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"全電動"的春天到了嗎?

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年07月11日  

二月二十八日,"的黎波里"號兩棲攻擊艦交付美海軍。除側重提升作業能力外,該艦據稱還有一個較大特點:它是一艘采用全電推進方式的軍艦。


長期以來,不少國家一直在研發全電推進的戰艦,并取得一定成果。一些國家的科研人員還對相關技術應用加以延伸,試圖探索用"電動"方式來解決坦克、戰機的一些問題。


發電機、電動機加身,似乎正在成為更多可機動今后發展的一大選項。那么——


假如對世界上的戰艦、戰車、戰機推動方式稍加比較就會發現,當前,對全電推進系統可以相對成熟地加以運用的,是一些國家海軍的艦船。而且,越來越多的國家正在對全電推進系統上艦表現出濃厚的興趣。


在機械推進技術已經成熟的今天,為何電力推進方式能贏得各國海軍垂青?原因就是,和傳統的機械推進相比,它具有適應當前艦艇發展以及未來戰爭需求的潛力。


隨著現代戰艦上用電設施越來越多,采用傳統機械推進系統的艦船往往要配置至少兩套原動機:一套原動機用來驅動機械帶動螺旋槳等,使戰艦前行;另一套用來發電,滿足艦上各類用電設施的需求。這就使得戰艦動力結構更加復雜、造價高昂,易出故障且難以維修。


采用電力推進方式,用發電機將艦船原動機的機械能轉換為電能,再傳輸給艦船的推進電動機,帶動螺旋槳或噴水推進器工作,不僅可以降低燃油消耗、合理利用能源、降低整體成本,而且可以延長發動機的使用壽命。


采用全電推進方式的戰艦,優勢更加明顯。全艦所有原動機都用來出現電力,通過計算機分配和控制,電力可以迅速高效地分配給最要的組件。這樣的動力調配方式,有利于更好地滿足電磁彈射裝置、電動升降機甚至高能激光等高耗能的要。


全電推進方式下,能量由電力傳輸而不是由機械傳輸,因此艦船可以省去傳動軸系和離合器,減少甚至無需變速箱。如此,既減重量、省空間,有利于合理配置,也使得戰艦更易于操控。同時,電力通過多路徑流向電動機,也可以提升艦船動力的抗毀性。


當然,電力推進方式所帶來的這些特點和優勢,不會只體現在戰艦上,這種推進方式用在戰車和戰機上,也同樣能帶來相關方面的很大改變和提升。


如此,電力推進成為各國寄予厚望的動力選項也就不足為奇了。


戰艦:再次駛入"全電推進"時代


當前,各國戰艦主流的推進方式仍為機械電力混合推進,即以大功率的柴油機、蒸汽機、燃汽機為原動力,高速航行時直接采用機械推進方式;低速巡航時,依靠電動機驅動螺旋槳等,以滿足艦船經濟性和低噪聲要。


但是,這種混合推進方式目前正被更"高端"的綜合電力推進方式所取代。


和前者還存在機械直接推進不同,采用綜合電力推進方式時,艦上所有的二級能源都為電能,推進、等系統的運行全部由電能帶動電動機來驅動。艦船的"全電推進"指的就是這種綜合電力推進方式,而不是指狹義上的僅靠電池來驅動。


之所以說戰艦是再次駛入"全電推進"時代,是因為早在上世紀初,就已有戰艦開始應用全電推進系統。


眾所周知,在燃氣輪機領域,英國一直處于世界領先地位。但上世紀初的全電推進領域,跑在前面的卻是美海軍。原因很簡單:美國當時尚未研制成功大功率蒸汽輪機的減速齒輪。


無奈之下,其設計師在研發海軍"木星"號運煤船時,便想到用蒸汽輪機來發電、再由電動機驅動螺旋槳。后來,"木星"號陰差陽錯被改裝成母艦"蘭利"號,這使它極其偶然地成為人類歷史上第一艘全電推進的戰艦。


基于同樣原因,美海軍后來的"田納西"號戰列艦、"科羅拉多"號戰列艦、列克星敦級航母都采用了類似的"蒸汽輪機+發電機+電動機"推進設計。


不過,當時艦船上的電路抗損性較差,動力可靠性不如機械驅動的戰艦,所以在大型減速齒輪研制成功后,美海軍又回到蒸汽輪機經減速齒輪驅動螺旋槳的時代。


上世紀80年代,隨著新型發動機和發電機的問世及戰艦噸位增大,電力推進概念復蘇。1987年英國率先在現代護衛艦上采用部分電力推進技術,驗證混合電力推進的優越性。此后,法、德、美等國的海軍相繼裝備了混合電力推進艦船,如歐洲多任務護衛艦、F125型護衛艦、"馬金島"號兩棲攻擊艦等。


這一過程中,綜合全電推進系統的研究取得成果。這次,走在前面的仍是英國。


2001年,英國全電推進的"海神之子"級船塢登陸艦下水。2006年開始下水的45型驅逐艦及2014年下水的"伊麗莎白女王"號常規動力航母同樣采用全電推進方式。


法國海軍緊隨其后,2004年下水的西北風級兩棲攻擊艦也應用了全電推進系統。


美海軍在其2006年下水的劉易斯和克拉克級彈藥補給艦上驗證了全電推進技術,并在2013年開始陸續下水的朱姆沃爾特級驅逐艦上采用了全電推進系統,但該驅逐艦自下水之日起便問題不斷。


同時,這一技術開始向延伸。法國紅寶石級核和美國弗吉尼亞BLOCK4攻擊型核均采用全電推進方式。


可以預見,隨著更多高強度、輕質量復合材料在發電機上的應用,以及大功率、小尺寸電動機技術的不斷突破和發展,"全電動"戰艦也許將很快迎來自己的春天。


坦克:局部突破,想說"全電動"不容易


當前,各國對傳統推進動力坦克的研發、改進和挖潛仍在繼續。和此同時,作為新概念坦克——全電坦克日益成為研發的重點。


這種新概念坦克和以前的電傳動坦克有所不同,它的火力、機動和防護都以電能為基礎,即不僅動力上采用電力推進方式,而且也將高度依賴電能,包括使用電磁裝甲、電磁炮、電熱炮等進行防護和。


假如按以前對電傳動坦克的含義,即只從動力上采用電力推進方式來判定,那么,在第一次世界大戰期間,就已有"電動坦克"投入戰場。它就是法國的"圣沙蒙"重型坦克。


這種重達20多噸的坦克,動力源是一臺90馬力的四缸汽油機,通過克羅切特-考拉度電傳動系統驅動主動輪,帶動履帶板向前開進。


此后,多國在電傳動坦克研制方面作過嘗試,包括英國的TOG重型坦克,美國T1E1重型坦克,德國"虎"P重型坦克、"鼠"超重型坦克以及蘇聯IS-6重型坦克等。只不過,這些嘗試幾乎都因電傳動技術不夠成熟歸于失敗。


德國的費迪南/象式重型坦克殲擊車可謂這個時期碩果僅存的"電動坦克"。它曾參加庫爾斯克戰役,擊毀過對手的不少坦克。但是,超過60噸的體重,加上傳動系統方面的問題,使它在和重型坦克一起沖鋒時"情況"不斷。


在此之后,相關探索并未停止。冷戰期間,美國曾經為M113裝甲車和AAV7兩棲裝甲車換裝過新型電傳動裝置,德國也在"黃鼠狼"步兵戰車上安裝過使用永磁電機的電傳動系統。


進入上世紀90年代,隨著發電機、電動機研發領域出現明顯進步,一些國家提出"全電坦克"的概念,開始以此為基礎研發下一代新型坦克。如美國聯合防務公司設計研發的轉型技術演示車TTD、德國馬克公司推出的LLX型裝甲車等,瑞典、法國、南非等國家也先后展開相關研發。


南非的"大山貓"裝甲偵察車通過換裝德國供應的永磁電機和使用混合鎳電池,從機械傳動裝置改裝為電傳動裝置,重量減輕1.8噸多,最大行程新增了400千米。這反映出,新型電傳動系統已經在一些方面取得新突破。


除了動力系統上的電動化外,電磁炮、電磁裝甲等新興的研制也在緊鑼密鼓地進行。當前,一些國家已研制出電磁炮樣炮,據稱可用于新型坦克。


但是,無論是電磁炮、電磁裝甲,都要消耗大量電能,儲電裝置體積過于龐大,仍將是坦克"全電動化"研制過程中需長期面對的難題。


戰機:"多電"方興,"全電"研發之路仍然漫長


和戰艦的動力系統有混合推進和全電推進之分類似,飛機其實也有多電飛機和全電飛機之分。


一般來說,多電飛機上使用的重要功率是電功率,但也不排除使用少量其他功率。換句話說,多電飛機重要依靠電力飛行,但也不排除使用部分其他能源。它最重要的特點是大量采用機電作動器,用電力驅動代替了機上的液壓、氣壓、機械系統和飛機附件傳動機匣。


上世紀80年代中期,美國先行組織開展對多電飛機技術的研究。研究涉及到發電、配電、電力管理、電防冰、電剎車、電力作動和發動機等多個方面。目前,相關研究成果已逐漸得到應用,F-35戰斗機也因此成為具有一定代表性的多電戰機。


廣義上的全電飛機則是指以完整的電氣系統取代液壓、氣動和機械系統的飛機,其飛行控制和機載系統所需功率全部由飛機中央供電系統供應。從發展進程來看,多電飛機可視為全電飛機發展的一個過渡階段。當前,"多電"方興未艾,而"全電"相關技術還不夠成熟,其研發之路仍然漫長。


不過,全電戰機的影子已在一些試驗飛機上閃現,如2019年底美國在阿姆斯特朗飛行研究中心展示的X-57飛機,就純粹以燃料動力鋰電池、太陽能電池為動力源。作為一款全電動載人飛機,其所用的鋰電池模塊已完成飛行條件下的測試,電動機也已經通過驗收。但在此之前,其鋰電池在熱失控試驗中遭遇嚴重失敗,以至于相關方不得不重新設計電池模塊。


而一些以太陽能電池為動力的中大型無人機,要具備夜間持久飛行的能力,也必須先過研發關,即要能研究出可儲存足夠能量的高儲能光電池陣列。


由此來看,即使是狹義上的全電戰機,打造起來也絕非易事。從這個層面來看,無論是廣義還是狹義上的"全電"戰機,其研發之路仍將漫長而艱難。

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