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技术获突破 第2艘国产航母将使用电磁弹射

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国产舰船综合电力技术已经成熟,将有效提高船舶功率、降低油耗,同时还可以为电磁炮、大功率雷达和电磁弹射系统解决能源问题。

技术获突破 第2艘国产航母将使用电磁弹射

中国战舰综合电力系统技术获突破,将助国产航母实现电磁弹射


最近,中国工程院院士、海军工程大学教授马伟明获国家科技进步奖的获奖感言透露了部分成果,结合其它资料判断,综合电力系统技术即将在我国作战舰艇上得到应用。

技术获突破 第2艘国产航母将使用电磁弹射

资料图:伯克级驱逐舰的航速比例,可见20节以下的低航速状态占绝大部分,其中43%低于12节,53%低于14节,80%低于17节,因此低速时的燃油经济性非常重要。


综合电力系统将船上所有发电和耗电设备都连接在一个电网上,可自由地为所有设备分配电力,从而提高了动力系统的整体效率,并能满足定向能的高功耗要求。由于体积小、重量轻、加速快,燃气轮机已成为现代军舰最主要的动力设备,美国伯克级和我国052级驱逐舰都采用燃机推进。受技术原理限制,燃机在低功率运转时的耗油率很高,这使得燃机驱动的军舰在低速航行时的耗油量很大,不利于提高航程和降低运行成本。为解决这一问题,052级驱逐舰安装了2台柴油机,用于低速航行状态推进,但这导致动力系统设计复杂、噪音较高不利于反潜作战。

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资料图:伯克级驱逐舰透视图,其中红框部分为动力系统舱室,占了舰体内相当大的空间。上层建筑尾部红框为第3台发电用燃机。


在推进需求之外,现代军舰大量安装雷达和电子战设备,同时作战、洗衣、空调等生活耗电也迅速增加,因此发电量越来越高。伯克级驱逐舰安装了4台18兆瓦燃机用于推进,3台2.5兆瓦燃机用于发电,我国02D驱逐舰安装了2台柴油机和2台燃机用于推进,2台柴油机用于发电,这使得动力系统结构复杂、造价高昂。而军舰极少用最高航速航行,因此推进系统总是有大量剩余功率可满足发电需求,如果能自由调整动力分配,就可以简化动力系统设计,从而降低造价。

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资料图:美国DDG1000驱逐舰武器和动力系统透视图,左下角即为36兆瓦推进电动机,与燃机和发电机分开安装。从烟囱位置看,该舰燃机安装在舰岛中部下方,电动机舱的前上方。


英国45型、美国DDG1000朱姆沃尔特级驱逐舰已经应用综合全电推进技术,后者只安装2台4.5兆瓦和2台36兆瓦燃机,极大简化了动力系统设计、降低舱室空间需求;同时在3~9、20~81兆瓦功率范围内都能确保燃机保持较高燃油效率,预计在30年服役期内可节省约2000万美元燃油费。


综合电力系统技术还是定向能武器的基础。美军第3艘DDG1000驱逐舰将安装电磁炮,可打击185公里外的目标,极大提高了对地攻击能力。电磁炮弹的炮口动能高达64兆焦,以10发/分的射速持续发射时,需要至少12兆瓦的电能供应,远远超过伯克级7.5兆瓦的发电功率,因此伯克级安装的电磁炮射速仅能达到5发/分。为安装电磁炮或激光炮,未来作战舰艇必须采用综合电力推进系统,以满足供电要求。

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电磁炮结构示意图


由于综合电力推进系统具有军民两用性,因此其消息较为公开。马伟明院士称:本世纪初,我们联合国内10多家科研院所和军工企业,展开课题攻关。但是其中负责一重要分系统研究的单位,几年来一直没有突破性进展……不到4年时间,完成了最关键的电力推进子系统的理论分析、样机制造、系统集成以及功能试验考核,全面突破了新型感应推进电机和新型变频器的核心技术。2013年8月初,国家重大技术装备网称,中船重工武汉712研究所船舶综合电力推进系统取得重大进展,研制了以变频器、推进电机、推进变压器、功率管理系统、操纵控制系统为核心的推进系统,实现了单轴推进功率20兆瓦以下船舶电力推进系统的全部国产化。


从这两条消息看,我国综合电力系统已经于2013年初取得突破。但从功率看,8000~1.5万吨驱逐舰需要单轴36兆瓦的推进功率,而我国仅实现单轴20兆瓦推进功率,现有设备无法满足大型驱逐舰使用要求,只能用于对航速和推进功率要求较低的4000吨级护卫舰。


我国现有054A护卫舰用于替换1980~1990年代服役的053护卫舰,目前已下水20艘,未来5年内还会建造十余艘,从而满足近海防御任务需求。在此之后,我军护卫舰的建造可能告一段落,转而以发展远海护卫任务所需的大型驱逐舰为主。在此期间,我国综合电力推进系统技术也会继续发展,届时将能满足驱逐舰的功率需求。

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055驱逐舰陆上测试模型和网友猜测外形


052D驱逐舰是为替换1980年代服役的051型驱逐舰研制的,受吨位限制,该舰无法满足远海护卫要求,因此海军必须发展新一代055型万吨级大型驱逐舰。从各方面消息看,055级尚未开工建造,目前尚处于工程研制阶段,预计首舰可能在5年后下水服役,符合综合电力推进系统技术发展进度。为满足低油耗、低成本、使用定向能武器等要求,055级必将采用综合电力推进系统技术。


在船用综合电力技术接近实用后,马伟明院士讲话中还提到某项尖端技术,是近年来世界海军强国争相发展的重点领域,是代表未来新型主战舰船标志性的核心技术……5年里,我们不分昼夜地连续攻关……2008年我们终于研制成功小型样机,接着又做出了1:1单元设备样机,突破了全部关键技术,实现了与世界最先进技术的同步发展。从各方面资料看,这里提到的就是航母舰载机电磁弹射器,目前只有美国正在应用在福特级航母上,未来我国国产第二艘航母则很可能会使用。

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福特级航母的电磁弹射器


相比传统的蒸汽弹射器,电磁弹射器重量轻一半以上,只有约700吨,有助于提高航母适航性;可以弹射更轻和更重的飞机,可同时满足5吨级小型无人机和40吨级重型战斗机的要求;弹射过程中飞行员感觉更舒适;取消了大量蒸汽管线,简化了航母设计,提高了安全性;降低了全寿命使用成本,可节省十几亿美元资金。电磁弹射器对电力供应的需求并不大,福特级安装4部电磁弹射器也只需要总计约9兆瓦的功率。


当前我国正在发展弹射起飞航母,待国产电磁弹射器技术成熟后,可安装在第3艘及之后的国产航母上,从而大大提高舰载机出动能力、降低全寿命使用成本。该技术甚至可以应用于辽宁号和正在建造的第2艘航母,采用弹射加滑跃起飞方式,从而实现舰载机起飞过程中的单发停车安全。


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      2016/1/12 15:21:24

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