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首发 | 舰船综合电力推进系统好在哪里
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常规动力航母上也使用了“电老虎”般的舰载机电磁弹射装置，这听上去让人很不踏实，因为长期以来在很多人的观念或印象中，常规动力航母缺少像核动力航母那样强劲的“心脏”，其常规动力源难以提供足够的电力支持电磁弹射装置的有效使用，因而基本不能保证航母舰载机高频次的起飞。然而，舰船综合电力推进系统的发展和在航母上的应用，可能颠覆人们的这一观念。这不，就在前几天国内外媒体上纷纷报道并发布了一则重磅消息，说中国在自行研发且刚刚下水的第二艘常规动力航母“福建”号上，配置了目前领先于世界的舰载机电磁弹射装置。如此做的主要原因，是中国在这艘最新的航母上选择并采用了一种十分先进的可实现的方案，这就是舰船综合电力推进系统。正是舰船综合电力系统，解决了常规动力航母上装备电磁弹射或其他高耗电的新型武器系统时电力不足的问题，有效保障了它们运作所需的充沛电力。
果真是如此吗？并且，舰船综合电力推进系统好在哪里？一、现今所用推进系统及其主要问题已有资料表明，舰船目前所采用的推进系统主要有机械推进系统和传统电力推进系统两种。前者用减速齿轮箱和驱动轴等机械装置，将原动机（蒸汽轮机、燃气轮机或柴油机等）产生的高速机械旋转动力降速并传递给舰船艉部的螺旋桨，直接带动其以低速机械旋转动力推动舰船行进，所以是机械推进方式；后者通过发电机，先将原动机输出的高速机械旋转动力转换成电力——即原动机输出的全部机械功率（机械能）都用来发电，再用输电线（电缆）输送给舰船后置的推进电机，以电力带动舰船尾部的螺旋桨（它用驱动轴直接连在电机的转子上）旋转，进而推动舰船行进，因此属于电力推进方式。正因为如此，现今无论是使用机械推进系统还是传统电力推进系统进行推进，在舰船上都至少还需要配备另外一套功率小一些的原动机，用它带动对应的发电机发电，提供电能来保障舰船上除推进系统以外的所有用电设备和武器系统以及人员工作和生活的日常电力供应。相对于机械推进系统，传统电力推进系统带给舰船的优势是显而易见的。一是省去了结构笨重复杂、工艺要求高、振动与磨损大的减速齿轮箱，因而降低了舰船推进系统的技术实现难度、减少了舰船维护费用与工作量、提升了静音性（降低了噪声）与生存能力、优化了工作环境；二是缩短了驱动轴系、简化了动力系统结构、去掉了庞大的推进动力舱室，进而节省了舰船的有效空间、增强了载荷能力、提高了自身设计和武器装备布局的灵活性；三是电动机的控制性能优于驱动用的热力机械，由此显著提高了舰船的可操控性和航行及机动水平；四是能直接用电力驱动螺旋桨，所以增强了舰船推进系统的可靠性和生命力；五是减少了相应机械部分燃油和滑油的消耗，降低了热废气排放和噪音污染，有利于舰艇实现节能环保和提高经济效益。不过，传统电力推进系统与机械推进系统比较，虽然做了很大改进，克服了很多问题，有效促进了舰船战斗力的提升，但仍然存在一些问题或不足。其中，最大的问题就是，舰船推进系统用电与舰船日常用电（含所有用电设备和武器装备以及人员工作和生活等所用的电力）要分别由不同的电力系统提供。这些电力系统往往相互独立、“各自为战”，产生的电力只限于本系统“用户”所用，不能输出到本系统之外；比如，推进电力系统仅为舰船推进供电，不能为舰艇其他需求提供电力，而日常用电只能来自日常电力系统。值得注意和强调的是，在通常情况下，舰船行进需要非常强大的动力支持，所以推进电力系统的原动机和发电机的功率都要大得多，提供的电力也要远高于日常电力系统（功率有时可达到8至9比1）。但是，毕竟推进系统全功率满负荷运行的时候并不多，舰船在航速不高或低速巡航状态时可能只用到全功率运行时20%左右的电力，这就导致本来应供给推进系统的大量的电力闲置甚至白白地浪费掉。而与此同时，舰船上各类用电设备（战时还有武器系统）和人员工作生活无时无刻都在用电，使得日常用电系统经常处于满负荷，电力供应捉襟见肘。特别是，随着对舰船信息化程度和作战能力的要求不断提高，对大功率电子设备和新型武器装备的需求日益增多，无形中又进一步推升了日常电力系统的耗电量和供电需求。对此，如果仅仅通过增加发电机数量或容量的方式来解决，在增加费用和保障所需的人力物力的同时，将严重挤占舰船的宝贵空间并增大舰船的布局与设计难度，减少舰船的武器装备数量和类型，并将影响舰船续航力和机动能力等性能，最终导致舰艇整体战斗力减弱，反而得不偿失。二、综合电力推进系统及其突出优势在此背景下，加之电力电子器件、电机变频调速与控制、电力调度分配与管理、电机（发电机和电动机）和计算机等技术的进步和发展，舰船综合电力推进系统就应运而生。舰船综合电力推进系统，也称整体电力推进系统、综合全电推进系统或综合电力系统。它是指将舰船上推进电力系统和日常用电系统合二为一，进而实现发电、配电与电力推进用电、日常用电统一调配和集中控制的一种一体化的新型舰船电力系统。系统主要包括发电模块（发电机）、区域配电模块、电力变换模块、故障监测模块、安全监测模块、能量管理模块和推进模块（变频器和电动机）等。其中，每个模块都被整合成一个高度集成的完整系统。综合电力推进系统是建立于传统电力推进系统的基础之上，其最基本的理念是强调统筹调配和优化使用舰船上的所有电力资源，使得用同一个电力系统在保障舰船推进电力需求的同时，适时分配和转移富裕的部分推进电力，提供舰船的日常用电所需，从而不再需要专门为日常用电设计和配备独立的电力系统。具体来说，综合电力推进系统把发电、电能变换、配电保护、推进电力、日常用电等模块整合在一个系统内，在以计算机为核心的电力调度、分配与管理模块的统一协调下，以按需分配的方式，精准地提供舰船推进电力和日常用电等所有的用电需求。正因为如此，除了能基本保留传统电力推进系统的主要优点外，舰船采用综合电力推进系统还有其他一些十分突出的优势。首先，也是最重要和最有吸引力的是，当日常用电需求强盛时，它可统筹规划、合理调配、高效转换整个系统的电力，自动减少或短暂限制乃至完全切断推进电力的用电，将其部分或全部电力暂时输出给日常用电。一旦日常用电高峰结束后，又自动将这些电力传输回推进电力，以便维持舰船正常行进的动力所需。这一优势，同时也为性能先进的双波段有源相控阵雷达等大功率电子设备，以及电磁轨道炮和高能激光炮等高耗电新概念武器的上舰奠定了基础，特别是为舰载机电磁弹射装置在常规动力航母上的配备和使用提供了可能；采用了它以后，可在不影响其他用电所需的情况下，让电磁弹射装置的运行有充足的电力，大幅提升航母的信息化程度和战斗力。其次是所有原动机和发电机都被整合在一个一体化的系统内，它们可以依照舰船功能和需要布局，分类集中和灵活放置，便于统一为其设计冷却、散热、减振和消噪等一系列附属装置，并且在满足日常用电所需时可不再增加发电机的数量或容量，因此进一步节省了舰船的有效空间，提高了隐身性能，同时将使装载的武器装备的数量和类型更多，对它们的配置和布局也更加方便和自由；比如，可装备更多能垂直发射的导弹。第三是根据舰船的排水量、航行速度、作战任务等的变化以及气象和海况，适时调整系统内原动机和发电机组的运行数量，让它们始终处在最小的运行台数和工作于最佳的状况，并优化电力分配和使用，从而减少了燃料的消耗和机器的磨损，降低了维护保养工作量，增加了舰船的续航力，达到了更好地节能减排和提高经济性的重要目的。第四是在一个统一的电力系统中，能对发电机等重要设备合理地进行冗余配置和采用适宜的保护手段，并通过智能化的配电和控制，避免了发电机的低负荷运转和高的故障率，保障了整个系统的无故障运行时间和能力，增强了舰船运行的可靠性和生命力。最后是更好地实现了舰船模块化设计思想，有利于系统形成集成化、标准化和系列化，能根据舰船的类型和功能，进行需要的模块搭配或组合，进而有利于简化、优化舰船的设计和制造，节省了它们的建造工时，降低它们的拆装和维护保障难度。三、综合电力推进系统的现状和未来舰船采用传统电力推进系统已经有一百余年的历史了，但人们开展对综合电力推进系统的研究时间却并不长，基本是开始于20世纪80年代中后期。经过30多年的发展，很多相关技术已经获得突破或解决，综合电力推进系统正在进入工程应用的初期阶段，美国、英国、法国和中国等国家都先后将其用在了各自新发展的一些舰艇上。比如，美国的濒海战斗舰、“朱姆沃尔特”级驱逐舰和“福特”级新型航母，英国45型驱逐舰和“伊丽莎白女王”号新型航母，法国的“西北风”级两栖攻击舰，中国的新型潜艇救援船和055型驱逐舰等舰艇——当然还有中国刚刚下水的“福建”号新型航母，都分别采用了综合电力推进系统（据报道，中国综合电力推进系统技术更先进）。可以说，正是综合电力推进系统，为这些舰艇上双波段有源相控阵雷达等新型电子设备的配备、为未来电磁轨道炮和高能激光炮等新概念武器上舰，以及为舰艇载荷能力的提升和部署更多的武器装备、为舰艇新构型的设计和信息化的持续推进等都提供了可靠的电力保障，同时有效降低了舰艇运行的燃油费用，提高了舰艇的续航力和可靠性，最终极大地增强了舰艇的战斗力。综合电力推进系统作为舰船技术发展的一个重要趋势，理论上说能全面增强舰艇的承载性、操控性、机动性、续航性、隐身性、舒适性、经济性和环保性等，甚至还包括安全性、可靠性、维护性和保障性的提高，实现能源综合利用和统一管理，满足舰船推进电力和日常用电等所有用电负荷的电力需求，达到全面提升舰艇信息化程度和增强战斗力的目标。不过，舰船综合电力推进系统在舰艇上的应用目前还只是开始，其有些优势尚未得到很好发挥和体现——比如可靠性和维护性，工程化程度也受到一定局限。要实现它在舰船上全面的工程化应用，真正释放出它的所有优势并降低建造和使用费用，还有赖于电力电子技术、变频调速技术、推进技术和储能技术等的持续进步和发展，还需要不断推出大功率和高效的电力电子器件，研制和采用新型原动机、发电机和推进电机（如大功率永磁电机和高温超导电机）等核心设备，进一步突破和加强电力系统总体集成、电网结构、配电系统维护和智能电网等关键技术，开发自动化水平更高的电力调度、分配、监测、管理和保护软件，更好地解决系统内部及与其他电子设备间的电磁兼容问题。THE END
文字 | 王群（国防科技大学国防科技战略研究智库）
图片 | 来源于网络
编辑 | 李阳
审阅 | 李铭典
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