傳統艦船的動力系統和電力系統是相對獨立的,動力系統通常由常規的熱機和其他機械裝置構成,電力系統一般是作為輔助能源,與艦船推進並沒有直接的關聯.將電力系統與推進系統相結合形成艦船電力推進是最近幾十年發展的新技術。
船舶綜合電力系統是指將傳統船舶相互獨立的機械推進系統和電力系統以電能的形式合二為一,通過電力網路為船舶推進、通訊導航、特種作業和日用裝置等提供電能,實現了全船能源的綜合利用。
使用艦艇綜合電力系統具有以下幾大優勢:
1、將日常供電、電力推進供電和現代高能武器供電三者合而為一,從源頭上降低了聲隱身(艦船聲隱身技術就是通過控制艦船的聲頻特性來降低敵方系統的探測距離和精度)問題的解決難度。
對於來說潛艇,具備最優異的隱身效果是其發揮作用的前提!如何降低噪音,具備更好的隱身效能則取決於動力系統,而裝備了綜合電力系統,由於可不使用推進減速齒輪裝置和可調螺距螺旋槳,軸系較短。因此,潛艇武器裝備在佈置上有更大的靈活性,同時也降低了潛艇的內部噪音,提高了潛艇的隱身性。
2、有利於將高脈衝功率武器負載併入綜合電力系統,使用了綜合電力系統可使大量的功率瞬間從推進負載轉移至武器負載,而不會對艦的航行效能產生太大的影響,對於未來裝備電磁炮、鐳射武器等強大的高能武器具有積極的促進作用。
3、綜合電力系統統一協調分配日用電和推進用電,使各發電機組的原動機能以最佳油耗的工況執行,從而具有較好的經濟性。
4、綜合電力系統可實現推進和艦載武備系統之間電能分配的集中控制,特別是採用環形電網加區域配電系統的供電模式,提供了電能合理流動的物理途徑,這對進一步提高艦載武器裝備的可靠性是十分有利的.它為艦船戰鬥使用提供了更大的選擇範圍,增強在高威脅環境下的生存能力和作戰效能
5、採用了綜合電力系統大大壓縮了各種熱機的數量;同時由於電能的優勢,易實現整合和靈活控制,使各系統高效率執行,必將大大簡化艦船動力系統的結構
綜合電力系統的研究是一個龐大的工程,涉及電力工程各個分支專業,如原動機、發電機、電動機、調速、電力電子技術,電力管理等等。許多不同專業的各個裝置的研製應當相互協調,功能相當且介面一致,為滿足系統和總體的需求,需要全面、綜合、系統、深入地開展研究,對各子系統提出要求,所以具有一定的難度。
美國海軍於1980年就建立了綜合電力驅動計劃,希望通過將船舶日用電力系統和推進電力系統合而為一,進一步提高戰船的效能。1990年後,美國海軍將注意力轉到提高船舶的能購性上,研究計劃轉為綜合電力系統(IPS:Integrated Power System)專案。針對當時水面戰鬥艦艇(SC-21,現轉型為DD(X))的概念設計,美海軍完成了費用和效能評估。
到了21世紀,歐美海軍已經實現中壓交流綜合電力系統的工程應用。2009年7月服役的英國45型驅逐艦,是世界上首艘採用中壓交流綜合電力系統的水面主戰艦艇。
綜合電力系統已經成為美海軍解決未來各種水面艦船推進和動力的基本設計方案,其應用範圍有可能進一步擴充套件到航母和輔助艦船.為了節省電力系統的研發費用,美海軍正在研發用以組成電力系統的各種模組,通過這些模組的不同組合可以使構成的電力系統具有最大的通用性。
此外,英國CVF航母、美國DDG1000驅逐艦、法國“西北風”級兩棲攻擊艦等均採用了中壓交流綜合電力系統。
國內外艦舶工業均認為2020年之後水面艦艇應該全部或者部分採用電力推進技術,以增強作戰能力。
國外甚至已經開始在民用船舶中應用綜合電力系統。主要以中壓交流和低壓交流兩種電制形式為主,如美國‘亞特蘭蒂斯’號科考船、‘海洋綠洲’號郵輪、荷蘭‘藍色馬林魚’號半潛船等。
但是中壓交流綜合電力系統技術雖然成熟,但存在裝置體積和重量偏大、系統效率偏低、供電連續性不高等缺點。朱姆沃爾特級一號艦因為12個推進電機驅動系統中的一個出現故障,不得不被拖回船廠在艦身上切開口子進行維修,二號艦在首次海試時,也因為供電系統出現故障,無法繼續後續試驗,被迫返廠修理。
所以,為了在此核心技術上趕超美國,馬偉明院士用了整整 20 年的時間,終於研發成功了中壓直流綜合電力系統!中國也因此成為了世界上第一個在艦艇上實現中壓直流綜合電力系統的國家。這一技術水平,反超國外十五年左右!
中壓直流綜合電力系統相比起中壓交流,突破了系統頻率限制,降低了對原動機調速特性的要求,大幅減小了裝置體積和重量,提高了系統效率和供電連續性,實現了中國艦船動力從傳統機械方式向全電力方式的革命性轉變。
艦船中壓直流綜合電力推進系統以其高功率密度、高執行效率、高操作靈活 性等優點,成為未來艦船綜合電力推進系統發展方向。
目前世界上的艦船綜合電力系統已發展到第二代。朱姆沃爾特級、45型、伊麗莎白級等戰艦採用的是第一代綜合電力系統,實現了交流綜合電力系統的工程化應用。而馬偉明院士團隊研製成功的艦船中壓直流綜合電力系統屬於第二代,央視和軍報對其的評價是:在全球首次研製成功並實現實際應用。
馬偉明院士曾表示:“美國目前是中壓交流,還處於第一代水平,差我們一代。(他們目前)才開始做預研中壓直流,要趕上我們是起碼是十幾年以後的事情。(一項技術)領先不領先,先進不先進不是自己說的,需要世界同行評價,標準是客觀存在的。”
中國在研的所有新型軍艦均已使用中壓直流綜合電力系統,據此分析,這意味著包括新一批055型驅逐艦、在研的003型航母以及095、096型核潛艇都將使用這項新技術。
除了軍事用途之外,中壓直流綜合電力系統在未來也將應用於全電化特種車輛、多電飛機、軌道交通、新能源發電等軍民通用技術領域。推動了社會、經濟的發展。
未來,等到我們成功研製完成十幾艘航母,搭載了中壓直流綜合電力系統的龐大的航母群必將馳騁四海。
目前,馬偉明院士正在事件其“全能艦”的構想,在馬偉明院士設想全能艦的時候,就希望設計一艘能“無限投送火力”的戰艦,利用電磁發射系統,打擊範圍超寬超廣,火力通道超多,代替航母編隊,甚至能消滅航母編隊。
而馬偉明院士的學生,比如團隊裡肖飛、王東、張曉等已經成為了領域裡的中流砥柱,發揮著重要的作用。
也希望他們可以再創輝煌,讓中國海軍馳騁四海。