，如CG（X）巡洋艦項目取消，重啟DDG 51，DDG（X）延遲至2031財年。

2、關注重點發生變化，現階段的重點轉為能源效率和能源安全。

3、將高能武器和傳感器的開發轉為部署到現有艦隊中。

4、艦船任務發展為導彈防御和反介入/區域封鎖（A2AD）。

5、2007年版路線圖計劃通過新建造艦隊實現綜合電力系統的開發完善，而2013年版則側重于對現有艦船進行改造，在現有艦隊中引入新的任務系統。

圖3 海軍電力系統技術發展路線圖

NGIPS的開發采用開放式的模式，整個NGIPS模塊被分成六個子模塊，可以分別被授予不同的公司或機構進行單獨研制。這六個子模塊分別是：

電力產生模塊：將燃料轉化為電力;

電力分配模塊：包括接電裝置和電纜;

電力轉換模塊：將電力從一種電壓/頻率轉化為另一種;

能量儲存模塊：儲存電力系統提供的和提供給電力系統的能量;

電力載荷：使用電力;

系統控制模塊：包括必要的軟件對電力系統進行操作。

圖4 NGIPS技術結構和相互的關系

NGIPS開發中面臨的挑戰主要有五個方面：一是與美國海軍現有艦上環境的兼容性；二是獨特的操作模式；三是確定艦船動力系統，包括電力構架、電力系統參數（頻率、電壓、載荷特性、配電系統布置和系統整合）、用電中斷/主要和次要載荷等；四是技術規格和標準的開發；五是時間節點的要求。

事實上，由于美國海軍的綜合電力系統開發發生了重大的變化，特別是縮減DDG-1000的建造和重啟DDG-51的建造已經對路線圖的時間節點產生了顯而易見的影響。目前，隨著新建艦船越來越少，開發的重點放在對海軍現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/效應器在內的新任務載荷，將部署在擁有電力系統的艦船上。現階段綜合電力系統發展將主要采用60Hz，13.8kV、4160V或450V的中壓交流或低壓交流電力系統。