对战舰全电力推进缺陷的一点浅见

近年来,美国福特级航母和DDG1000驱逐舰,英国45型驱逐舰,德国F125护卫舰在全电综合推进的道路上你追我赶,此起彼伏。近日,国内诸多网站上也出现了一些相关的帖子,对中国全电力推进系统的研制成就进行介绍,对中国全电力推进战舰的未来发出憧憬和呼唤。

兵器迷和大家一样,为中国军备研制的快速发展感到高兴。但也发现了一个小小的缺憾——这些帖子当中,一股脑的都是赞扬全电推进的观点,但对其缺陷和风险却无只言片语的介绍。

咱呢,是中间派。全电推进,好是好。但听到形如“万岁万岁万万岁”,或者“打倒牛鬼蛇神”这些绝对的观点,就总忍不住往这沸油锅里滴点冷水,呵呵。这次也不例外,或许因此扰了某些朋友的兴致,告个罪先。

一、船舶的机械式与电力式推进

船舶的机械式推进,是指原动机(柴油机、燃气轮机和蒸汽轮机等),通过齿轮减速机构将原动机输出的高速动力降速后,驱动螺旋桨以低速旋转推进舰船运动,这部分约占75%的船舶总功率;同时通过轴系的运转,带动发电机组发电,用于舰艇武器装备、电子设备和日常用电,这部分约占25%的船舶总功率。

船舶的全电力推进,是指原动机与发电机直接相连,将原动机的机械能量直接转换为电能。然后,通过计算机电力分配系统,通过电力传输线,一方面将电能传递到舰船后部的电动机,电动机与螺旋桨直接连接推动舰船运动,另一方面将电能直接用于舰艇武器装备、电子设备和日常用电。

二者相比,全电推进的优势,大致体现在以下几个方面:

省空间:省去了传动轴系、减速齿轮箱,而轴系长度往往占到船长的40%左右,因此改善了机舱布局结构,节省了大量空间用于垂发系统、舱室布置、物资储备,有利于模块化建造舰艇——这是全电推进的最大优势之一。

易操作:电机转速易于调节,电能分配自动化、电子化。不但正反转都能提供恒定转矩,因此起动加速性好,制动快,正反车速度切换快,而且在高耗能武器和高速驱动之间调节电力方便快捷,精确高效——这是全电推进的最大优势之二

省燃料:多组电机调配运行,保证大部分时间系统工作特性处于最佳工况,因此比内燃机推进耗油减少10%左右,提高运输效率15%。

低噪音:发电机安装在弹性底座上,以恒定转速运行,与轴系和船体也无直接联结,因此可以大大减少振动和噪声

更环保:柴油机或内燃机工作在最佳工作区,燃油燃烧质量好,氮氧化物含量少,减少废气排放。

有朋友烦了——不是说缺陷吗?可说了半天,都是全电推进的优势,这些早就知道了。兵器迷说净说些废话!

呵呵,别急。全电推进之所以有缺陷,恰恰是这些基本原理和诸多优势所带来的,您往下看:

二、全电力推进的缺陷

1、电力线路的战时脆弱性:

用电路传输代替轴系传输能量,简单高效,节省空间。但是柔性电缆的绝缘套管和金属外护套强度不高,即便加上薄钢管,其战时防护能力也相当有限。

而机械轴系中的传动轴(包括中间轴、推力轴、艉轴)的材料均采用锻钢件。中国国家标准中,民船船轴一般用35号锻钢;军船船轴会采用强度更高的合金钢。根据国家标准,不同船舶轴系的轴径,直径从40mm到800mm不等。上交大的船舶院采用有限元与数值仿真相结合的方法, 建立推进轴系垂向冲击响应计算的数学模型,导出在加速度冲击输入条件下冲击响应的数值仿真方法,确认这样高强度材料建立的轴系,能够在很大程度上,对抗鱼雷、导弹、炸弹等爆炸产生的冲击波,最大限度的防止轴系产生位移、应力等冲击响应。

2、计算机分配和控制电力的战时脆弱性:

用集中化的IT手段管理和分配电能,在推进系统和高能设备之间进行快速切换,短暂限制其他系统耗能,响应快、精度高、省人员。相比之下,传统的人工+机电式电力分配柜,在正常情况下由主配电板供电,当检测到主配电板失电后,联络开关自动断开,自动启动应发电机,启动失败则发出声光报警,启动完成后自动合闸供电,当主配电板恢复供电后,应急发电机组自动分闸,随后联络开关自动合闸,延时后手动或自动停止应急发电机。其效率虽低,但安全性非常高。而全电推进系统中,由于舰艇的推进电能和日常用电、武备用电三者全部依赖于计算机集中化分配,一但配电的IT设备战损,即便电能的传输没有问题,仍将导致电能无法分配而出现无电可用的状况。

3、新型武器装备对电能高依赖导致的战时脆弱性。

传统舰载武器虽然对雷达和光电装置的依赖也是很高的,但仍有部分火炮、鱼类等武备具备人工装填和光学瞄准发射的能力。而近年来,采用激光炮、电磁炮全面替代传统舰船火炮,航母采用电磁弹射、电磁拦阻、电动升降机等全电设备的呼声日高。美国福特号航母的电磁弹射系统的强迫储能系统要求在45秒内充满所需要的能量。最大的舰载机起飞一般需要消耗的能量为120兆焦,四部电磁弹射系统同时充电,充电总功率可达16兆瓦,另外还有电磁轨道炮、升降机、激光等其它用电设备,加起来航母总功率达60兆瓦以上。舰艇武备高能化的做法,无异于进一步将舰艇战力与电能安全高度耦合。即:一但电力系统受损,不但舰艇无法机动,甚至无法进行有效的防御性作战。

4、损管能力的战时脆弱性

机械式推进装置的空间大是一种缺陷,但也因此提供了让人进入维修的空间。电力传输管道一般空间狭小,战损维护进入比较困难。

另外,全电推进的舰艇高压电力传输面临战损时,海水大量涌入、金属管线破损、抢救空间黑暗的情况下,损管必须格外小心,否则更加容易因漏电短路造成燃烧。而电力线路的燃烧将沿着电路迅速波及全舰,这时的动力传输变成灾害传输——效率也很高啊,呵呵。这将给本来已经困难的损管工作带来更大的危险和不便。

电力和配电系统的维护复杂度,一般要高于机械装置,往往需要知识层次更高的技术人员、更加精密的检测设备、更加专业的维护工具。而在战时,特别是在战损时,这些复杂条件本身,就构成了进一步的脆弱性。(本人作为IT民工,对这一点有切身体会,呵呵)。

全电推进上述几种缺陷,将可能导致舰艇发生战损时,有电难送,能送难配的尴尬局面,导致舰艇的机动能力、作战能力,甚至损管能力受到不可估量的影响。

三、实例

美国列克星敦号(USS Lexington CV-2)航母于1927年底完工,采用封闭舰首,单层机库,拥有两部升降机,全通式飞行甲板长271米,满载排水量3万6千吨。其突出特点是采用了当时非常先进的蒸汽轮机-电动机主机的电力推进动力系统,而非一般舰艇的机械推进系统。全舰采用16座巴布科克——威尔考克斯式重油专烧锅炉,4台GE式蒸汽轮机——电动机,主机输出功率180000马力。(当然,那个时候只有电力推进,即用独立的发电机组分别为推进系统和日用系统提供电能,但尚无二者合二为一的综合电推。)

在1942年5月8日的美日珊瑚海之战中,列克星敦中了日方2枚鱼雷和一颗250KG炸弹。在损管部门的检查中,受伤并不重。主机舱16台锅炉、蓄电池舱等重要部门工作均正常,航速25节,全舰都很乐观。但是航空油管震裂后泄露的油料蒸汽挥发,引起爆炸和火灾,导致供电传输线路中断。而断电造成损管现场失去了所有的主照明和主电源。由于灭火泵也是电动的,因此无法使用。电路损坏因而首先带来损管失控,主电缆的烧毁还造成电动舵机卡死,导致舰艇机动失灵。电力中断造成的通信失灵进一步瓦解了救援行动。最后,弥漫的大火最终造成大爆炸和弃舰,并被友舰菲尔普斯号驱逐舰的4条鱼雷送入了太平洋。

美军总结列克星敦的沉没时,最重要的原因之一就是全电化设计,舵机、锚机、通风机、照明、无线电、电话、车钟、电动泵、升降机、探照灯、火警系统、制冷、扬弹机…都是电动的。很方便,很高效,很清洁。但是,主电缆一旦故障,上述全部功能一起失效,在锅炉、发动机、电动机这三大件都是完好的情况下,航母丧失了全部动力和几乎全部损管能力,眼睁睁的看着列克星敦全部烧毁沉没。因此,美国后来放弃了主战舰艇的全电化设计,并且由于大功率机械减速装置的逐步成熟,而逐步走向更优化的内燃机机械推进模式。

四、总结

兵器迷说这些,并不是反对舰艇的全电综合推进。恰恰相反,全电推进不但是一种可能,而且是一种必然:随着国际海事组织在船舶排放方面制定越来越严格的标准,加上石油资源逐渐耗尽,内燃机将逐步退出历史舞台。电力推进系统的技术日益成熟,需求日益迫切,目前发达国家新造船舶的30%已采用电力推进系。不只是电推船舶,电推卫星、电推飞机、电推战车,都在人们的视野中了。美国于20世纪中后期,重启进行主战舰艇的全电化设计,海军在2002年提出“电力海上力量之路”计划,也是因为看到了这些因素的必然性。

但是,战舰的全电推进的问题,依然存在,而且有两个特点。

隐性。全电推进的缺陷,是隐性的,在和平时期,这样的问题很难觉察。细心的朋友,会发现兵器迷分析的四条缺陷中,都带有“战时”两个字,这些缺陷仅在非常时期才能变成显性。这一方面说明,民用船舶的全电化顾虑要小得多,可以大力推进。另一方面,长期的和平年代,军品设计时会更多的采用货架式商品和先进的民用技术,但却容易忽略那些只有在战时才暴露的问题——谁还记得上一次美军战舰被击沉是在什么时候?再如F22,单价高昂,供应零部件的厂商多达上千家,这对战时大规模装备都有未知的影响。

致命:全电推进的缺陷一旦发生,对军舰的生存性是致命的。这在一定程度上,对全电推进节省空间、提高操作效率、支持高能武器这些优势形成了一定的逆向制衡。而省油、环保、安静这些优点,则更加是改良性的——减震后内燃机和传动系噪音现在也已经大幅度降低了。而作为战斗舰艇,尽管考虑的要素错综复杂,但生存性是永恒的设计主题之一,在任何情况下,都不可忽视,不可偏废。

血与火的教训,要求我们在装备的技术路线上,对那些隐性的、致命性的缺陷问题加以认真研究,并在军用船舶的全电化推进过程中,采用更加稳妥和谨慎的态度和做法。比如:

同步电动机定子设两组相互独立的绕组互为主备;

加大传输电路的保护和冗余设计;

设计电力灾备自动断路和自动旁路机制;

提供应急人工启动配电模式;

优化设计损管修复线路和开口,等等。

在这方面,欢迎更多的网友和专家,提供专业性的意见,兵器迷虚席以待,愿闻其详。

作为军迷,在潮流和时尚中提出疑问、分析权衡,得到更加全面深入的认识;作为军备的设计者,以史为鉴趋利避害,为中国海军带来战斗力的真正提高。这样的期许,也算是这篇短文的一点初衷吧。

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成熟的全电推进系统应该是一种网状结构而不是树型结构。树型结构如列克星顿就是一个例子,只要主干断了,全舰就瘫痪了。而网状网络可以确保即使在最坏情况下主电缆断了,也可以通过分支网络把电力传送出去,让军舰保持一定航速及关键系统的运转。

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