戰(zhàn)場電氣化——防務(wù)領(lǐng)YE3電機(jī)域的能量系統(tǒng)技術(shù)革命（2）

時(shí)間：2020-02-06 10:11

英國“暴風(fēng)”未來戰(zhàn)斗機(jī)要求具備定向能武器、先進(jìn)傳感器與數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，對(duì)電力系統(tǒng)提出了更高的要求。

英國蘇帕凱特公司的全電驅(qū)動(dòng)全地形車輛

戰(zhàn)場電氣化的發(fā)展現(xiàn)狀

1．航空裝備電氣化

美空軍早在二戰(zhàn)期間就提出了“基于電力的飛機(jī)”（Electrically-based Aircraft）概念，設(shè)想了未來電氣化的飛機(jī)架構(gòu)。隨著電力電子等相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70至80年代洛克希德公司率先提出了全電飛機(jī)概念，隨后相關(guān)主要航空制造商開展了多電化技術(shù)研究，有力推動(dòng)了航空裝備電氣化進(jìn)程。

在相關(guān)技術(shù)和行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，美空軍于20世紀(jì)90年代初提出了多電飛機(jī)發(fā)展計(jì)劃，1992年聯(lián)合航空指揮官小組組織了來自50余家航空制造企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、高校及來自多軍種的專家，建立“電動(dòng)飛機(jī)聯(lián)合計(jì)劃組”（MEAJPT），開展多電飛機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)研究、原理樣機(jī)研制和系統(tǒng)就成試驗(yàn)等工作。相關(guān)成果已應(yīng)用于美國多個(gè)航空裝備型號(hào)，例如F-22飛機(jī)應(yīng)用了固態(tài)配電技術(shù)，F(xiàn)-35飛機(jī)應(yīng)用了固態(tài)配電、電靜液作動(dòng)、外裝式起動(dòng)／發(fā)電技術(shù)等。

為了進(jìn)一步提高F-35效能、降低研發(fā)和工程研制階段的技術(shù)和周期風(fēng)險(xiǎn)，美空軍于1995年實(shí)施了“聯(lián)合攻擊機(jī)綜合子系統(tǒng)演示驗(yàn)證”（J/IST）計(jì)劃，涵蓋了容錯(cuò)式高壓直流發(fā)電/管理和配電系統(tǒng)（采用270伏高壓直流電力體制、雙通道開關(guān)磁組起動(dòng)/發(fā)電機(jī)）、熱/能量綜合管理系統(tǒng)（輔助動(dòng)力裝置APU、應(yīng)急動(dòng)力裝置EPU、起動(dòng)/發(fā)電機(jī)、環(huán)控系統(tǒng)的綜合）等多項(xiàng)電氣化關(guān)鍵技術(shù)。

隨后美空軍實(shí)驗(yàn)室開展了為期10年的“飛行器能量綜合技術(shù)”（INVENT）計(jì)劃，自2008年招標(biāo)啟動(dòng)至2018年初完成，美國主要航空主機(jī)制造商（波音、洛馬、諾格）、發(fā)動(dòng)機(jī)制造商（通用電氣、普惠、羅羅北美）、機(jī)載系統(tǒng)制造商（漢勝、派克、穆格、霍尼韋爾）等均參與了INVENT計(jì)劃。該計(jì)劃關(guān)注3大子系統(tǒng)，包括魯棒電源系統(tǒng)、自適應(yīng)動(dòng)力與熱管理系統(tǒng)、高性能電作動(dòng)系統(tǒng)，開展了模型開發(fā)、仿真分析、系統(tǒng)綜合、地面演示驗(yàn)證等研究。

INVENT計(jì)劃完成后，美空軍進(jìn)一步提出“下一代熱、電力與控制”（NGT-PAC）計(jì)劃，增進(jìn)對(duì)未來機(jī)載電力系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，從主機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)角度評(píng)估其技術(shù)可行性，并開展演示驗(yàn)證。該項(xiàng)目被列為“絕密”級(jí)別，項(xiàng)目周期7年，內(nèi)容包括電力與熱管理架構(gòu)綜合研究、電力系統(tǒng)研究等多個(gè)領(lǐng)域，涵蓋魯棒高效電源管理、先進(jìn)電力控制與分配技術(shù)等技術(shù)內(nèi)容。

在開展多電技術(shù)研究的同時(shí)，以NASA、美國防部國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）、美空軍研究實(shí)驗(yàn)室為代表的研究機(jī)構(gòu)和以空客、羅羅為代表的企業(yè)正在開展電推進(jìn)技術(shù)研究。NASA開展了X-57全電推進(jìn)演示驗(yàn)證計(jì)劃，資助開發(fā)兆瓦級(jí)電機(jī)和電力電子設(shè)備研究，建設(shè)24兆瓦、4.5千伏電推進(jìn)飛機(jī)試驗(yàn)臺(tái)（NEAT）?？湛驮陔妱?dòng)通用飛機(jī)研究基礎(chǔ)上與羅羅公司合作開展E-Fan X支線級(jí)混合電推進(jìn)演示驗(yàn)證計(jì)劃，測試2.5兆瓦發(fā)電機(jī)、2兆瓦電機(jī)、3千伏高壓電網(wǎng)等技術(shù)。NASA與波音在“航空推進(jìn)系統(tǒng)研究與技術(shù)”（RTAPS）項(xiàng)目下，共同研究提出了N3-X未來干線分布式超導(dǎo)渦輪電推進(jìn)飛機(jī)概念，由2臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸功率、利用超導(dǎo)發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動(dòng)15臺(tái)嵌入機(jī)身后部的超導(dǎo)電機(jī)產(chǎn)生推力，同時(shí)配電系統(tǒng)、電纜也將廣泛采用高溫超導(dǎo)技術(shù)，一方面保證極高的能量效率，另一方面可顯著降低系統(tǒng)重量。在民用航空市場的巨大投資驅(qū)動(dòng)下，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)能夠得到快速發(fā)展，有望迅速應(yīng)用于武器裝備領(lǐng)域。

英國奎奈蒂克公司的輪內(nèi)電動(dòng)輪轂驅(qū)動(dòng)技術(shù)

2013年，DARPA啟動(dòng)了“垂直起降實(shí)驗(yàn)飛機(jī)”（VTOL X）計(jì)劃，由極光飛行科學(xué)公司（Aurora Flight Sciences，現(xiàn)屬波音）、羅羅公司和霍尼韋爾公司合作開發(fā)名為XV-24的分布式電推進(jìn)傾轉(zhuǎn)翼垂直起降飛機(jī)。XV-24具有24個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變距涵道風(fēng)扇，可實(shí)現(xiàn)垂直起降并轉(zhuǎn)換為平飛巡航模態(tài)。但由于霍尼韋爾在1兆瓦發(fā)電機(jī)研發(fā)過程中遇到了熱管理困難、同時(shí)DARPA沒有找到合適的軍方合作項(xiàng)目，因而DARPA于2018年年初取消了該計(jì)劃。

2020年美國航空航天學(xué)會(huì)科技大會(huì)（AIAA SciTech Forum and Exposition）上，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室展示了一款分布式混合電推進(jìn)飛機(jī)概念模型。這一概念采用分布式電推進(jìn)布局，駕駛艙上方設(shè)置有鴨翼，同時(shí)采用無尾布局。機(jī)翼分段，內(nèi)側(cè)為平直盒狀翼，分隔為7組涵道，采用分布式電推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力；機(jī)翼外側(cè)為常規(guī)后掠翼。根據(jù)NASA此前公布的類似概念方案推測，內(nèi)、外翼連接處結(jié)構(gòu)可容納內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，為推進(jìn)系統(tǒng)提供電力?？紤]到混合電推進(jìn)技術(shù)能夠有效提高能量效率、降低噪聲，因此可推測該飛機(jī)概念作為運(yùn)輸機(jī)可獲得良好收益，一方面保證較大航程，另一方面降低在戰(zhàn)場上的噪聲特征。

2．地面裝備電氣化

美陸軍針對(duì)戰(zhàn)場電氣化設(shè)定了10年發(fā)展目標(biāo)，要求完成全部設(shè)備的電氣化。美陸軍坦克車輛研究開發(fā)工程中心開展了“下一代作戰(zhàn)車輛”（NGCV）計(jì)劃，計(jì)劃于2022年前完成2輛坦克原型機(jī)。

英國國防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Dstl）于2019年9月11日宣布投資320萬英鎊，開展未來地面作戰(zhàn)車輛研究，核心內(nèi)容為地面裝備電驅(qū)動(dòng)解決方案。該項(xiàng)目由奎奈蒂克公司（QinetiQ）牽頭開展，將采用輪內(nèi)電動(dòng)輪轂驅(qū)動(dòng)（In-wheel electric hub drive）技術(shù)，同時(shí)探索電力和液壓主動(dòng)懸架控制、車輛地形掃描傳感、激光雷達(dá)等技術(shù)。通過電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，有效提高作戰(zhàn)車輛的操作性和戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性，同時(shí)提高能量效率。該研究計(jì)劃為期3年，分為2個(gè)階段。第一階段將為期1年，重點(diǎn)是概念研究和建模；第二階段為期2年，開展原型機(jī)設(shè)計(jì)與測試。參與研究的機(jī)構(gòu)還包括克蘭菲爾德大學(xué)、威廉姆斯高級(jí)工程學(xué)院、霍斯特曼防御系統(tǒng)（軍用車輛懸架領(lǐng)域?qū)I(yè)公司）等。

英國汽車制造商蘇帕凱特公司（Supacat）在2019年英國國際防務(wù)展上公布了全電驅(qū)動(dòng)的有人駕駛?cè)匦诬囕v（ATMP）驗(yàn)證機(jī)。ATMP基于現(xiàn)有平臺(tái)進(jìn)行電氣化改裝，拆除原有發(fā)動(dòng)機(jī)，裝配電池組、電機(jī)和變速裝置，動(dòng)力輸出至輪轂驅(qū)動(dòng)車輛。采用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有效提升了車輛的控制性能，允許駕駛員和控制系統(tǒng)更為精確地控制車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3．海上裝備電氣化

隨著先進(jìn)任務(wù)系統(tǒng)及武器系統(tǒng)技術(shù)的引入，艦艇功率需求激增，對(duì)電力系統(tǒng)容量和穩(wěn)定性的需求也大幅提升。為了保證任務(wù)系統(tǒng)及艦艇平臺(tái)的用電質(zhì)量，美海軍于2007年在計(jì)劃執(zhí)行辦公室（PEO）下建立了電動(dòng)艦艇辦公室（ESO，PMS 320），負(fù)責(zé)開發(fā)架構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性良好并且能力先進(jìn)的電力系統(tǒng)，特別關(guān)注定向能（DE）和其他高功率任務(wù)系統(tǒng)的能量系統(tǒng)研究及其平臺(tái)集成，滿足海軍艦艇的使用需求。

2015年，美海軍海上系統(tǒng)司令部提出了《海軍動(dòng)力與能量系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展路線圖》（NPES TDR），梳理了新一代艦載能量系統(tǒng)的需求與關(guān)鍵技術(shù)。2019年1月2日，海上系統(tǒng)司令部發(fā)布了“多用途艦載能量庫”（Multi-Application Shipboard Energy Magazine）研究計(jì)劃的信息征求（RFI），旨在研究面向定向能武器等新型負(fù)載的模塊化、可擴(kuò)展的中間電力系統(tǒng)，目的在于為定向能武器等高能任務(wù)系統(tǒng)提供電力，同時(shí)保護(hù)能量系統(tǒng)及平臺(tái)其他系統(tǒng)不受任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖的影響。同時(shí)，能量庫可以支持艦艇平臺(tái)的能量管理、負(fù)載均衡和應(yīng)急供電。

4．后勤保障電氣化

美陸軍已經(jīng)嘗試了在戰(zhàn)場后勤保障中使用新型電氣化手段，從而節(jié)約燃油消耗和人力成本，降低燃油運(yùn)輸對(duì)后勤供應(yīng)的壓力。

美陸軍在阿富汗執(zhí)行了“尼姆羅茲”行動(dòng)（Operation Nimroz），采用電池、太陽能板等新型電氣化設(shè)備，代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為行動(dòng)提供能源。按照后勤保障要求，該行動(dòng)的基地需要使用13臺(tái)基于燃油的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、保證任務(wù)的能源需要，但大部分發(fā)電機(jī)都會(huì)處于低功率運(yùn)行狀態(tài)。美國陸軍引入了2套由電池、太陽能板和發(fā)電機(jī)組成的混合裝置為特定任務(wù)提供電能，僅僅使用上述2套混合裝置和2臺(tái)原有發(fā)電機(jī)就滿足了要求的后勤保障任務(wù)。這一嘗試每周可節(jié)約1600加侖（約合6060升）燃油、30個(gè)發(fā)電機(jī)加油工時(shí)和20個(gè)發(fā)電機(jī)維護(hù)工時(shí)，工程師可將精力集中在更為重要的任務(wù)上，同時(shí)有效減少了基地運(yùn)行過程消耗的燃油，降低了后勤保障的壓力。

啟示

隨著能源供應(yīng)、后勤保障壓力等問題的凸顯，同時(shí)也伴隨著電力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場電氣化正在逐步引起軍方與工業(yè)界的關(guān)注，包括大功率發(fā)電機(jī)、高能量密度電池、超導(dǎo)發(fā)/配電系統(tǒng)、先進(jìn)能量管理等在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)研究全球各國均處于技術(shù)成熟度較低的階段，需要在超導(dǎo)材料、寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域有所突破。

我國在動(dòng)力電池等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，以戰(zhàn)場電氣化引發(fā)的技術(shù)革新為契機(jī)，我國應(yīng)當(dāng)主動(dòng)作為、加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與相關(guān)技術(shù)演示驗(yàn)證研究，支撐未來跨越發(fā)展、搶占先機(jī)。