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在关于电磁轨道炮和电磁弹射器的热烈讨论中,经常可以看到一些似是而非又相互矛盾的观点。其中的误解,很多都来自于对电磁发射系统能源需求的不了解,从早前的“只有核动力航母才能使用电磁弹射器”到最近的“中国的电磁炮不需要电池组,可以直接发射”等等。这些说法,很大程度上是来自于不理解电磁发射系统的能源需求。本文将对电磁弹射器和电磁轨道炮两种典型电磁发射系统的能源需求进行分析,并简单介绍一下其背后的能源管理问题。

在本文中所引用的信息,未特别标明的都来自于以下论文:1、⻢伟明院士领衔署名,发表于2016年12月的《电磁发射技术》;2、同样由马院士为第一作者,发布于2016年10月的《电磁发射系统中电力电子技术的应用与发展》;3、来自⻢院士团队,发表于2013年10月的《飞机电磁弹射系统发展综述》;4、同样来自马院士团队,发表于2017年6月的《电磁发射用多级混合储能充电策略优化》。

在开始进一步的分析前首先说明:为了便于估算,在本文中假设认为电磁发射过程是一个匀加速直线运动,并将使用对应的公式加以测算。这一点对于电磁弹射相当准确(其平均加速度变动范围在5%以内),对于电磁轨道炮则有一定误差,因为现有的某些电磁轨道炮实验中其加速度变化范围相对较大(在MD的实验中从20000g+到60000g+),但在这里对于能量和功率的量级估算影响不大。

1、有限的能量:电磁发射需要的总能量不算高

单单观察电磁发射过程的能量需求,会发现其数量有限而能源效率极高。先看电磁弹射器,以MD现有型号指标来计算:其最大弹射能量为122MJ(兆焦),大约就是把质量25吨的飞机以100m/s速度弹射出去时的能量;再考虑到电磁弹射器大约60%的能源效率,则其一次弹射所需的总能量大约是203MJ;转化成我们熟悉的千瓦时KW.H(也就是一度电),大约不到57度电,以现有居民电价计算,价格不到50元人民币。

再看电磁轨道炮:以MD目前开发的32MJ的电磁轨道炮为例,这大约相当于将10Kg的弹丸以2500m/s的速度打出去,理论上其最大射程可达250公里以上;由于发射能量为最大32MJ,即便考虑到现有电磁轨道炮悲催的百分之十多一些的能量效率(为便于计算取15%),其发射所需要的总能量也不过是213MJ,换算成kwh大约是59度电多一点。换回人民币50多一点。可以大幅度降低打击成本,这也是md海军立项时忽悠元老院的重要依据。

综合起来看,电磁发射技术的一大优势就是其能量效率很高,而需要的总能量并不算高。以电磁弹射器对比传统蒸汽弹射器为例,每次弹射的能量转化效率只有4-6%,更不用说由于其准备时间需要24小时以上,以至于其必须在执行任务时始终处于准备运行状态而带来的巨大能量消耗。综合起来,电磁弹射不但能量转化效率高达60%左右,更由于其准备时间只需要15分钟左右,在准备状态下的能耗也极低(不用一直烧几吨开水),其整体能效至少高过传统蒸汽弹射两到三个数量级!三峡发电都不够用的电磁轨道炮 中国是如何装上船的

电磁发射技术的军民用方向

2、海量的功率:对供电系统功率的惊人需求

虽然电磁弹射和电磁轨道炮每次发射的总能量并不算高,但一旦讨论到其对供电系统功率的需求时,则完全是另外一回事了。因为这里加入了一个极其关键的变量:时间。

以电磁弹射系统为例,基于上面的例子,在90米左右的轨道上实现100m/s的发射速度,总的弹射时间约为2s。也就是说,上述203MJ的能量必须由供电系统在2s之内提供完成;2s换算一下大约为1800分之一小时,则在弹射期间供电系统的平均功率需要达到约100MW。这个功率需求,大约相当于四台原版的LM2500燃气轮机(每台发电功率24MW)。也就是说112、113两条舰艇停住不动,其上的燃气轮机全都用来发电,大约可以勉强满足一条电磁弹射器的电源功率要求。

如果说电磁弹射器的需求尽管极高,但还在可想象的范围内。一旦讲到电磁轨道炮,那就是吓死人的数值了。原因很简单,把电磁炮弹在10m的轨道内从0加速到2500m/s所需的时间,大约是0.008s!以上面32MJ的例子换算一下,在电磁炮发射期间所需的供电系统的平均功率,大约为26.6GW(26600MW)。为便于理解这个值有多大,咱们对比一下:三峡水电站作为中国也是世界上最大的单一发电厂,其发电满功率是约21GW!也就是说,整个三峡的发电功率,带不动一门发射能量为32MJ的电磁轨道炮!

所以,如果从对电源系统的功率要求角度来看,所有的电磁发射系统的需求都是海量。如果说理论上来说,核动力航母可以直接发电驱动电磁弹射器(比如尼米兹级的最大发电量据说可达190MW),这算是电磁弹射器只能搭配核动力航母这一说法的靠谱点的理由了。但在实际使用时,考虑到输变配电系统的一系列潜在问题,福特级上面的电磁弹射器也并非直连推动,也还是采用了基于储能的功率变换系统。而对于电磁轨道炮来说,除非能有歼星舰级别的黑科技,不可能有任何舰艇动力和电源系统可以直接与其适配。三峡发电都不够用的电磁轨道炮 中国是如何装上船的

MD用于电磁轨道炮的新一代电源组件,据说其每单元储能可达415KJ

3、储能放大:电磁发射系统的能源实现原理

既然直接由舰艇动力和电源系统直连驱动的路走不通,为了满足各类电磁推进系统对电源系统的超高要求,就需要有的放矢的针对其需求特点进行改进。其解决问题的基本思路,我个人总结为“储能放大”。首先,请看一下马院士论文中给出的结构图:三峡发电都不够用的电磁轨道炮 中国是如何装上船的

电磁发射系统组成图

由上图中可以看出,任何一种电磁发射装置都有四个大模块构成。在其中:“储能系统”直接和舰艇提供的电网连接,可以从外部电网中获取持续但功率有限的电源,而后将其储存于自身的储能装置中;而后一旦需要开始发射过程,“功率变换系统”可以将储能系统中的长时间储备的电能,在极短的时间内转换为超大的瞬时功率输出给对应的脉冲发射装置;而后,由“脉冲发射装置”使用获取的巨大瞬时功率,根据其不同的发射原理(电磁弹射器的直线电机、电磁轨道炮的轨道电枢)实施相应的发射动作;而所谓“控制系统”负责实现对这个过程的精确控制。

从本质上来说,用来解决电源系统功率问题的就是储能系统和功率变换系统。其相互协同,负责将从外部电网较长时间充电获取的电能,在短时间以极高功率/电流的方式释放出来。在某种程度上说,这是外部电源功率在时间轴上的压缩放大过程。举例来说,外部网络的充电功率可能只有1MW,可如果持续充能10分钟,而后将存储的电能在2s内释放出来。那么在不考虑储能和功率转换系统变换损失的情况下,其在2s内可以释放出来的短时间功率达到了600s/2s=300倍,也就是300MW的超高水平,足够驱动3条电磁弹射器同时完成一次弹射。

当然这只是理论上的基本原理,在实际运用过程中,不但储能和功率转换系统会有一定程度的损耗,而且需要合理选择相应的技术路线,并克服一系列的技术难题。对此马院士在论文中总结为:电磁发射本质上是能量的变换, 为实现这一能量变换过程,需要使用大量的电力电子装置及相适应的控制技术,对电力电子装置的总体设计、拓扑结构选择、控制系统设计以及辅助系统的设计方面提出了很高的要求。

4、电磁发射系统的储能方式

为了满足不同电磁发射系统的能源需求,储能系统的设计是其中关键一环。马院士在论文中列出了适合于电磁发射系统的主要储能方式,并对其特点进行了分析。其相关细节可以参看下图:三峡发电都不够用的电磁轨道炮 中国是如何装上船的

电磁发射系统的储能方式对比分析图

用马院士的原话来说:由于电磁发射磁装置瞬时功率极大(100MW级至GW级),按能量的存储形式,现行的储能方式主要有三种:①化学储能, 蓄电池、超级电容器和脉冲电容器等;② 机械能储能,如飞轮储能;⑧ 超导储能。其中,超导储能虽然具有能量密度大、效率高、响应速度快的优点,但由于运行环境要求苛刻、影响超导带材失超的因素较多、体积重量较大等原因,暂时还处在机理研究及实验样机研制阶段。

也就是说,考虑到电磁发射系统工程化和可靠性等方面的要求,超导储能还处在实验室阶段,实际可使用的就是基于飞轮的电机惯性储能和基于超级电容器与锂电池组合的复合储能方式。而从相关论文透露出的信息来看,可以判断出我国的电磁弹射器当前采用了基于飞轮的惯性储能方式,而电磁炮则采用了基于锂电池和超级电容组合的复合储能方式。下面分别结合其应用场景加以简单介绍。

5、电机惯性储能:电磁弹射的稳妥之选

基于飞轮的惯性储能,并不算一个很新的技术,wiki上面的定义如下:飞轮能量储存(英语:Flywheel energy storage,缩写:FES)系统是一种能量储存方式,它通过加速转子(飞轮)至极高速度的方式,用以将能量以旋转动能的形式储存于系统中。当释放能量时,根据能量守恒原理,飞轮的旋转速度会降低;而向系统中贮存能量时,飞轮的旋转速度则会相应地升高。其典型的结构请参见下图:三峡发电都不够用的电磁轨道炮 中国是如何装上船的

飞轮储能结构图

飞轮储能的最大优点是其能量密度和功率密度(相关定义见下一节)都非常不错,并且具有高可靠性、高可维护性和超长使用寿命的特点。自20世纪90年代以来,飞轮储能已经广泛的应用于很多工业领域。在近年来,通过采用高强度碳素纤维复合材料、磁悬浮和真空技术以及充分利用电子电力技术的新进展,飞轮储能的性能更有了更大的提高。

在飞轮储能方面,国内有诸多厂商和研究机构已经有相应的产品。而马院士领导的团队在这一领域做了很多的工作,其论文中的原话是,“突破了高能量密度、长脉宽和长寿命的惯性储能技术,创造性地提出了将拖动机、励磁机、旋转整流器及主发电机共轴集成,并将飞轮与转子合二为一的储能电机方案,提高了装置的功率密度和能量密度,解决了脉冲功率装置与不同容量电力系统适配的难题。”对此的一句话解读:我们已经搞定了飞轮储能方式,并解决其与电磁弹射、电磁炮这一类系统的兼容性。

从相关论文中的我们还可以判读出,马院士团队实际上是将惯性储能和发电机融为一体,做成了所谓的储能电机。在连接外部电网充电时表现为一个惯性储能装置,在工作时表现为一个大功率发电机。而后多个这样的储能电机发出的能量,经过相应的功率转换装置,变为可以用来驱动电磁发射装置的巨大能量。受制于储能电机的输出功率等级,相比于需要GW级别瞬时输出功率的电磁轨道炮,电磁弹射器大约百兆级别的瞬时功率需求更为匹配。实际上,MD的福特级航母上的电磁弹射器也采用了飞轮储能模式。

在讨论电磁弹射系统的论文中,马院士团队大篇幅的讨论了和储能电机相关的一系列技术问题,特别是其在很短时间内大幅度提高输出功率时相关的稳定性和励磁调节快速性问题。这种应用模式和电磁弹射器的需求非常吻合,基本可以判定为电磁弹射器的配套储能装置。

6、复合储能:电磁轨道炮的必然之选

相比于电磁弹射器,电磁轨道炮对于瞬时功率的要求要剧烈的多。马院士论文中对此的描述是:以32MJ动能导轨式电磁发射为例,其单次输出能量达百兆焦、瞬时输出功率达数十吉瓦。在需要连续快速发射的场合,单一储能难以满足该要求。海军工程大学提出了导轨式电磁发射装置应采用混合储能方式供电。。。。。

从这一段话里,我们可以读出两个关键信息:其一,电磁轨道炮的瞬时功率要求的确达到了几十吉瓦(GW)级别,这与我们前面的测算一致;其二,已有的任何一种单一能量存储模式,不管是超级电容、惯性储能甚至超导储能,都无法满足电磁轨道炮的能源需求。对此的解决之道,是采用所谓的混合储能方式,而这也一定是936上面那门大炮背后的工作方式。三峡发电都不够用的电磁轨道炮 中国是如何装上船的

混合储能的原理图

那什么是混合储能方式?在这里指的是采用大容量锂电池和超级电容器组合的储能方式。那为什么要这么做?混合储能的优势何在?我们首先要了解评估所有储能设备最为关键的两个参数,即能量密度、功率密度的定义:

所谓能量密度就是指每单位重量可以存储的总能量,其单位一般为(wh/kg)。能量密度越高就意味着可以存储的能量越多,比如常用的锂电池能量密度常常是普通铅酸电池的10倍以上,所以使用锂电池的设备可以用更轻巧的体积和重量,实现更长的使用时间;

所谓功率密度是指每单位质量在放电时可以输出的电能功率,其单位一般为(W/kg)。功率密度越高,在输出电能时可以支持的用电设备功率就越大。同样的例子,锂电池的功率密度也在铅酸电池的10倍以上,一个几公斤重的铅酸电池才能启动的发动机,一个比巴掌大不了多少的使用锂电池的汽车启动器也能够做到。

观察现有的储能模式,惯性储能的能量密度和功率密度都相当不错,但可惜距离电磁轨道炮所需要的GW级别的瞬时功率需求距离还挺远,并且受限于其物理结构,进一步提高的空间不大;大容量电池的能量密度很高,但可惜其功率密度不行,无法在极短时间内释放出电磁轨道炮所需要的大电流和高功率;超级电容器的功率密度极大,几乎是唯一可以跟得上电磁轨道炮功率需求的储能方式,但可惜其能量密度不高,基本是一次一充。三峡发电都不够用的电磁轨道炮 中国是如何装上船的

所谓的混合储能(也称复合储能)其实就是将锂电池和超级电容器组合起来使用:由锂电池负责从外网中吸收存储电能,发挥其能量密度高,电能存储多的优点;由超级电容器负责向发射轨道供电,发挥其功率密度大,可以支持轨道炮所需的瞬时大电流、高功率的优点;而后由锂电池负责向释放后的超级电容器快速充电(如45s内),以支持电磁轨道炮快速、多次发射的需求。通过这两种储能方式的组合,实现电磁轨道炮所需的高效能源支持。

当然,谈起来容易,做起来难。如何解决两种储能方式的相互连接,如何保证其工程可靠性、如何降低其成本、提高其密度都是一连串的问题。比较值得一提的是,在多篇论文中都提到了马院士团队原创的所谓台阶升压式充电方式,用于实现电池对脉冲电容器的快速充电。台阶升压式充电结构简单,具有近似恒流的输出特性,且开关频率低、损耗小。根据其论文数据,可以降低接近30%的成本,并实现高的工作可靠性和效率。

结语:高效能量管理是电磁发射系统的重要基础

综上所述,电磁发射系统有着广阔的军民用前景。但相对而言,也对能源管理提出了新的要求。不管是要安装高效的电磁弹射器,还是要想把连一座三峡电站的功率都无法直接支持的电磁轨道炮上舰,都需要其背后的高效能源管理系统,特别是储能和功率变换系统的支持。具体到海军舰艇应用领域,实际上还需要全舰能源管理系统(也就是所谓“综合全电”)的支持。值得欣慰的是,在这新一轮海军装备革命之中,我国是走在世界最前沿的。让我们一起期待,属于中国人的“星辰大海”。

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