中國真正壟斷世界的技術,綜合電力推進,為何是艦船動力的未來?

2020-12-06 國器CountChine

有日本媒體曾經報導,只要中國核潛艇一出港口,它們在國內就能探測到潛艇發出的噪音。「海底拖拉機「,這是過去外界給中國核潛艇強加上的外號,但數十年過去後,中國核潛艇的靜音水平得到了極大的改善,而且還誕生了一項特別耀眼的成就——無軸泵推,因為它將是我國下一代核潛艇靜音水平高低的關鍵所在。

無軸泵推是什麼,它到底有多厲害呢?說到無軸泵推,就要先提到有軸泵推,目前包括美國核潛艇在內,潛艇使用的泵噴推進器是由驅動軸帶動螺旋槳轉動,而我國的無軸泵推技術,則基本是直接取消了傳統的驅動軸,潛艇的動力加在驅動螺旋槳的電機上,直接帶動螺旋槳轉動,消除了機械軸傳動時的噪音。

當前美國有軸泵推核潛艇採用的是中壓交流系統,依靠主軸和變速箱驅動螺旋槳,而噪音便是來源於這些運轉的機械軸。我國無軸泵推技術主要來源於馬偉明團隊研發的交直流雙繞組發電機系統,這個系統也為後續「中壓直流綜合電力系統「上艦打下了基礎。「中壓直流綜合電力系統「是馬偉明院士繼無軸泵推技術之後的又一大成果,率先開啟了船舶動力系統的第三次革命,使得我國技術水平反超美國十年以上,領先整整一代。

為什麼說中壓直流綜合電力系統是船舶動力的第三次革命呢?簡單來說,中壓直流綜合電力對現代軍艦的貢獻,體現在日常供電、艦船電力推進和艦載高能裝備三個方面。

日常供電不用解釋,無非是為艦上人員提供生活用電,那麼艦船電力推進是什麼呢?眾所周知,目前航母等大型水面艦艇都是通過蒸汽輪機帶動發電機,發電機再帶動電動機,最後電動機驅使螺旋槳轉動為艦艇提供動力。而在汽輪機與螺旋槳之間同樣裝置著許多傳動軸和齒輪減速器,有著非常多的傳動裝置和機械軸,構造可以說極其複雜,這使得艦艇的變速和「換向比「非常靈活,但也極大降低了汽輪機與螺旋槳之間的傳動效率。不管是常規柴油動力系統還是核動力系統,都必須將化學能或者核能轉化成電,然後才能用電來驅動螺旋槳使得艦艇航行,目前全球艦艇電力系統仍然建立在交流的基礎上。

有沒有一種電力系統能夠省去或者極大化簡傳動裝置呢?答案是有,這就是中壓直流綜合電力系統,其中重點就在於直流這兩個字,這是對傳統艦艇電力系統基礎的大改變。在傳統交流系統中,由於使用的工頻交流電,發電機轉速通常是一個固定值,所以需要加裝減速齒輪箱,來實現傳動速度的調節。

但採用中壓直流綜合電力系統的發電機,直接輸出的是直流電,因此像艦艇配電網中的直流交流轉換模塊,整流單元等都可以省去,此時發動機的轉速不受限制,減速齒輪箱和傳動的機械軸基本也可以省去。發電機直接併網,形象來說,相當於直接與螺旋槳上的電機相連,而省去了以往各種傳動裝置,極大提高了電能利用的效率,減少了大部分損耗,並且實現了對驅動系統的精準控制。

從以上來看,中壓直流綜合電力系統最直接的優點,就是提高了能源和電力的利用效率、提高了艦艇的操縱性,而且和潛艇一樣減小了傳動噪音,這就是中壓直流對艦船電力推進方面的改善。

但中壓直流綜合電力系統最根本的目的,就是解決高能裝備的上艦難題,因為這些高能裝備極為耗電。例如艦上大型有源相控陣雷達,各種對海、對空和對潛的探測系統,都是耗電的大戶,中壓直流電力將為這些設備提供有效穩定的電力來源,並且為電磁軌道炮、雷射炮等新型高能裝備上艦提供了條件,這便是中壓直流綜合電力 系統帶給下一代艦艇的第三大貢獻。

相比於歐美等發達國家從上世紀80年代,便開始了綜合電力系統的研究,我國綜合電力系統研發起步晚,但取得的成績非常好,雖然那時歐美國家起步早,但是因為當時的電力電子技術並不足以支撐起中壓直流系統的研究,而且投入的風險過大,因此走相對穩妥的路線是西方國家的共識。

從中壓工頻交流、中壓中頻交流到中壓直流的發展路線看,在各國仍以中壓交流為艦艇電力系統的背景下,我國直接提前15年左右,用上了中壓直流綜合電力系統,而根據美國發布的電力與能源系統技術路線圖來看,他們預計到2030年才能實現中壓直流系統的規劃應用。這也印證了馬偉明院士的那句話——中壓直流綜合電力系統是團隊第一個領先美國的項目,而且領先就要領先美國。

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