舰船如何靠电力乘风破浪?

近年来,全电推进舰船成为海军的热门话题。所谓全电舰船,就是舰船的动力系统以电传动装置为主体的舰船。也就是说,全电舰船的原动机(柴油机、燃气轮机或核动力)发出的全部功率均用于带动发电机发电,这些电力再由舰船综合电力系统进行分配,或是给电动机组带动螺旋桨发电,或是供舰上的武器、电子系统使用。

电力传动和机械传动是舰船传动装置的两大门类。 时至今日,机械传动的舰船仍是各国海军的主流,但随着基础技术的发展,以往人们并不看好的电力传动装置逐渐克服了其固有的缺陷,体积、重量以及效率逐渐达到甚至超过了机械传动装置。在此前提下,电力传动装置复兴的时代到了。

电力推进技术的发展

电力推进舰艇同样有悠久的历史。1886年,英国建造了1艘以蓄电池-电动机为推进装置的小艇“伏特”号,这艘小艇曾依靠自身电池动力横渡英吉利海峡,是电力推进水面舰艇的始祖。最初的潜艇也有不少采用全电传动装置,1888年,法国人建造了“吉姆诺特”号潜艇。潜艇以564块蓄电池为动力,以55马力的电动机为传动装置,这是早期电力推进潜艇的典型代表。

20世纪初至20世纪20年代,是电力传动舰船的第一次兴盛时期。当时的舰船迅速大型化,满载排水量3万余吨、全长超过200米的大型战舰纷纷出现。而受当时的机械加工工艺限制,超大型、高精度齿轮的加工非常困难,也就难以制造传动功率数万马力的变速箱,长达近百米的传动轴的制造也很不容易。在此情况下,人们想到了电力传动。换句话说,当时启用电力传动装置,是机械传动装置的制造技术暂时无法满足大型舰艇需求,不得已而为之的举动。

在这一时期,各国建造的全电推进舰艇为数不少,其中美国“列克星敦”号、“萨拉托加”号航空母舰、“田纳西”级战列舰等全电舰艇参加过二战,是大家耳熟能详的名舰。但是早期的全电舰艇受到当时电机技术的限制,发电机、电动机体积庞大,且能量转换效率不高,虽然避开了昂贵精密的齿轮和传动轴,但也使得这些军舰的动力系统相当臃肿,浪费了不少有效排水量。到了30年代,随着齿轮和传动轴制造技术的发展,大型战舰配用的机械传动装置已经成熟,电力推进舰船的第一个黄金时期也随之结束。

大型舰艇的机械传动装置在解决了可靠性问题后,其相对紧凑的体积和较高的传动效率完全满足了海军的要求,从几十吨的快艇到满载排水量10万吨的航空母舰、30万吨的超级油轮,机械传动装置均能满足其动力系统的功率输出要求。此后半个多世纪,机械传动装置在水面舰艇上一家独大,成为绝对的主流。但进入20世纪80年代,情况又发生了变化。自动化和电子技术、可控硅整流技术以及稀土材料在电机中的应用,使得同等输出功率的电机尺寸成倍缩小,电机的控制性能、能量转换效率也不断提高。从80年代后期开始,电传动舰船开始复兴。不过,新时期的电传动舰艇不仅仅是简单的“复辟”,与20世纪初的那一代全电舰艇相比,又有了许多创新和发展。

英国海军23型“公爵”级护卫舰拉开了电力推进技术复兴的序幕。“公爵”级并不是全电推进舰艇,它还安装了燃气轮机驱动的传统机械传动装置,但在此之外,它还安装了1套电力推进装置,用于舰艇在反潜时低速行驶。由于在电力传动模式下,舰艇的噪声大为降低,因此更有利于反潜。

“公爵”级之后,90年代欧洲联合推行的“欧洲多功能护卫舰”计划、美国的新一代导弹驱逐舰(DDX)计划纷纷开始采用全电推进。其中美国在全电推进的道路上走得最远、态度最坚决,目前正在设计和建造的“福特”级核动力航空母舰、DDG 1000“朱姆沃尔特”级驱逐舰均已确定采用全电推进。在美国的带动下,英国、法国、俄罗斯等海军大国的全电推进技术均在快速发展。

电力推进技术的优劣

从能量转换的角度来说,机械传动装置是将燃料燃烧的热能转换为驱动螺旋桨运动的动能,能量转换是“一步到位”,而电力传动装置则多了一个一个机械能与电能的转换步骤,全系统是“热能-机械能-电能-机械能”的能量传递方向。从系统重量来说,电力传动和机械传动装置有着相同的部分——热机(柴油机、燃气轮机或核动力)和螺旋桨。它们特有的部分是:机械传动装置有一个大型变速装置和主轴系统;电力传动装置有一个发电机、一个电动机以及相对机械传动系统较小的变速装置、较短的主轴。

由此可见,虽然发电机和电动机的原理在中学物理课本里就已有阐述,但电力传动装置要实用化甚至取代传统的机械传动,并不是大家想的那么简单。电力传动装置增加了发电机和电动机两大砣“死重”,同时电力传动装置也不能彻底取消齿轮变速箱,因为尽管电动机理论上可以变换转速,但只有在某一转速下运转,它的能量转换效率才是最佳的。因此,电力传动装置能否实用化的核心问题,就是需要研制体积小、重量轻、输出功率高、能量转换效率高的新型电机,只有这样,才能将电力传动装置额外增加的体积和重量减小到现代舰艇可以承受的范围内。  

说完劣势说优势。如果解决了体积和重量的问题,采用全电推进系统的舰艇相对于传统推进系统的舰艇,有着巨大的优势。首先是动力系统的布置更具有灵活性。在传统机械传动的舰艇上,舰艇的主机必须安装在传动轴附近,这就限制了动力舱的位置,必须离传动轴近,在船舶底部,都集中在一个或几个相邻的舱室里。而且,这传动轴总还有点长度,得穿透好几个舱室,还要转动,不利于水密舱的密封。全电推进的舰艇,发动机和发电机理论上可以安装在船舱的任一地方,当然电动机还是要安装在传动轴上,但是电动机的体积和重量比一整套发动机、变速齿轮要小得多,因此可以安装在靠近舰尾的地方,主轴长度也大为缩短。

其次,全电推进舰艇可以满足舰载雷达、电子设备和舰载武器日益增长的电能需求。上世纪60年代,美国海军研制“宙斯盾”系统时,第一代原型机就是因为耗电太大、超出了当时美国海军现役舰艇的发电机装机容量,因而宣告破产。全电推进系统只要通过简单的电能分配,就能满足舰载设备的电能需求,顶多是在全功率充电时舰艇不能达到最高航速而已。即使是未来的电磁炮和大功率激光硬杀伤武器,全电推进的舰艇也可以轻松为这些武器系统充电。

此外,电力推进的舰艇噪声较低,对反潜和舰艇本身隐身也大有好处,这已经在英国“公爵”级护卫舰上得到实践验证。电力推进系统振动较小,舰艇结构不易疲劳,有助于提高舰艇主体结构的寿命;电力传动系统的大修、改造和组件更换也比传动机械传动要容易。

舰艇全电推进技术经过一个多世纪的曲折,现在正逐渐成为舰船动力研究的热点。未来的技术发展可能给全电推进系统更大的机遇,超导电机的实用化,甚至化学能-电能直接转换的热机系统都有可能在未来20?30年内研制成功,届时全电推进技术的前景,将比今天更辉煌。


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