電力推進艦船乘風破浪

文/林少蘭 陳晟 陳鴻

近年來，美國福特級航母和DDG1000驅逐艦，英國45型驅逐艦，德國F125護衛艦在全電綜合推進的道路上你追我趕。電力推進作為船舶的新型推進動力，世界各國都在進行深入的研究。國外已經開發了多種類型的電力推進系統，并在多種船舶上應用。這種電力系統不僅能提高艦艇的戰斗力和生存力，還能降低費用，是海軍高技術裝備的一個重要發展方向。

綜合電力推進系統組成

艦船綜合電力系統是指通過電力網絡將發電、日常用電、推進供電、高能武器發射供電、大功率探測供電綜合為一體的電力系統。它由發電模塊與技術、供配電網絡及保護模塊與技術、變配電模塊與技術、推進模塊與技術、儲能及能量管理模塊與技術、全系統集成技術等五大模塊六大技術組成。發電模塊由原動機和發電機組成，用于產生電能;供配電網絡及保護模塊由電纜、匯流排斷路器和保護裝置等組成，用于傳輸電能和自動識別、排除電網故障;變配電模塊用于將電能分配至艦船的各個用電設備，并根據用電設備的不同電能需求實現電制、電壓和頻率的變換，推進模塊由推進電機和變頻調速器組成，推進電機將輸入電能轉化為機械能，推動艦船航行，變頻調速器為推進電機輸入電能并控制其轉速，從而調節艦船航速;儲能模塊用于在故障狀態下為重要負載提供短時電能支撐，同時為高能武器發射提供瞬時大功率脈沖電能，緩沖其充電和發射期間對艦船電網的沖擊;能量管理模塊用于各功能模塊的監測、控制和綜合管理，協調各模塊的工作狀態，滿足艦船在不同工況下各類負載的用電需求。

技戰術優勢

（一）電力供應靈活、可靠、質量高

電力系統具備綜合全電力作戰功能，可以為艦上所有負載提供靈活、可靠、高質量的電力。由于綜合電力系統是將艦上的日用電和推進用電結合在一個電力系統內，因此，全艦包括推進和日用發電機組在內的總的裝機數量可減少。無論是用于推進的發電機組，還是用于日用的發電機組都能根據實際負載的需要，統一地、有選擇地進行啟動、停機，并使各發動機接近最佳油耗的工況運行，運行經濟性好。美國海軍估計，全電艦艇的建造成本比一般的燃氣渦輪動力水面艦艇便宜15%～19%，運行費用可節約36%～89%。

（二）操縱靈活，自動化，機動性好

傳統的機械動力推進系統當中，推進器是通過齒輪箱與推進軸連接在一起驅動螺旋槳的，而綜合電力推進系統則是通過電纜與動力系統連接驅動螺旋槳，其可靠性和可維護性大大增強了。該系統便于實現自動化，操縱靈活，機動性好。除了減少總裝機數量外，還可小使用推進減速齒輪裝置和可調螺距螺旋槳。節約的費用足可補償電機等設備的采購費用。電機轉速易于調節，電能分配自動化、電子化。不但正反轉都能提供恒定轉矩，因此起動加速性好，制動快，正反車速度切換快，而且在高耗能武器和高速驅動之間調節電力方便快捷，精確高效。

（三）動力系統的布置更具有靈活性

在傳統機械傳動的艦艇上，艦艇的主機必須安裝在傳動軸附近，這就限制了動力艙的位置，必須離傳動軸近，在船舶底部，集中在一個或幾個相鄰的艙室里。而且，這傳動軸總還有點長度，得穿透好幾個艙室，還要轉動，不利于水密艙的密封。全電推進的艦艇，發動機和發電機理論上可以安裝在船艙的任一地方，當然電動機還是要安裝在傳動軸上，但是電動機的體積和重量比一整套發動機、變速齒輪要小得多，因此可以安裝在靠近艦尾的地方，主軸長度也大為縮短。

（四）靜音效果好

綜合電力系統是提高艦船聲隱身性能的有效途徑。聲場一直是潛艇聲吶探測水面艦船以及魚雷等武器末端跟蹤制導的主要途徑。水面艦船的噪聲源包括船殼產生的流體噪聲、螺旋槳產生的噪聲和機械振動產生的噪聲，艦船在巡航狀態時機械噪聲是主要的噪聲源，由原動機、推進裝置和軸系、各類旋轉和往復機械裝置等產生。綜合電力系統與機械推進系統相比，原動機與推進電機不存在機械連接，縮短了軸系，隔斷了機械振動噪聲的主要傳遞途徑，降低了水下輻射噪聲，大大提高了艦船的聲隱身性能。

（五）艦船戰斗力強

由于減少了原動機數量，特別是取消了大型傳動軸承和齒輪箱的使用，可騰出有效空間以裝載更多貨物或武器：同時，電機又能為未來的激光、電磁等高能武器提供足夠的電力;減少原動機數量，提升了艦船的操縱性，推進器由電機控制，能在全速范圍內實現無級調速，比起機械傳動能大大提高對指令的響應速度;此外，艦船的續航力也得到了提升，不僅降低了耗油量，同時節省的重量可裝載更多的燃油。電力系統推進突破了將發動機、推進器、傳動軸系布置在條直線上的傳統設計模式，用電纜完全取代機械連接，原動機可以布置在任何地為一，使全艦系統和設備布置更加靈活，可降低艦船排水量。

（六）加載高能武器多

當前，激光武器、電磁炮、電熱化學炮、粒子束、微波等新概念高能武器發展十分迅速，有的已逐步進入工程應用階段。此類高能武器應用于艦船是必然趨勢，但它們都需要大功率電能支持。在可預見的將來，支持艦載高能武器系統的電力需求將呈幾何級數增長。根據艦船噸位航速和艦載高能武器的使用，一艘中型航母，如英國正在建造的CVF航母，電能總需求高達100兆瓦以上，其中輔助設備用電不到10%，絕大部分電能用作電力推進和發射高能武器。如何調節和保障電力推進、高能武器所需的電能，成為制約高能武器艦載化的瓶頸。

在采用機械推進的艦船動力平臺中，動力系統和電力系統相互獨立，無法從根本上解決這些問題。艦船綜合電力系統既能提供高品質、大容量的電能，又能合理進行能量的分配使用;既能保證電力推進時的充足動力，又能滿足戰斗狀態下的高能電力需求。因此，采用綜合電力系統作為艦船動力平臺是實現高能武器上艦最行之有效的技術途徑，而這正是各海軍強國爭先發展綜合電力系統的又一主要原因。

運用現狀

電力推進系統在民船上應用的經驗也促進了其在軍用領域的發展，美、英等國及北約組織的海軍也都相繼開展了電力推進的可行性研究和方案論證土作。目前各國家紛紛提出了發展海軍綜合全電力推進艦艇的軍事戰略。

據最新資料顯示，美、英、法、德海軍水面艦艇綜合全電力推進系統的研制已取得重大進展。當前世界各國的電力推進船，主要采用的推進方式有兩種：一種是電力推進與其他發動機推進組合的混合式推進，如英國23型護衛艦，其采用了新一代燃氣輪機，柴電聯合動力裝置高速時用燃氣輪機，低速時用柴油發電機、電動機電力推進;另一種是全電力推進，即推進電源與船上輔助用電源由船上同電站供給，如美國的新型DD21水面艦船和英國的45型驅逐艦。據稱，新造“弗吉尼亞”級核潛艇的后續艇采用此種電力推進。

DDG1000主機與輔機的選型與試驗還算順利，但在電動機方面卻碰到了一些麻煩。美國海軍原先打算采用DRS公司研制的永磁電機，輸出功率36兆瓦。但由于永磁電機的開發遭遇絕緣、運作溫度等技術問題而延遲，美國海軍遂決定暫以輸出功率34.6兆瓦的先進感應電機作為替代。不過，美國海軍仍對功率密度更高的永磁電機充滿期待，仍將持續進行相關的測試，打算在DDG1000后續改型中再應用永磁電機。

在美國海軍的影響下，英國皇家海軍也為其45型驅逐艦安裝了綜合電力推進系統，盡管他們原先打算安裝柴電燃動力裝置。45型驅逐艦的綜合電力推進系統由兩套WR-21燃氣輪機組成，每組輸出功率20兆瓦。此外，還有兩組Wartsila 12V200柴油交流發電機組用于低速航行或維持艦內基本系統的運作，每組輸出功率達2.2兆瓦。

存在問題

全電推進的缺陷在于，在實戰中，一旦艦艇發生戰損時，傷及電力系統，就可能造成“有電難送、能送難配”的尷尬局面，導致艦艇的機動能力、作戰能力，甚至損管能力受到不可估量的影響。

（一）電力線路易損

用電路傳輸代替軸系傳輸能量，簡單高效，節省空間。但是柔性電纜的絕緣套管和金屬外護套強度不高，即便加上薄鋼管，其戰時防護能力也相當有限。而機械軸系中的傳動軸（包括中間軸、推力軸、艉軸)的材料均采用鍛鋼件。這樣高強度材料建立的軸系，能夠在很大程度上，對抗魚雷、導彈、炸彈等爆炸產生的沖擊波，最大限度的防止軸系產生位移、應力等沖擊響應。

（二）計算機分配和控制電力脆弱

用集中化管理和分配電能，在推進系統和高能設備之間進行快速切換，短暫限制其他系統耗能，響應快、精度高、省人員。相比之下，傳統的人工+機電式電力分配柜，在正常情況下由主配電板供電，當檢測到主配電板失電后，聯絡開關自動斷開，自動啟動應發電機，啟動失敗則發出聲光報警，啟動完成后自動合閘供電，當主配電板恢復供電后，應急發電機組自動分閘，隨后聯絡開關自動合閘，延時后手動或自動停止應急發電機。其效率雖低，但安全性非常高。而全電推進系統中，由于艦艇的推進電能和日常用電、武備用電三者全部依賴于計算機集中化分配，一旦配電的設備戰損，即便電能的傳輸沒有問題，仍將導致電能無法分配而出現無電可用的狀況。

（三）新型武器裝備對電能高依賴

傳統艦載武器雖然對雷達和光電裝置的依賴也是很高的，但仍有部分火炮、魚雷等武備具備人工裝填和光學瞄準發射的能力。而近年來，采用激光炮、電磁炮全面替代傳統艦船火炮，航母采用電磁彈射、電磁攔阻、電動升降機等全電設備的呼聲日高。美國福特號航母的電磁彈射系統的強迫儲能系統要求在45秒內充滿所需要的能量。最大的艦載機起飛一般需要消耗的能量為120兆焦,四部電磁彈射系統同時充電,充電總功率可達16兆瓦，另外還有電磁軌道炮、升降機、激光等其它用電設備，加起來航母總功率達60兆瓦以上。艦艇武備高能化的做法，無異于進一步將艦艇戰力與電能安全高度耦合。一旦電力系統受損，不但艦艇無法機動，甚至無法進行有效的防御性作戰。

（四）損管能力差

機械式推進裝置的空間大是一種缺陷，但也因此提供了讓人進入維修的空間。電力傳輸管道一般空間狹小，戰損維護進入比較困難。另外，全電推進的艦艇高壓電力傳輸面臨戰損時，海水大量涌入、金屬管線破損、搶救空間黑暗的情況下，損管必須格外小心，否則更加容易因漏電短路造成燃燒。而電力線路的燃燒將沿著電路迅速波及全艦，這時的動力傳輸變成災害傳輸——效率也很高。這將給本來已經困難的損管工作帶來更大的危險和不便。電力和配電系統的維護復雜度，一般要高于機械裝置，往往需要知識層次更高的技術人員、更加精密的檢測設備、更加專業的維護工具。而在戰時，特別是在戰損時，這些復雜條件本身，就構成了進一步的脆弱性。