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“全電動”武器裝備的春天到了嗎?
2020-03-27 15:54:12 來源: 解放軍報
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    2月28日,“的黎波裏”號兩棲攻擊艦交付美海軍。除側重提升航空作業能力外,該艦據稱還有一個較大特點:它是一艘採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,並取得一定成果。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武器裝備今後發展的一大選項。那麼——

    如果對世界上的戰艦、戰車、戰機推動方式稍加對比就會發現,當前,對全電推進係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係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,為什麼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,採用傳統機械推進係統的艦船往往需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。

    採用電力推進方式,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。

    採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産生電力,通過計算機分配和控制,電力可以迅速高效地分配給最需要的組件。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武器等高耗能武器的需要。

    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係和離合器,減少甚至無需變速箱。如此,既減重量、省空間,有利于武器裝備合理配置,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與提升。

    如此,電力推進成為各國寄予厚望的武器裝備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,高速航行時直接採用機械推進方式;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需要。

    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。

    與前者還存在機械直接推進不同,採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、作戰等係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。

    之所以説戰艦是再次駛入“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係統。

    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。後來,“木星”號陰差陽錯被改裝成航空母艦“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,美海軍後來的“田納西”號戰列艦、“科羅拉多”號戰列艦、列克星敦級航母都採用了類似的“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後,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採用部分電力推進技術,驗證混合電力推進的優越性。此後,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,綜合全電推進係統的研究取得成果。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採用全電推進方式。

    法國海軍緊隨其後,2004年下水的西北風級兩棲攻擊艦也應用了全電推進係統。

    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,並在2013年開始陸續下水的朱姆沃爾特級驅逐艦上採用了全電推進係統,但該驅逐艦自下水之日起便問題不斷。

    同時,這一技術開始向潛艇延伸。法國紅寶石級核潛艇和美國弗吉尼亞BLOCK4攻擊型核潛艇均採用全電推進方式。

    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,想説“全電動”不容易

    當前,各國對傳統推進動力坦克的研發、改進與挖潛仍在繼續。與此同時,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,即不僅動力上採用電力推進方式,而且武器裝備也將高度依賴電能,包括使用電磁裝甲、電磁炮、電熱炮等進行防護和作戰。

    如果按以前對電傳動坦克的定義,即只從動力上採用電力推進方式來判定,那麼,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“聖沙蒙”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-考拉度電傳動係統驅動主動輪,帶動履帶板向前開進。

    此後,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,加上傳動係統方面的問題,使它在與重型坦克一起衝鋒時“情況”不斷。

    在此之後,相關探索並未停止。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係統。

    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、南非等國家也先後展開相關研發。

    南非的“大山貓”裝甲偵察車通過換裝德國提供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,最大行程增加了400千米。這反映出,新型電傳動係統已經在一些方面取得新突破。

    除了動力係統上的電動化外,電磁炮、電磁裝甲等新興武器裝備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,都需要消耗大量電能,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

    和戰艦的動力係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。

    一般來説,多電飛機上使用的主要功率是電功率,但也不排除使用少量其他功率。換句話説,多電飛機主要依靠電力飛行,但也不排除使用部分其他能源。它最重要的特徵是大量採用機電作動器,用電力驅動代替了機上的液壓、氣壓、機械係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戰鬥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係統取代液壓、氣動和機械係統的飛機,其飛行控制和機載係統所需功率全部由飛機中央供電係統提供。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,其所用的鋰離子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,其鋰離子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。(王笑夢)

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【糾錯】 責任編輯: 劉憬杭
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