戰(zhàn)場電氣化——防務領YE3電機域的能量系統(tǒng)技術革命（2）

時間：2020-02-06 10:11

英國“暴風”未來戰(zhàn)斗機要求具備定向能武器、先進傳感器與數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，對電力系統(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”（Electrically-based Aircraft）概念，設想了未來電氣化的飛機架構(gòu)。隨著電力電子等相關基礎技術的發(fā)展，20世紀70至80年代洛克希德公司率先提出了全電飛機概念，隨后相關主要航空制造商開展了多電化技術研究，有力推動了航空裝備電氣化進程。

在相關技術和行業(yè)發(fā)展的推動下，美空軍于20世紀90年代初提出了多電飛機發(fā)展計劃，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)、研究機構(gòu)、高校及來自多軍種的專家，建立“電動飛機聯(lián)合計劃組”（MEAJPT），開展多電飛機基礎技術研究、原理樣機研制和系統(tǒng)就成試驗等工作。相關成果已應用于美國多個航空裝備型號，例如F-22飛機應用了固態(tài)配電技術，F(xiàn)-35飛機應用了固態(tài)配電、電靜液作動、外裝式起動／發(fā)電技術等。

為了進一步提高F-35效能、降低研發(fā)和工程研制階段的技術和周期風險，美空軍于1995年實施了“聯(lián)合攻擊機綜合子系統(tǒng)演示驗證”（J/IST）計劃，涵蓋了容錯式高壓直流發(fā)電/管理和配電系統(tǒng)（采用270伏高壓直流電力體制、雙通道開關磁組起動/發(fā)電機）、熱/能量綜合管理系統(tǒng)（輔助動力裝置APU、應急動力裝置EPU、起動/發(fā)電機、環(huán)控系統(tǒng)的綜合）等多項電氣化關鍵技術。

隨后美空軍實驗室開展了為期10年的“飛行器能量綜合技術”（INVENT）計劃，自2008年招標啟動至2018年初完成，美國主要航空主機制造商（波音、洛馬、諾格）、發(fā)動機制造商（通用電氣、普惠、羅羅北美）、機載系統(tǒng)制造商（漢勝、派克、穆格、霍尼韋爾）等均參與了INVENT計劃。該計劃關注3大子系統(tǒng)，包括魯棒電源系統(tǒng)、自適應動力與熱管理系統(tǒng)、高性能電作動系統(tǒng)，開展了模型開發(fā)、仿真分析、系統(tǒng)綜合、地面演示驗證等研究。

INVENT計劃完成后，美空軍進一步提出“下一代熱、電力與控制”（NGT-PAC）計劃，增進對未來機載電力系統(tǒng)的認識，從主機和發(fā)動機兩個角度評估其技術可行性，并開展演示驗證。該項目被列為“絕密”級別，項目周期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)研究等多個領域，涵蓋魯棒高效電源管理、先進電力控制與分配技術等技術內(nèi)容。

在開展多電技術研究的同時，以NASA、美國防部國防預先研究計劃局（DARPA）、美空軍研究實驗室為代表的研究機構(gòu)和以空客、羅羅為代表的企業(yè)正在開展電推進技術研究。NASA開展了X-57全電推進演示驗證計劃，資助開發(fā)兆瓦級電機和電力電子設備研究，建設24兆瓦、4.5千伏電推進飛機試驗臺（NEAT）?？湛驮陔妱油ㄓ蔑w機研究基礎上與羅羅公司合作開展E-Fan X支線級混合電推進演示驗證計劃，測試2.5兆瓦發(fā)電機、2兆瓦電機、3千伏高壓電網(wǎng)等技術。NASA與波音在“航空推進系統(tǒng)研究與技術”（RTAPS）項目下，共同研究提出了N3-X未來干線分布式超導渦輪電推進飛機概念，由2臺渦軸發(fā)動機輸出軸功率、利用超導發(fā)電機為系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動15臺嵌入機身后部的超導電機產(chǎn)生推力，同時配電系統(tǒng)、電纜也將廣泛采用高溫超導技術，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)動下，相關關鍵技術能夠得到快速發(fā)展，有望迅速應用于武器裝備領域。

英國奎奈蒂克公司的輪內(nèi)電動輪轂驅(qū)動技術

2013年，DARPA啟動了“垂直起降實驗飛機”（VTOL X）計劃，由極光飛行科學公司（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的分布式電推進傾轉(zhuǎn)翼垂直起降飛機。XV-24具有24個電機驅(qū)動的變距涵道風扇，可實現(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)電機研發(fā)過程中遇到了熱管理困難、同時DARPA沒有找到合適的軍方合作項目，因而DARPA于2018年年初取消了該計劃。

2020年美國航空航天學會科技大會（AIAA SciTech Forum and Exposition）上，美空軍研究實驗室展示了一款分布式混合電推進飛機概念模型。這一概念采用分布式電推進布局，駕駛艙上方設置有鴨翼，同時采用無尾布局。機翼分段，內(nèi)側(cè)為平直盒狀翼，分隔為7組涵道，采用分布式電推進系統(tǒng)提供動力；機翼外側(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)燃機驅(qū)動的發(fā)電機系統(tǒng)，為推進系統(tǒng)提供電力?？紤]到混合電推進技術能夠有效提高能量效率、降低噪聲，因此可推測該飛機概念作為運輸機可獲得良好收益，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

美陸軍針對戰(zhàn)場電氣化設定了10年發(fā)展目標，要求完成全部設備的電氣化。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）計劃，計劃于2022年前完成2輛坦克原型機。

英國國防科學技術實驗室（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)動解決方案。該項目由奎奈蒂克公司（QinetiQ）牽頭開展，將采用輪內(nèi)電動輪轂驅(qū)動（In-wheel electric hub drive）技術，同時探索電力和液壓主動懸架控制、車輛地形掃描傳感、激光雷達等技術。通過電驅(qū)動技術的應用，有效提高作戰(zhàn)車輛的操作性和戰(zhàn)術機動性，同時提高能量效率。該研究計劃為期3年，分為2個階段。第一階段將為期1年，重點是概念研究和建模；第二階段為期2年，開展原型機設計與測試。參與研究的機構(gòu)還包括克蘭菲爾德大學、威廉姆斯高級工程學院、霍斯特曼防御系統(tǒng)（軍用車輛懸架領域?qū)I(yè)公司）等。

英國汽車制造商蘇帕凱特公司（Supacat）在2019年英國國際防務展上公布了全電驅(qū)動的有人駕駛?cè)匦诬囕v（ATMP）驗證機。ATMP基于現(xiàn)有平臺進行電氣化改裝，拆除原有發(fā)動機，裝配電池組、電機和變速裝置，動力輸出至輪轂驅(qū)動車輛。采用電驅(qū)動系統(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動狀態(tài)。

3．海上裝備電氣化

隨著先進任務系統(tǒng)及武器系統(tǒng)技術的引入，艦艇功率需求激增，對電力系統(tǒng)容量和穩(wěn)定性的需求也大幅提升。為了保證任務系統(tǒng)及艦艇平臺的用電質(zhì)量，美海軍于2007年在計劃執(zhí)行辦公室（PEO）下建立了電動艦艇辦公室（ESO，PMS 320），負責開發(fā)架構(gòu)簡單、經(jīng)濟性良好并且能力先進的電力系統(tǒng)，特別關注定向能（DE）和其他高功率任務系統(tǒng)的能量系統(tǒng)研究及其平臺集成，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《海軍動力與能量系統(tǒng)技術發(fā)展路線圖》（NPES TDR），梳理了新一代艦載能量系統(tǒng)的需求與關鍵技術。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）研究計劃的信息征求（RFI），旨在研究面向定向能武器等新型負載的模塊化、可擴展的中間電力系統(tǒng)，目的在于為定向能武器等高能任務系統(tǒng)提供電力，同時保護能量系統(tǒng)及平臺其他系統(tǒng)不受任務系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖的影響。同時，能量庫可以支持艦艇平臺的能量管理、負載均衡和應急供電。

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，降低燃油運輸對后勤供應的壓力。

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

啟示

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

我國在動力電池等相關技術領域具有較強的技術和產(chǎn)業(yè)基礎，以戰(zhàn)場電氣化引發(fā)的技術革新為契機，我國應當主動作為、加強基礎研究與相關技術演示驗證研究，支撐未來跨越發(fā)展、搶占先機。